約数の和の恒等式

このページの目的は、数論的約数和、つまり自然数の約数に対する算術関数の和、または算術関数と 1 と のディリクレ畳み込みと同等の、新しく興味深く有用な恒等式をカタログ化することです。

これらの恒等式は、 の真素約数のみに対する算術関数の和への適用を含む。また、最大公約数関数に関するこれらの約数和の周期的変種を、 の形で定義する。

関数を で表すことを可能にするよく知られた反転関係は、メビウスの反転公式によって与えられます。当然のことながら、このような恒等式の最も興味深い例のいくつかは、別の算術関数 の約数和として定義された算術関数 上の平均位数加法関数を考えるときに生じます。特殊な算術関数や算術関数の特殊なディリクレ畳み込みを含む約数和の具体的な例は、次のページにあります: こちらこちら、こちら、こちらこちら、そしてこちら

平均順序和の恒等式

和の恒等式の交換

以下の恒等式が、このトピックページを作成する主な動機です。これらの恒等式はあまり知られていないか、少なくとも十分に文書化されていないようですが、いくつかの用途では非常に便利なツールとなります。以下では、 が任意の規定された算術関数であり、 がの和を求める関数を表すとします。以下の最初の和のより一般的な特殊ケースについては、ここでを参照してください[1]

一般的に、これらの恒等式は、よく知られたものからあまり知られていないものまで、解析的数論のノートや技法、そして貢献者の論文や研究における、いわゆる「珍しいものや裏技」から集められたものです。恒等式自体は証明が難しくなく、級数の逆元や約数の和といった標準的な操作の練習問題です。したがって、ここでは証明を省略します。

畳み込み法

畳み込み法は、次の形式の平均次数和を推定する一般的な手法である。

ここで、乗法関数fは、適切なアプリケーション定義の算術関数ghの形式の畳み込みとして表すことができます。この手法の簡単な概要は、こちらでご覧いただけます。

関連する技術として、次の式を使用する。

これはディリクレ双曲線法として知られています

周期的除数和

算術関数周期的(mod k)、あるいは任意の に対して であるときk周期的である。k 周期的数論関数の具体的な例としては k を法とするディリクレ指標や最大公約数関数が挙げられるすべてk周期算術関数は、次の形式の有限離散フーリエ級数として表現できることが知られている。

ここで、次の式で定義されるフーリエ係数も k周期です。

私たちが興味を持っているのは、次のk周期の約数の合計です。

これらの除数和変種のフーリエ係数は式[2]で与えられることは事実である。

GCDのフーリエ変換

上の式のフーリエ係数は、任意の関数hのフーリエ変換を用いて、次の式で表すこともできる。ここで、ラマヌジャン和であるトーティエント関数のフーリエ変換を参照)。[3]

したがって、上記の結果を組み合わせると、

素因数の和

関数を素数特性関数、すなわちが素数で、そうでない場合は 0 となるとき、かつその場合に限って となる。すると、上記の「和の恒等式の交換」の項における式(1)の最初の恒等式の特別な場合として、平均位数和を表すことができる。

また、アーベル和に基づく積分公式は、次の形式の和に対しても成り立つ。[4]

ここで、 は素数関数を表します。ここでは、関数fは連続かつ微分可能であるという仮定を一般的に用います

あまり知られていない約数の和の等式

任意の算術関数fと完全に乗法的なg に対して、次の除数和の公式があります。ここで、オイラーのトーティエント関数、はメビウス関数です[5] [6]

  1. fが完全に乗法である場合、ディリクレ畳み込みによる点ごとの乗算により が生成されます
  2. かつnm個以上の異なる素因数がある場合、

算術関数のディリクレ逆関数

ディリクレ畳み込みの乗法恒等式を表す記法を採用し、任意の算術関数fおよびに対して が成り立つ関数fのディリクレ逆関数は、すべての に対してが成り立つ。関数fのディリクレ逆関数を計算するためのよく知られた再帰畳み込み公式は、[7]の形で帰納的に与えられている。

固定された関数fに対して、関数

次に、任意の固定算術関数fに対して、次の 2 つの多重またはネストされた畳み込みの変種を定義します

次の式の等価な和公式のペアによる関数は、任意の関数fのディリクレ逆関数と密接に関係している。[8]

特に、[9]

の値を以下に表します。この表は、関数fとそれ自身と のk個の可能な多重畳み込みの符号付き和として、この関数が意図する意味と解釈を明確に示しています。

nnn
2712
3813
4914
51015
61116

ここでpは分割関数(数論)ある。すると、ディリクレ逆関数は上記の関数とq-ポッホハマー記号の係数を用いて[8]で与えられる別の表現を持つ。

算術関数の和の変形

参照

注記

  1. ^ Apostolのセクション3.10も参照してください。
  2. ^ NIST 数学関数ハンドブック(DLMF)のセクション 27.10 。
  3. ^ Schramm, W. (2008). 「最大公約数の関数のフーリエ変換」.整数. 8 .
  4. ^ Villarino, MB (2005). "Mertens' Proof of Mertens' Theorem". arXiv : math/0504289のセクション2.2を参照
  5. ^ アポストルの本の順に:演習2.29、定理2.18、演習2.31-2.32
  6. ^ 最初の恒等式は、Gould, Henry W.; Shonhiwa, Temba (2008). "A catalogue of interesting Dirichlet series". Miss. J. Math. Sci. 20 (1). に掲載されている形式のよく知らたディリクレ級数を持つ。2011102日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  7. ^ 証明については、Apostol の本のセクション 2.7 を参照してください。
  8. ^ ab M. Merca and MD Schmidt (2017). 「一般化ランバート級数の因数分解定理とその応用」pp.  13– 20. arXiv : 1712.00611 [math.NT].
  9. ^ この同一性は、2018 年に ArXiv に掲載される予定の MD Schmidt による未発表の原稿で証明されています。

参考文献

  • アポストル, T. (1976).解析的数論入門. ニューヨーク: シュプリンガー. ISBN 0-387-90163-9
  • 数学関数デジタルライブラリ(DLMF). NIST. 2018年. 2018年4月24日閲覧.
  • タオ、テレンス. 「ディリクレ畳み込み:何が新しいのか?」
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