■整数の表現(その18)

【7】ヤコビの三角数定理

オイラーは

 (1+z+z^2+・・・)(1+z^2+z^4+・・・)(1+z^3+z^6+・・・)

のz^nの係数は

  n=k1+2k2+3k3+・・・

の非負整数解となっていることに気づいた.また,

 (1+z+z^2+・・・)(1+z^2+z^4+・・・)(1+z^3+z^6+・・・)=1/(1-z)・1/(1-z^2)・1/(1-z^3)・・・

であるから,

  P(z)=Π1/(1-z^m)=Σp(n)z^n

 p(n)は分割数,P(z)はその母関数である.

 一方,

 1/P(z)=Π(1-z^m)

では多くの相殺を生じ,

  Π(1-z^m)=Σ(-1)^nz^(3n^2+n)/2

=1-z-z^2+z^5+z^7-z^12-z^15+z^22+z^26-・・・(オイラーの五角数定理)となる.

ここでベキ級数の指数に初めて2次式が登場した.オイラーがこの予想を提起し,彼自身が証明を見出すまで多くの年月が過ぎた.のちにヤコビにより一般的に研究された.

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オイラー関数の2乗

  Π(1-x^n)^2=Σ(-1)^k・x^k^2・Σ(-1)^k・x^3k^2+k

=1-2x-x^2+2x^3+x^4+2x^5-2x^6-2x^8-2x^9+x^10+・・・

には特別な性質があるようにはみえない.ところが,オイラーの発見から70年ほど経って,ヤコビはオイラー関数の3乗

  Π(1-x^n)^3=Σ(-1)^k(2k+1)・x^k(k+1)/2

=1-3x+5^3-7x^6+9x^10-11x^15+・・・

を与えることを証明した(ヤコビの三角数定理).

  Π(1-q^n)=Σ(-1)^m・q^(m(3m+1)/2)   (オイラーの五角数定理,1750年)

  Π(1-q^n)^3=Σ(-1)^m(2m+1)q^((m^2+m)/2)   (ヤコビの三角数定理,1829年)

は,ヤコビの三重積公式を使うとあっさり証明できます.

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