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現代数学解説
文献あり

Gaussの三角数定理のq級数による証明

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非負整数nを用いて, N=(n+12)=n(n+1)2と表されるようなNを三角数という. 全ての自然数が3つの三角数の和で表されることはGaussの三角数定理と呼ばれており, Gauss, Legendreによって示されているが, ここではq級数による証明を与える.

F. H. Jackson(1921)

0n1aq2n1a(a,y;q)n(q,aq/y;q)nqn2anyn=(aq;q)(aq/y;q)

f(a):=0n1aq2n1a(a,y;q)n(q,aq/y;q)nqn2anyn=0n(1qn)+qn(1aqn)1a(a,y;q)n(q,aq/y;q)nqn2anyn=0<n11a(a,y;q)n(q;q)n1(aq/y;q)nqn2anyn+0n11a(a;q)n+1(y;q)n(q,aq/y;q)nqn2+nanyn=0n11a(a;q)n+1(y;q)n+1(q;q)n(aq/y;q)n+1qn2+2n+1an+1yn1+0n11a(a;q)n+1(y;q)n(q,aq/y;q)nqn2+nanyn=0n11a(a;q)n+1(y;q)n(q;q)n(aq/y;q)n+1qn2+nanyn((1yqn)qn+1ay1+(1aqn+1y))=1aq1aq/y0n1aq2n+11aq(aq,y;q)n(q,aq2/y;q)nqn2(aq)nyn=1aq1aq/yf(aq)
よって, これを繰り返すと,
f(a)=limN(aq;q)N(aq/y;q)Nf(aqN)=(aq;q)(aq/y)f(0)=(aq;q)(aq/y)
となって補題が示される.

α0=β0=1として, n1に対して,
αn=(1aq2n)j=0n(aq;q)n+j1(1)njq(nj2)(q;q)njβj
とするとき,
0n(y;q)n(a)nynq(n+12)βn=(aq/y;q)(aq;q)0n(y;q)n(a)nynq(n+12)(aq/y;q)nαn
が成り立つ.

(aq/y;q)(aq;q)0n(y;q)n(a)nynq(n+12)(aq/y;q)nαn=(aq/y;q)(aq;q)0n(y;q)n(a)nynq(n+12)(1aq2n)(aq/y;q)nj=0n(aq;q)n+j1(1)njq(nj2)(q;q)njβj=(aq/y;q)(aq;q)0n,j(y;q)n+jan+jynjq(n+j+12)(1aq2n+2j)(aq;q)n+2j1(1)jq(n2)(aq/y;q)n+j(q;q)nβj(nn+j)=(aq/y;q)(aq;q)0n(y;q)jajyjq(j+12)(aq;q)2j(1)j(aq/y;q)jβj0n1aq2n+2j1aq2j(aq2j,yqj;q)n(q,aqj+1/y;q)nanynqn2+nj
ここで, 補題1より,
0n1aq2n+2j1aq2j(aq2j,yqj;q)n(q,aqj+1/y;q)nanynqn2+nj=(aq2j+1;q)(aqj+1/y;q)
だから, これを代入することによって補題を得る.

D. Shanks(1958)

非負整数nに対して,
(q2;q2)n(q;q2)nj=0n(q;q2)j(q2;q2)jqn(2j+1)=j=02nq(j+12)
が成り立つ.

Sn:=(q2;q2)n(q;q2)nj=0n(q;q2)j(q2;q2)jqn(2j+1)Tn:=(q2;q2)n(q;q2)nj=0n1(q;q2)j(q2;q2)jqn(2j+1)
とすると,
SnTn=(q2;q2)n(q;q2)n(j=0n(q;q2)j(q2;q2)jqn(2j+1)j=0n1(q;q2)j(q2;q2)jqn(2j+1))=q(2n+12)
であり,
TnSn1=(q2;q2)n(q;q2)nj=0n1(q;q2)j(q2;q2)jqn(2j+1)(q2;q2)n1(q;q2)n1j=0n1(q;q2)j(q2;q2)jq(n1)(2j+1)=(q2;q2)n1(q;q2)nj=0n1(q;q2)j(q2;q2)jqn(2j+1)((1q2n)q2j+1(1q2n1))=(q2;q2)n1(q;q2)nj=0n1(q;q2)j(q2;q2)jqn(2j+1)((1q2j+1)q2n(1q2j))=(q2;q2)n1(q;q2)n(j=0n1(q;q2)j+1(q2;q2)jqn(2j+1)j=1n1(q;q2)j(q2;q2)j1qn(2j1))=(q2;q2)n1(q;q2)n(q;q2)n(q2;q2)n1qn(2n1)=q(2n2)
よって, これらより,
SnSn1=q(2n+12)+q(2n2)
である. S0=1より, 補題が従う.

Andrews(1986)

(0nq(n+12))3=0nq2n2+2n(1+q2n+1)1q2n+1j=02nq(j+12)

補題2
0n(y;q)n(a)nynq(n+12)βn=(aq/y;q)(aq;q)0n(y;q)n(a)nynq(n+12)(aq/y;q)nαn
において, qq2に置き換えて, a=q2,y=q
βj:=(1)j(q;q2)jqj2j(q2,q3;q2)j
とすると,
0n(q;q2)n2(q2,q3;q2)nqn=(q3;q2)(q4;q2)0n(1)n1q1q2n+1qn2+2nαn
を得る. 左辺は Heineの和公式 により,
0n(q;q2)n2(q2,q3;q2)nqn=(q2;q2)2(q,q3;q2)
である. 一方,
αn=(1)n(1q4n+2)1q2qn2nj=0n(q2;q2)n+j(q;q2)jq2nj(q2;q2)nj(q2,q3;q2)j=(1)n(1q4n+2)(q2;q2)n1q2qn2nj=0n(q2n+2,q;q2)jq2nj(q2;q2)nj(q2,q3;q2)j
ここで, q二項定理より
(q2n+2;q2)j=k=0j(q2;q2)j(q2;q2)k(q2;q2)jk(1)kq2nk+k2+k
であるから,
j=0n(q2n+2,q;q2)jq2nj(q2;q2)nj(q2,q3;q2)j=j=0n(q;q2)jq2nj(q2;q2)nj(q3;q2)jk=0j(1)kq2nk+k2+k(q2;q2)k(q2;q2)jk=j=0nk=0n(1)k(q;q2)j+kq2nj+k2+k(q2;q2)njk(q3;q2)j+k(q2;q2)k(q2;q2)j=j=0n(q;q2)jq2nj(q2;q2)nj(q2,q3;q2)jk=0n(q2j+1,q2j2n;q2)k(q2j+3,q2;q2)kq2k(nj+1)
ここで, q-Vandermondeの和公式 より,
k=0n(q2j+1,q2j2n;q2)k(q2j+3,q2;q2)kq2k(nj+1)=(q2;q2)nj(q2j+3;q2)nj=(q2;q2)nj(q3;q2)j(q3;q2)n
だから,
j=0n(q;q2)jq2nj(q2;q2)nj(q2,q3;q2)jk=0n(q2j+1,q2j2n;q2)k(q2j+3,q2;q2)kq2k(nj+1)=(q2;q2)n(q3;q2)nj=0n(q;q2)jq2nj(q2;q2)j
ここで, 補題3を用いれば,
αn=(1)nqn2n(1q4n+2)1q2(q2;q2)n(q3;q2)nj=0n(q;q2)j(q2;q2)jq2nj=(1)nqn2(1+q2n+1)1+qj=02nq(j+12)
を得る. よってこれより,
(q2;q2)2(q,q3;q2)=(q3;q2)(q4;q2)0n(1)n1q1q2n+1qn2+2nαn=(1q)(q;q2)(q2;q2)0n1+q2n+11q2n+1q2n2+2nj=02nq(j+12)
より,
((q2;q2)(q;q2))3=0n1+q2n+11q2n+1q2n2+2nj=02nq(j+12)
最後に補題3においてqq1としてからnとして得られる式(これはJacobiの三重積からも示せる)
0nq(n+12)=(q2;q2)(q;q2)
を用いることによって定理を得る.

0nq2n2+2n(1+q2n+1)1q2n+1j=02nq(j+12)=0nqn1+q2n+11q2n+1j=02nqj(4n+1j)2
と書き換えれば, 全ての自然数nに対し, qnの係数が1以上であることが分かる. よって, 以下を得る.

全ての自然数は3つの三角数の和で表すことができる.

参考文献

[1]
George E. Andrews, EΥPHKA! num=Δ+Δ+Δ., J. Number Theory, 1986, 285-293
投稿日:228
更新日:228
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Wataru
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超幾何関数, 直交関数, 多重ゼータ値などに興味があります

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