■ある無限級数(その27)

[1]Σ1/n^2(2n,n)=π^2/18

 まず,Σ1/n^2(2n,n)が第0項から始まるように,パラメータをずらすことにする.

  Σ1/(n+1)^2(2(n+1),n+1)=Σ(n+1)!(n+1)!/(n+1)^2(2n+2)!

 この級数の項比は

  an+1xn+1/anxn=(n+1)^3/4(n+2)(n+3/2)*x/(n+1)

であるから,

  Σ1/(n+1)^2(2(n+1),n+1)=a0*3F2(1,1,1;3/2,2;1/4)

また,a0=1/2より

  Σ1/(n+1)^2(2(n+1),n+1)=1/2*3F2(1,1,1;3/2,2;1/4)

これより,級数Σ1/n^2(2n,n)は超幾何級数であると同定される.

ここで,参考文献にある公式を活用しよう.

  3F2(2a,2b,a+b:2a+2b,a+b+1/2;x)={2F1(a,b;a+b+1/2;x^2)}

において,a=1/2,b=1/2とすることにより

  3F2(1,1,1;3/2,2;x^2)={2F1(1/2,1/2;3/2;x^2)}^2

2F1はガウス型超幾何関数であって,

  2F1(1/2,1/2;3/2;x^2)=arcsin(x)/x

 これより,1/2*{arcsin(x)/x}^2にx=1/2を代入することによって

  Σ1/n^2(2n,n)=π^2/18

が得られる.

  Σ(2-√3)^n/n^2(2n,n)

の場合の同様の計算は,

  Σ(2-√3)^(n+1)/(n+1)^2(2(n+1),n+1)

  =(2-√3)/2*3F2(1,1,1;3/2,2;(√6-√2)/4)

  =π^2/72

 交代級数

  Σ(-1)^(n-1)/n^2(2n,n)

の場合は,

  Σ(-1)^n/(n+1)^2(2(n+1),n+1)=1/2*3F2(1,1,1;3/2,2;-1/4)

  2F1(1/2,1/2;3/2;-x^2)=arcsinh(x)/x

であって,

  Σ(-1)^(n-1)/n^2(2n,n)=2*{arcsinh(1/2)}^2

となる.

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