Серия Ламберта

редактировать
Функция S (q) = ∑ n = 1 ∞ qn 1 - qn {\ displaystyle S (q) = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}}}{ \ Displaystyle S (q) = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}}} , представленный как Matplotlib построить график с использованием версии метода раскраски домена

. В математике, серия Ламберта, названная в честь Иоганна Генриха Ламберта, представляет собой серию , имеющую вид

S (q) = ∑ n = 1 ∞ anqn 1 - qn. {\ displaystyle S (q) = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} a_ {n} {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}}.}S (q) = \ sum_ {n = 1} ^ \ infty a_n \ frac {q ^ n} { 1-q ^ n}.

Его можно пересуммировать формально, расширив знаменатель:

S (q) = ∑ n = 1 ∞ an ∑ k = 1 ∞ qnk = ∑ m = 1 ∞ bmqm {\ displaystyle S (q) = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} a_ {n} \ sum _ {k = 1} ^ {\ infty} q ^ {nk} = \ sum _ {m = 1} ^ {\ infty} b_ {m} q ^ {m}}S (q) = \ sum_ {n = 1} ^ \ infty a_n \ sum_ {k = 1} ^ \ infty q ^ {nk} = \ sum_ {м = 1} ^ \ infty b_m q ^ m

, где коэффициенты нового ряда задаются сверткой Дирихле из n с постоянной функцией 1 (n) = 1:

bm = (a ∗ 1) (m) = ∑ n ∣ man. {\ displaystyle b_ {m} = (a * 1) (m) = \ sum _ {n \ mid m} a_ {n}. \,}b_m = (a * 1) (m) = \ sum_ {n \ mid m} a_n. \,

Этот ряд можно инвертировать с помощью Möbius формула инверсии и является примером преобразования Мёбиуса.

Содержание
  • 1 Примеры
  • 2 Альтернативная форма
  • 3 Текущее использование
  • 4 Теоремы факторизации
  • 5 Повторяющиеся отношения
  • 6 Производные
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
Примеры

Поскольку эта последняя сумма является типичной теоретико-числовой суммой, почти любая натуральная мультипликативная функция будет быть точно суммируемым при использовании в ряду Ламберта. Так, например, имеется

∑ n = 1 ∞ qn σ 0 (n) = ∑ n = 1 ∞ qn 1 - qn {\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} q ^ { n} \ sigma _ {0} (n) = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}}}\ sum_ {n = 1} ^ \ infty q ^ n \ sigma_0 (n) = \ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ frac {q ^ n} {1-q ^ n}

где σ 0 (n) = d (n) {\ displaystyle \ sigma _ {0} (n) = d (n)}\ sigma_0 (n) = d (n) - количество положительных делителей числа число n.

Для функций суммы делителей высшего порядка,

∑ n = 1 ∞ qn σ α (n) = ∑ n = 1 ∞ n α qn 1 - qn {\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} q ^ {n} \ sigma _ {\ alpha} (n) = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac { n ^ {\ alpha} q ^ {n}} {1-q ^ {n}}}}\ sum_ {n = 1} ^ \ infty q ^ n \ sigma_ \ alpha (n) = \ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ frac {n ^ \ alpha q ^ n} {1-q ^ n}

где α {\ displaystyle \ alpha}\ alpha - любое комплексное число и

σ α (n) = (Id α ∗ 1) (n) = ∑ d ∣ nd α {\ displaystyle \ sigma _ {\ alpha} (n) = ({\ textrm {Id}} _ {\ alpha} * 1) (n) = \ sum _ {d \ mid n} d ^ {\ alpha} \,}\ sigma_ \ alpha (n) = (\ textrm {Id} _ \ alpha * 1) (n) = \ sum_ {d \ mid n} d ^ \ alpha \,

- функция делителя.

Дополнительные серии Ламберта, относящиеся к предыдущей идентичности, включают те, которые для вариантов функции Мёбиуса, приведенных ниже μ (n) {\ displaystyle \ mu (n)}\ mu (n)

∑ n знак равно 1 ∞ μ (n) qn 1 - qn = q. {\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ mu (n) \, {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = q.}\ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ mu (n) \, \ frac {q ^ n} {1-q ^ n} = q.

Связанные ряды Ламберта по функции Мебиуса включают следующие тождества для любого простого α ∈ Z + {\ displaystyle \ alpha \ in \ mathbb {Z} ^ {+}}{\ displaystyle \ alpha \ in \ mathbb {Z} ^ {+}} :

∑ n ≥ 1 μ (n) qn 1 + qn = q - 2 q 2 ∑ n ≥ 1 μ (α n) qn 1 - qn = - ∑ n ≥ 0 q α n. {\ displaystyle {\ begin {align} \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {\ mu (n) q ^ {n}} {1 + q ^ {n}}} = q-2q ^ { 2} \\\ сумма _ {n \ geq 1} {\ frac {\ mu (\ alpha n) q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = - \ sum _ {n \ geq 0} q ^ {\ alpha ^ {n}}. \ End {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {\ mu (n) q ^ {n}} {1 + q ^ {n}}} = q-2q ^ {2} \\\ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {\ mu (\ alpha n) q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = - \ sum _ {n \ geq 0} q ^ {\ alpha ^ { n}}. \ end {align}}}

Доказательство первого тождества выше следует из многосекционного (или пополам) тождества этих производящих функций ряда Ламберта в следующем форма, где мы обозначаем L f (q): = q {\ displaystyle L_ {f} (q): = q}{\ displaystyle L_ {f} (q): = q} как производящую функцию ряда Ламберта арифметической функции f:

∑ n ≥ 1 f (n) qn 1 + qn = ∑ n ≥ 1 f (n) qn 1 - qn - ∑ n ≥ 1 2 f (n) q 2 n 1 - q 2 n = L f (q) - 2 ⋅ L f (q 2). {\ displaystyle {\ begin {align} \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {f (n) q ^ {n}} {1 + q ^ {n}}} = \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {f (n) q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} - \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {2f (n) q ^ {2n} } {1-q ^ {2n}}} \\ = L_ {f} (q) -2 \ cdot L_ {f} (q ^ {2}). \ End {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {f (n) q ^ {n}} {1 + q ^ {n}}} = \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {f (n) q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} - \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {2f ( n) q ^ {2n}} {1-q ^ {2n}}} \\ = L_ {f} (q) -2 \ cdot L_ {f} (q ^ {2}). \ end {выравнивается} }}

Второй тождество в предыдущих уравнениях следует из того факта, что коэффициенты левой суммы равны

∑ d | n µ (α d) = ∑ d | n (n, α) μ (d) знак равно ε (n (n, α)) = 1 ⟺ n = (n, α) ⟺ n = α k, для некоторых k ≥ 1, {\ displaystyle {\ begin {выровнено } \ sum _ {d | n} \ mu (\ alpha d) = \ sum _ {d | {\ frac {n} {(n, \ alpha)}}} \ mu (d) = \ varepsilon \ left ( {\ frac {n} {(n, \ alpha)}} \ right) = 1 \ iff n = (n, \ alpha) \ iff n = \ alpha ^ {k}, \ {\ text {для некоторых}} k \ geq 1, \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ sum _ {d | n} \ mu (\ alpha d) = \ sum _ {d | {\ frac {n} {(n, \ alpha)}}} \ mu (d) = \ varepsilon \ left ({\ frac {n} {(n, \ alpha)}} \ right) = 1 \ iff n = (n, \ alpha) \ iff n = \ alpha ^ {k}, \ {\ text {для некоторых}} k \ geq 1, \ end {align}}}

где функция ε (n) = δ n, 1 {\ displaystyle \ varepsilon (n) = \ delta _ {n, 1}}{\ displaystyle \ varepsilon (n) = \ delta _ {n, 1}} является мультипликативным тождеством относительно операции свертки Дирихле арифметических функций.

Для функции Эйлера φ (n) {\ displaystyle \ varphi (n)}\ varphi (n) :

∑ n = 1 ∞ φ (n) qn 1 - qn = q (1 - q) 2. {\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ varphi (n) \, {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = {\ frac {q} {(1-q) ^ {2}}}.}\ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ varphi (n) \, \ frac {q ^ n} {1-q ^ n} = \ frac {q} {(1-q) ^ 2}.

Для функции Фон Мангольдта Λ (n) {\ displaystyle \ Lambda (n)}\ Lambda (n) :

∑ n = 1 ∞ Λ (N) qn 1 - qn знак равно ∑ N = 1 ∞ журнал ⁡ (n) qn {\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ Lambda (n) \, {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ log (n) q ^ {n}}{\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ Lambda ( n) \, {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ log (n) q ^ {n}}

Для функции Лиувилля λ (n) {\ displaystyle \ lambda (n)}\ lambda (n) :

∑ n = 1 ∞ λ (n) qn 1 - qn = ∑ n = 1 ∞ qn 2 {\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ lambda (n) \, {\ frac {q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} q ^ {n ^ {2}}}\ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ lambda (n) \, \ frac {q ^ n} {1-q ^ n} = \ sum_ {n = 1} ^ \ infty q ^ {n ^ 2}

с суммой справа, аналогичной тета-функции Рамануджана или тета-функции Якоби ϑ 3 (q) {\ displaystyle \ vartheta _ {3} (q)}\ vartheta _ {3} (q) . Обратите внимание, что ряд Ламберта, в котором a n являются тригонометрическими функциями, например, a n = sin (2n x), можно оценивать различными комбинациями логарифмические производные тета-функций Якоби .

Вообще говоря, мы можем расширить предыдущее разложение производящей функции, позволив χ m (n) {\ displaystyle \ chi _ {m} ( n)}{\ displaystyle \ chi _ {m} (n)} обозначают характеристическую функцию mth {\ displaystyle m ^ {th}}m ^ {th} степеней, n = km ∈ Z + {\ displaystyle n = k ^ {m} \ in \ mathbb {Z} ^ {+}}{\ displaystyle n = k ^ {m} \ in \ mathbb {Z} ^ {+}} , для положительных натуральных чисел m>2 {\ displaystyle m>2}m>2 и определение обобщенной лямбда-функции m-Liou beville арифметическая функция, удовлетворяющая χ m (n): = (1 ∗ λ m) (n) {\ displaystyle \ chi _ {m} (n): = (1 \ ast \ lambda _ {m}) (n)}{\ displaystyle \ chi _ { m} (n): = (1 \ ast \ lambda _ {m}) (n)} . Это определение λ m (n) {\ displaystyle \ lambda _ {m} (n)}{\ displaystyle \ lambda _ {m} (n)} явно подразумевает, что λ m (n) = ∑ d m | n μ (ndm) {\ displaystyle \ lambda _ {m} (n) = \ sum _ {d ^ {m} | n} \ mu \ left ({\ frac {n} {d ^ {m}}} \ right)}{\ displaystyle \ lambda _ {m} (n) = \ sum _ {d ^ {m} | n} \ mu \ left ({\ frac {n} {d ^ {m}}} \ right) } , что, в свою очередь, показывает, что

∑ n ≥ 1 λ m (n) qn 1 - qn = ∑ n ≥ 1 qnm, для m ≥ 2. {\ displaystyle \ sum _ { n \ geq 1} {\ frac {\ lambda _ {m} (n) q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = \ sum _ {n \ geq 1} q ^ {n ^ { m}}, \ {\ text {for}} m \ geq 2.}{\ displaystyle \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {\ lambda _ {m} (n) q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = \ sum _ {n \ geq 1} q ^ {n ^ {m}}, \ {\ text {for}} m \ geq 2.}

У нас также есть несколько более обобщенное разложение в ряд Ламберта, генерирующее функцию суммы квадратов r 2 (n) {\ displaystyle r_ {2} (n)}{\ displaystyle r_ {2} (n)} в виде

∑ n = 1 ∞ 4 ⋅ (- 1) n + 1 q 2 n + 1 1 - q 2 n + 1 знак равно ∑ m = 1 ∞ r 2 (m) qm. {\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {4 \ cdot (-1) ^ {n + 1} q ^ {2n + 1}} {1-q ^ {2n + 1 }}} = \ sum _ {m = 1} ^ {\ infty} r_ {2} (m) q ^ {m}.}{\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {4 \ cdot (-1) ^ {n +1} q ^ {2n + 1}} {1-q ^ {2n + 1}}} = \ sum _ {m = 1} ^ {\ infty} r_ {2} (m) q ^ {m}. }

В общем, если мы запишем ряд Ламберта по f (n) {\ displaystyle f (n)}f (n) , который генерирует арифметические функции g (m) = (f ∗ 1) (m) {\ displaystyle g (m) = (f \ ast 1) (m)}{\ displaystyle g (m) = (f \ ast 1) (m)} , следующие пары функций соответствуют другим хорошо известным сверткам, выраженным их производящими функциями ряда Ламберта в виде

(f, g) = (μ, ε), ( φ, Id 1), (λ, χ sq), (Λ, log), (| μ |, 2 ω), (J t, Id t), (d 3, (d ∗ 1) 2), {\ displaystyle (е, г) = (\ му, \ varepsilon), (\ varphi, \ operatorname {Id} _ {1}), (\ lambda, \ chi _ {\ operatorname {sq}}), (\ Lambda, \ log), (| \ mu |, 2 ^ {\ omega}), (J_ {t}, \ operatorname {Id} _ {t}), (d ^ {3}, (d \ ast 1) ^ { 2}),}{\ displaystyle (f, g) = (\ му, \ varepsilon), (\ varphi, \ operatorname {Id} _ {1}), (\ lambda, \ chi _ {\ operatorname {sq}}), (\ Lambda, \ log), (| \ mu |, 2 ^ {\ omega}), (J_ {t}, \ operatorname {Id} _ {t}), (d ^ {3}, (d \ ast 1) ^ {2}),}

где ε (n) = δ n, 1 {\ displaystyle \ varepsilon (n) = \ delta _ {n, 1}}{\ displaystyle \ varepsilon (n) = \ delta _ {n, 1}} - мультипликативное тождество для свертки Дирихле, Id k ⁡ (n) = n k {\ displaystyle \ operatorname {Id} _ {k} (n) = n ^ {k}}{\ displaystyle \ operatorname {Id} _ {k} (n) = n ^ {k}} - это функция идентичности для kth {\ displaystyle k ^ { th}}k ^ {{th}} мощности, χ sq {\ displaystyle \ chi _ {\ operatorname {sq}}}{\ displaystyle \ chi _ {\ operatorname {sq}}} обозначает характеристическую функцию для квадратов, ω (n) {\ displaystyle \ omega (n)}\ omega (n) который подсчитывает количество различных простых множителей n {\ displaystyle n}n (см. простая функция омега ), J t {\ displaystyle J_ {t}}J_ {t} - функция Джордана, и d (n) = σ 0 (n) {\ displaystyle d (n) = \ sigma _ {0} (n)}{\ displaystyle d (n) = \ sigma _ {0} (n)} - это функция делителя (см. свертки Дирихле ).

Традиционное использование буквы q в суммировании - это историческое употребление, относящееся к ее истокам в теории эллиптических кривых и тета-функций, как ном.

Альтернативная форма

Подставляя q = e - z {\ displaystyle q = e ^ {- z}}q = e ^ {- z} , получаем другую общую форму для ряда, как

∑ n = 1 ∞ anezn - 1 Знак равно ∑ м знак равно 1 ∞ bme - mz {\ displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {a_ {n}} {e ^ {zn} -1}} = \ sum _ {m = 1} ^ {\ infty} b_ {m} e ^ {- mz}}\ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ frac {a_n} {e ^ {zn} -1} = \ sum_ { м = 1} ^ \ infty b_m e ^ {- mz}

где

bm = (a ∗ 1) (m) = ∑ d ∣ mad {\ displaystyle b_ {m} = ( a * 1) (m) = \ sum _ {d \ mid m} a_ {d} \,}b_ {m} = (a * 1) (m) = \ sum _ {{d \ mid m}} a_ {d} \,

как и раньше. Примеры ряда Ламберта в этой форме с z = 2 π {\ displaystyle z = 2 \ pi}z = 2 \ pi встречаются в выражениях для дзета-функции Римана для нечетных целочисленных значений. ; см. Дзета-константы для получения подробной информации.

Текущее употребление

В литературе мы находим ряды Ламберта, применяемые к широкому спектру сумм. Например, поскольку qn / (1 - qn) = L я 0 (qn) {\ displaystyle q ^ {n} / (1-q ^ {n}) = \ mathrm {Li} _ {0} ( q ^ {n})}q ^ n / (1 - q ^ n) = \ mathrm {Li} _0 (q ^ {n}) - функция полилогарифма, мы можем ссылаться на любую сумму вида

∑ n = 1 ∞ ξ n L iu (α qn) ns Знак равно ∑ N = 1 ∞ α N L является (ξ qn) nu {\ Displaystyle \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {\ xi ^ {n} \, \ mathrm {Li} _ { u} (\ alpha q ^ {n})} {n ^ {s}}} = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {\ alpha ^ {n} \, \ mathrm {Li } _ {s} (\ xi q ^ {n})} {n ^ {u}}}}\ sum_ {n = 1} ^ {\ infty } \ frac {\ xi ^ n \, \ mathrm {Li} _u (\ alpha q ^ n)} {n ^ s} = \ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} \ frac {\ alpha ^ n \, \ mathrm {Li} _s (\ xi q ^ n)} {n ^ u}

как ряд Ламберта, предполагая, что параметры соответствующим образом ограничены. Таким образом,

12 (∑ n = 1 ∞ n 2 L i - 1 (qn)) 2 = ∑ n = 1 ∞ n 2 L i - 5 (qn) - ∑ n = 1 ∞ n 4 L i - 3 ( qn), {\ displaystyle 12 \ left (\ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} n ^ {2} \, \ mathrm {Li} _ {- 1} (q ^ {n}) \ right) ^ {\! 2} = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} n ^ {2} \, \ mathrm {Li} _ {- 5} (q ^ {n}) - \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} n ^ {4} \, \ mathrm {Li} _ {- 3} (q ^ {n}),}12 \ left (\ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} n ^ 2 \, \ mathrm {Li} _ {- 1} (q ^ n) \ right) ^ {\! 2 } = \ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} n ^ 2 \, \ mathrm {Li} _ {- 5} (q ^ n) - \ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} n ^ 4 \, \ mathrm {Li} _ {- 3} (q ^ n),

, которое выполняется для всех комплексных q не на единичной окружности, считаться тождеством ряда Ламберта. Это тождество прямо следует из некоторых тождеств, опубликованных индийским математиком С. Рамануджан. Очень подробное исследование работ Рамануджана можно найти в работах Брюса Берндта.

Теоремы факторизации

Несколько более новая конструкция, недавно опубликованная в 2017–2018 годах, относится к так называемым теоремам факторизации рядов Ламберта форма

∑ N ≥ 1 anqn 1 ± qn = 1 (∓ q; q) ∞ ∑ n ≥ 1 ((так (n, k) ± se (n, k)) ak) qn, {\ displaystyle \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {a_ {n} q ^ {n}} {1 \ pm q ^ {n}}} = {\ frac {1} {(\ mp q; q) _ { \ infty}}} \ sum _ {n \ geq 1} \ left ((s_ {o} (n, k) \ pm s_ {e} (n, k)) a_ {k} \ right) q ^ {n },}{\ displaystyle \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {a_ {n} q ^ {n}} {1 \ pm q ^ {n}}} = {\ frac {1} {(\ mp q; q) _ {\ infty}}} \ sum _ {n \ geq 1} \ left ((s_ {o} (n, k) \ pm s_ {e} (n, k)) a_ {k} \ right) q ^ {n},}

где so (n, k) ± se (n, k) = [qn] (∓ q; q) ∞ qk 1 ± qk {\ displaystyle s_ {o} (n, k) \ pm s_ {e} (n, k) = [q ^ {n}] (\ mp q; q) _ {\ infty} {\ frac {q ^ {k}} {1 \ pm q ^ {k} }}}{\ displaystyle s_ {o} (n, k) \ pm s_ {e} (n, k) = [q ^ { n}] (\ mp q; q) _ {\ infty} {\ frac {q ^ {k}} {1 \ pm q ^ {k}}}} - соответствующая сумма или разность ограниченных функций разделения se / o (n, k) {\ displaystyle s_ {e / o} (n, k)}{\ displaystyle s_ {e / o} (n, k)} , которые обозначают количество k {\ displaystyle k}k во всех разделах n {\ displaystyle n}n на четные (соответствующие лы, нечетное) количество отдельных частей. Пусть sn, k: = se (n, k) - так (n, k) = [qn] (q; q) ∞ qk 1 - qk {\ displaystyle s_ {n, k}: = s_ {e } (n, k) -s_ {o} (n, k) = [q ^ {n}] (q; q) _ {\ infty} {\ frac {q ^ {k}} {1-q ^ { k}}}}{\ displaystyle s_ {n, k}: = s_ {e} (n, k) -s_ {o} (n, k) = [q ^ {n}] (q; q) _ {\ infty} {\ frac {q ^ {к}} {1-q ^ {k}}}} обозначают обратимую нижнюю треугольную последовательность, первые несколько значений которой показаны в таблице ниже.

n \ k12345678
110000000
201000000
3-1-1100000
4-10-110000
5-1-1-1-11000
6001-1-1100
700-10-1-110
810010-1-11

Другая характерная форма разложений теоремы факторизации в ряд Ламберта дается выражением

L f (q): = ∑ n ≥ 1 f (n) qn 1 - qn = 1 (q; q) ∞ ∑ N ≥ 1 (sn, kf (k)) qn, {\ displaystyle L_ {f} (q): = \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {f (n) q ^ {n} } {1-q ^ {n}}} = {\ frac {1} {(q; q) _ {\ infty}}} \ sum _ {n \ geq 1} \ left (s_ {n, k} f (k) \ right) q ^ {n},}{\ displaystyle L_ {f} (q): = \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {f (n) q ^ {n}} {1 -q ^ ​​{n}}} = {\ frac {1} {(q; q) _ {\ infty}}} \ sum _ {n \ geq 1} \ left (s_ {n, k} f (k) \ right) q ^ {n},}

где (q; q) ∞ {\ displaystyle (q; q) _ {\ infty}}{\ displaystyle (q; q) _ {\ infty}} - (бесконечное) символ q-Поххаммера. Обратимые матричные произведения в правой части предыдущего уравнения соответствуют обратным матричным произведениям, чьи нижние треугольные элементы заданы в терминах статистической суммы и функции Мёбиуса посредством

sn, k (- 1) = ∑ d | np (d - k) μ (nd) {\ displaystyle s_ {n, k} ^ {(- 1)} = \ sum _ {d | n} p (dk) \ mu \ left ({\ frac {n}) {d}} \ right)}{\ displaystyle s_ {n, k} ^ {(- 1)} = \ sum _ {d | n} p (dk) \ mu \ left ({\ frac {n} {d}} \ справа)}

В следующей таблице перечислены первые несколько строк этих соответствующих обратных матриц.

n \ k12345678
110000000
201000000
311100000
421110000
543211000
653221100
7107532110
8129643211

Мы полагаем G j: = 1 2 ⌈ j 2 ⌉ ⌈ 3 j + 1 2 ⌉ {\ displaystyle G_ {j}: = {\ frac {1} {2}} \ left \ lceil {\ frac {j} {2}} \ right \ rceil \ left \ lceil {\ frac {3j + ​​1} {2}} \ right \ rceil}{\ displaystyle G_ {j}: = {\ frac {1} {2}} \ left \ lceil {\ frac {j} {2}} \ right \ rceil \ left \ lceil {\ frac {3j + ​​1} {2}} \ right \ rceil} обозначают последовательность чередующихся пятиугольных чисел, т.е. так, что теорема о пятиугольных числах раскрывается в виде

(q; q) ∞ = ∑ n ≥ 0 (- 1) ⌈ n 2 ⌉ q G n. {\ displaystyle (q; q) _ {\ infty} = \ sum _ {n \ geq 0} (- 1) ^ {\ left \ lceil {\ frac {n} {2}} \ right \ rceil} q ^ {G_ {n}}.}{\ displaystyle (q; q) _ {\ infty} = \ sum _ {n \ geq 0} (- 1) ^ {\ left \ lceil {\ frac {n} {2}} \ right \ rceil} q ^ {G_ {n}}.}

Тогда для любого ряда Ламберта L f (q) {\ displaystyle L_ {f} (q)}{\ displaystyle L_ {f} (q)} генерируя последовательность g ( n) = (f ∗ 1) (n) {\ displaystyle g (n) = (f \ ast 1) (n)}{\ displaystyle g (n) = (f \ ast 1) (n)} , у нас есть соответствующее отношение инверсии теоремы факторизации, расширенное выше, заданное формулой

f (n) = ∑ k = 1 n ∑ d | n p (d - k) μ (n / d) × j: k - G j>0 (- 1) ⌈ j 2 ⌉ b (k - G j). {\ Displaystyle е (п) = \ сумма _ {к = 1} ^ {п} \ сумма _ {д | п} р (дк) \ му (п / д) \ раз \ сумма _ {j: к-G_ {j}>0} (- 1) ^ {\ left \ lceil {\ frac {j} {2}} \ right \ rceil} b (k-G_ {j}).}{\displaystyle f(n)=\sum _{k=1}^{n}\sum _{d|n}p(d-k)\mu (n/d)\times \sum _{j:k-G_{j}>0} (-1) ^ {\ left \ lceil {\ frac {j} {2}} \ right \ rceil} b (k-G_ {j}).}

Эта работа над теоремами факторизации рядов Ламберта расширена до более общих расширений формы

∑ N ≥ 1 anqn 1 - qn знак равно 1 C (q) ∑ N ≥ 1 (∑ K = 1 nsn, k (γ) a ~ k (γ)) qn, {\ displaystyle \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {a_ {n} q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = {\ frac {1} {C (q)}} \ sum _ {n \ geq 1} \ left ( \ sum _ {k = 1} ^ {n} s_ {n, k} (\ gamma) {\ widetilde {a}} _ {k} (\ gamma) \ right) q ^ {n},}{\ displaystyle \ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {a_ {n} q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} = {\ frac {1 } {C (q)}} \ sum _ {n \ geq 1} \ left (\ sum _ {k = 1} ^ {n} s_ {n, k} (\ gamma) {\ widetilde {a}} _ {k} (\ gamma) \ right) q ^ {n},}

где C (q) {\ displaystyle C (q)}{\ displaystyle C (q)} - любая (связанная с разбиением) обратная производящая функция, γ (n) {\ displaystyle \ gamma (n)}\ gamma (n) - любая арифметическая функция, и где модифицированные коэффициенты расширяются на

a ~ k (γ) = ∑ d | k ∑ r | к д а д γ (г). {\ displaystyle {\ widetilde {a}} _ {k} (\ gamma) = \ sum _ {d | k} \ sum _ {r | {\ frac {k} {d}}} a_ {d} \ gamma (r).}{\ displaystyle {\ widetilde {a}} _ {k} ( \ gamma) = \ sum _ {d | k} \ sum _ {r | {\ frac {k} {d}}} a_ {d} \ gamma (r).}

Соответствующие обратные матрицы в приведенном выше разложении удовлетворяют условию

sn, k (- 1) (γ) = ∑ d | n [qd - k] 1 С (q) γ (nd), {\ displaystyle s_ {n, k} ^ {(- 1)} (\ gamma) = \ sum _ {d | n} [q ^ {dk }] {\ frac {1} {C (q)}} \ gamma \ left ({\ frac {n} {d}} \ right),}{\ displaystyle s_ {n, k} ^ {(- 1)} (\ gamma) = \ sum _ {d | n} [q ^ {dk}] {\ frac {1} {C (q)}} \ gamma \ left ({\ frac {n} {d}} \ right),}

так, чтобы, как и в первом варианте теоремы факторизации Ламберта выше мы получаем соотношение обращения для правых коэффициентов вида

a ~ k (γ) = ∑ k = 1 nsn, k (- 1) (γ) × [qk] (∑ d = 1 kadqd 1 - qd C (q)). {\ displaystyle {\ widetilde {a}} _ {k} (\ gamma) = \ sum _ {k = 1} ^ {n} s_ {n, k} ^ {(- 1)} (\ gamma) \ раз [q ^ {k}] \ left (\ sum _ {d = 1} ^ {k} {\ frac {a_ {d} q ^ {d}} {1-q ^ {d}}} C (q) \ right).}{\ displaystyle { \ widetilde {a}} _ {k} (\ gamma) = \ sum _ {k = 1} ^ {n} s_ {n, k} ^ {(- 1)} (\ gamma) \ times [q ^ { k}] \ left (\ sum _ {d = 1} ^ {k} {\ frac {a_ {d} q ^ {d}} {1-q ^ {d}}} C (q) \ right). }
Отношения повторения

В этом разделе мы определяем следующие функции для натуральных чисел n, x ≥ 1 {\ displaystyle n, x \ geq 1}{\ display стиль n, x \ geq 1} :

gf ( n): знак равно (е * 1) (n), {\ displaystyle g_ {f} (n): = (f \ ast 1) (n),}{\ displaystyle g_ {f} (n): = (f \ ast 1) (n),}
Σ f (x): = ∑ 1 ≤ n ≤ xgf (п). {\ displaystyle \ Sigma _ {f} (x): = \ sum _ {1 \ leq n \ leq x} g_ {f} (n).}{\ displaystyle \ Sigma _ {f} (x): = \ sum _ {1 \ leq n \ leq x} g_ {f} (n).}

Мы также принимаем обозначения из предыдущего раздела, что

sn, k = [qn] (q; q) ∞ qk 1 - qk, {\ displaystyle s_ {n, k} = [q ^ {n}] (q; q) _ {\ infty} {\ frac {q ^ {k}} {1-q ^ {k}}},}{\ displaystyle s_ {n, k} = [q ^ {n} ] (q; q) _ {\ infty} {\ frac {q ^ {k}} {1-q ^ {k}}},}

где (q; q) ∞ {\ displaystyle (q; q) _ {\ infty} }{\ displaystyle (q; q) _ {\ infty}} - бесконечный символ q-Поххаммера. Тогда у нас есть следующие рекуррентные соотношения для включения этих функций и пятиугольных чисел, доказанных в:

gf (n + 1) = ∑ b = ± 1 ∑ k = 1 ⌊ 24 n + 1 - b 6 ⌋ (- 1) к + 1 gf (n + 1 - k (3 k + b) 2) + ∑ k = 1 n + 1 sn + 1, kf (k), {\ displaystyle g_ {f} (n +1) = \ sum _ {b = \ pm 1} \ sum _ {k = 1} ^ {\ left \ lfloor {\ frac {{\ sqrt {24n + 1}} - b} {6}} \ right \ rfloor} (- 1) ^ {k + 1} g_ {f} \ left (n + 1 - {\ frac {k (3k + b)} {2}} \ right) + \ sum _ {k = 1 } ^ {n + 1} s_ {n + 1, k} f (k),}{\ displaystyle g_ {f} (n + 1) = \ sum _ {b = \ pm 1} \ sum _ {k = 1} ^ {\ left \ lfloor {\ frac {{\ sqrt {24n + 1}} - b } {6}} \ right \ rfloor} (- 1) ^ {k + 1} g_ {f} \ left (n + 1 - {\ frac {k (3k + b)} {2}} \ right) + \ sum _ {k = 1} ^ {n + 1} s_ {п + 1, к} е (к),}
Σ f (x + 1) = ∑ b = ± 1 ∑ k = 1 ⌊ 24 x + 1 - b 6 ⌋ (- 1) к + 1 Σ f (n + 1 - k (3 k + b) 2) + ∑ n знак равно 0 x ∑ k = 1 n + 1 sn + 1, kf (k). {\ displaystyle \ Sigma _ {f} (x + 1) = \ sum _ {b = \ pm 1} \ sum _ {k = 1} ^ {\ left \ lfloor {\ frac {{\ sqrt {24x + 1) }} - b} {6}} \ right \ rfloor} (- 1) ^ {k + 1} \ Sigma _ {f} \ left (n + 1 - {\ frac {k (3k + b)} {2 }} \ right) + \ sum _ {n = 0} ^ {x} \ sum _ {k = 1} ^ {n + 1} s_ {n + 1, k} f (k).}{\ di splaystyle \ Sigma _ {f} (x + 1) = \ sum _ {b = \ pm 1} \ sum _ {k = 1} ^ {\ left \ lfloor {\ frac {{\ sqrt {24x + 1}}) -b} {6}} \ right \ rfloor} (- 1) ^ {k + 1} \ Sigma _ {f} \ left (n + 1 - {\ frac {k (3k + b)} {2}} \ right) + \ sum _ {n = 0} ^ {x} \ sum _ {k = 1} ^ {n + 1} s_ {n + 1, k} f (k).}
Производные

Производные ряда Ламберта могут быть получены путем почленного дифференцирования ряда по q {\ displaystyle q}q . У нас есть следующие тождества для почтовых sth {\ displaystyle s ^ {th}}{\ displaystyle s ^ {th}} производных ряда Ламберта для любого s ≥ 1 {\ displaystyle s \ geq 1}{\ displaystyle s \ geq 1}

qs ⋅ D (s) [qi 1 - qi] = ∑ m = 0 s ∑ k = 0 m [sm] {mk} (- 1) s - kk! им (1 - ци) к + 1 {\ displaystyle q ^ {s} \ cdot D ^ {(s)} \ left [{\ frac {q ^ {i}} {1-q ^ {i}}} \ right] = \ sum _ {m = 0} ^ {s} \ sum _ {k = 0} ^ {m} \ left [{\ begin {matrix} s \\ m \ end {matrix}} \ right] \ left \ {{\ begin {matrix} m \\ k \ end {matrix}} \ right \} {\ frac {(-1) ^ {sk} k! i ^ {m}} {(1-q ^ { i}) ^ {k + 1}}}}{\ displaystyle q ^ {s} \ cdot D ^ {(s)} \ left [{\ frac {q ^ {i} } {1-q ^ {i}}} \ right] = \ sum _ {m = 0} ^ {s} \ sum _ {k = 0} ^ {m} \ left [{\ begin {matrix} s \ \ m \ end {matrix}} \ right] \ left \ {{\ begin {matrix} m \\ k \ end {matrix}} \ right \} {\ frac {(-1) ^ {sk} k! i ^ {m}} {(1-q ^ {i}) ^ {k + 1}}}}
qs ⋅ D (s) [qi 1 - qi] = ∑ r = 0 s [∑ m = 0 s ∑ k = 0 m [sm] {mk} (s - kr) (- 1) s - k - rk! им (1 - ци) к + 1] q (г + 1) я, {\ displaystyle q ^ {s} \ cdot D ^ {(s)} \ left [{\ frac {q ^ {i}} {1 -q ^ ​​{i}}} \ right] = \ sum _ {r = 0} ^ {s} \ left [\ sum _ {m = 0} ^ {s} \ sum _ {k = 0} ^ {m } \ left [{\ begin {matrix} s \\ m \ end {matrix}} \ right] \ left \ {{\ begin {matrix} m \\ k \ end {matrix}} \ right \} {\ binom {sk} {r}} {\ frac {(-1) ^ {skr} k! i ^ {m}} {(1-q ^ {i}) ^ {k + 1}}} \ right] q ^ {(r + 1) i},}{\ displaystyle q ^ {s} \ cdot D ^ {(s)} \ left [{\ frac {q ^ {i}} {1-q ^ {i}}} \ right] = \ sum _ {r = 0} ^ {s} \ left [\ sum _ {m = 0} ^ {s} \ sum _ {k = 0} ^ {m} \ left [{\ begin {matr ix} s \\ m \ end {matrix}} \ right] \ left \ {{\ begin {matrix} m \\ k \ end {matrix}} \ right \} {\ binom {sk} {r}} { \ frac {(-1) ^ {skr} k! i ^ {m}} {(1-q ^ {i}) ^ {k + 1}}} \ right] q ^ {(r + 1) i},}

где треугольные коэффициенты в квадратных скобках в предыдущих уравнениях обозначают числа Стирлинга первого и второго видов. У нас также есть следующее тождество для извлечения индивидуальных коэффициентов членов, неявных для предыдущих разложений, заданных в форме

[q n] (∑ i ≥ t a i q m i (1 - q i) k + 1) = ∑ d | n t ≤ d ≤ n m ⌋ (n d - m + k k) и d. {\ displaystyle [q ^ {n}] \ left (\ sum _ {i \ geq t} {\ frac {a_ {i} q ^ {mi}} {(1-q ^ {i}) ^ {k + 1}}} \ right) = \ sum _ {\ begin {matrix} d | n \\ t \ leq d \ leq \ left \ lfloor {\ frac {n} {m}} \ right \ rfloor \ end {matrix }} {\ binom {{\ frac {n} {d}} - m + k} {k}} a_ {d}.}{\ displaystyle [q ^ {n}] \ left (\ sum _ {i \ geq t} {\ frac {a_ {i} q ^ {mi}} {(1-q ^ {i}) ^ {k + 1}}} \ right) = \ sum _ {\ begin {matrix} d | n \\ t \ leq d \ leq \ left \ lfloor {\ frac {n} {m} } \ right \ rfloor \ end {matrix}} {\ binom {{\ frac {n} {d}} - m + k} {k}} a_ {d}.}

Теперь, если мы определим функции A t (n) {\ displaystyle A_ {t} (n)}{\ displaystyle A_ {t} (n)} для любого n, t ≥ 1 {\ displaystyle n, t \ geq 1}{\ displaystyle n, t \ geq 1} по

A t (n) : = ∑ 0 ≤ k ≤ m ≤ t 0 ≤ r ≤ t ∑ d | п [т м] {м к} (т - к р) (п д - 1 - г + к к) (- 1) т - к - р к! дм ⋅ объявление ⋅ [t ≤ d ≤ ⌊ nr + 1 ⌋] δ, {\ displaystyle A_ {t} (n): = \ sum _ {\ begin {matrix} 0 \ leq k \ leq m \ leq t \\ 0 \ leq r \ leq t \ end {matrix}} \ sum _ {d | n} \ left [{\ begin {matrix} t \\ m \ end {matrix}} \ right] \ left \ {{\ begin {матрица} m \\ k \ end {matrix}} \ right \} {\ binom {tk} {r}} {\ binom {{\ frac {n} {d}} - 1-r + k} {k }} (- 1) ^ {tkr} k! D ^ {m} \ cdot a_ {d} \ cdot \ left [t \ leq d \ leq \ left \ lfloor {\ frac {n} {r + 1}} \ right \ rfloor \ right] _ {\ delta},}{\ displaystyle A_ {t} (n): = \ sum _ {\ begin {matrix} 0 \ leq k \ leq m \ leq t \\ 0 \ leq r \ leq t \ end {matrix}} \ sum _ {d | n} \ left [{\ begin {matrix} t \\ m \ end {matrix}} \ right] \ left \ {{\ begin {matrix} m \\ k \ end {matrix}} \ right \} {\ binom {tk} {r}} {\ binom {{\ frac {n} {d}} - 1-r + k} {k}} (- 1) ^ {tkr} k! d ^ {m} \ cdot a_ {d} \ cdot \ left [t \ leq d \ leq \ left \ lfloor {\ frac {n} {r + 1}} \ right \ rfloor \ right] _ {\ delta},}

где [⋅] δ {\ displaystyle [\ cdot] _ {\ delta}}{\ displaystyle [\ cdot] _ {\ delta}} обозначает соглашение Айверсона, тогда у нас есть коэффициенты для tth {\ displaystyle t ^ {th}}{\ displaystyle t ^ {th}} производных ряда Ламберта, заданных как

A t (n) = [qn] ( qt ⋅ D (t) [∑ i ≥ taiqi 1 - qi]) = [qn] (∑ n ≥ 1 (A t ∗ μ) (n) qn 1 - qn). {\ Displaystyle {\ begin {align} A_ {t} (n) = [q ^ {n}] \ left (q ^ {t} \ cdot D ^ {(t)} \ left [\ sum _ {i \ geq t} {\ frac {a_ {i} q ^ {i}} {1-q ^ {i}}} \ right] \ right) \\ = [q ^ {n}] \ left (\ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {(A_ {t} \ ast \ mu) (n) q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} \ right). \ end {выравнивается}} }{\ displaystyle {\ begin {выровнено} A_ {t} (n) = [q ^ {n}] \ left (q ^ {t} \ cdot D ^ {(t)} \ left [\ sum _ {i \ geq t} {\ frac {a_ {i} q ^ {i}} {1-q ^ {i}}} \ right] \ right) \\ = [q ^ {n}] \ left (\ sum _ {n \ geq 1} {\ frac {(A_ {t} \ ast \ mu) (n) q ^ {n}} {1-q ^ {n}}} \ right). \ end {выровнено}}}

Конечно, с помощью типичного аргумента, чисто операций с формальными степенными рядами, мы также имеем, что

[qn] (qt ⋅ D (t) [∑ i ≥ 1 f (i) qi 1 - qi]) = п! (п - т)! ⋅ (f ∗ 1) (n). {\ Displaystyle [д ^ {п}] \ влево (д ^ {т} \ CDOT D ^ {(т)} \ влево [\ сумма _ {я \ geq 1} {\ гидроразрыва {е (я) д ^ { i}} {1-q ^ {i}}} \ right] \ right) = {\ frac {n!} {(nt)!}} \ cdot (f \ ast 1) (n).}{\ displaystyle [q ^ {n}] \ left (q ^ {t} \ cdot D ^ {(t)} \ left [\ sum _ {i \ geq 1} {\ frac {f (i) q ^ {i}} {1-q ^ {i}}} \ right] \ right) = {\ frac {n!} {(nt)!}} \ cdot (f \ ast 1) (n).}
См. Также
Ссылки
Последняя правка сделана 2021-05-26 12:21:22
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте