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第条

Ramanujan笔记本中级数有限三和形式的一个新结果

通过
埃里克·维格伦
1,*
安德烈亚斯·迪克曼
2
1
瑞典空间物理研究所,75121瑞典乌普萨拉
2
德国波恩53115波恩大学物理研究所
*
信件应寄给的作者。
对称 2022,14(6), 1090;https://doi.org/10.3390/sym14061090
收到的提交文件:2022年5月7日/修订日期:2022年5月19日/接受日期:2022年5月24日/发布日期:2022年5月26日

摘要

以下为:
我们考虑一个函数 ( 第页 , x个 , u个 ) 具有 x个 , u个 第页 在对称域上,它等于拉马努扬第二本笔记本第三章第16条所述的无穷级数之和。由于该函数的建立与标记树理论密切相关,因此引起了新的关注。然而,据我们所知,封闭式解决方案允许快速计算 ( 第页 , x个 , u个 ) 直到现在,在Mathematica中还没有显式使用递归。我们提出的公式根据变量变换零件 u个 然后出现在由二项式和第二类斯特林数组成的有限三重和中。

1.简介

斯里尼瓦萨·拉马努扬(1887-1920)的成文思想在被写下来100多年后一直是一种灵感。在[1],提出并讨论了他在《印度数学学会杂志》上发表的问题。式(9)[1]引起了我们的注意,随后的讨论使我们[2],Berndt、Evans和Wilson(1983)编写的Ramanujan第二本笔记本第3章的摘要/讨论。在那里,第16条规定,在收敛域上(c.f.,方程(11),第4节):
k个 = 0 ( k个 + x个 ) k个 + 第页 e(电子) u个 ( x个 + k个 ) u个 k个 k个 ! = t吨 = 1 第页 + 1 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) ( 1 u个 ) 第页 + t吨 ( 第页 , x个 , u个 ) ,
哪里 x个 , u个 第页 其中多项式 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) 由递归定义
ψ t吨 ( 第页 , x个 ) = ( x个 第页 t吨 + 1 ) ψ t吨 ( 第页 1 , x个 ) + ( 第页 + t吨 2 ) ψ t吨 1 ( 第页 1 , x个 ) ,
具有 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) = 0   如果   t吨 [ 1 , 第页 + 1 ] ψ 1 ( 0 , x个 ) = 1 方程(2)归于Berndt、Evans和Wilson,而在Ramanujan的原著中提供了三项等效递归。我们在文献中没有遇到任何允许快速计算 ( 第页 , x个 , u个 ) 无需设置递归。本工作的目标是(i)提出这样一个公式(方程式(5)给出的关键结果),(ii)通过计算手段对其进行支持,以及(iii)鼓励更广泛的社区严格证明推测的身份。
在的介绍性文本中[2],声明如下:“条目16和17在文献中似乎没有被扩展,似乎是进一步富有成果的研究的基础”。该声明也引用于[]这是曾轶可1999年的作品,他进一步指出,自[2],“一些作者对条目17中的序列进行了算术和组合研究”,而“对于条目16似乎什么也没有做”。曾先生注意到肖尔对标记树的研究[4]涉及多项式的递推公式 第页 , t吨 ( x个 ) 类似于 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) 因此,它在[]那个
第页 , t吨 ( x个 ) = ψ t吨 + 1 ( 第页 1 , x个 + 第页 ) ,
意味着从例如。, ψ ( , x个 ) = 15 x个 35 ,如下 4 , 2 ( x个 ) = ψ ( , x个 + 4 ) = 15 x个 + 25 此外,了解 第页 + 1 , t吨 1 ( x个 ) 允许我们通过方程系统通过方程(3)计算出 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) 。我们应该注意到[,5]
第页 , t吨 ( x个 ) = T型 T型 第页 + 1 , t吨 x个 T型 ( 1 ) 1 ,
哪里 T型 第页 + 1 , t吨 有标签的树在上面吗 { 1 , 2 , , 第页 + 1 } 具有 t吨 不正确的边缘,以及 T型 ( 1 ) 是树中最小节点的子节点数 T型 。我们在此补充了[5]带有案例的插图 , 1 ( x个 ) 。所有树都被认为具有四个标记节点和一个不正确的边。边缘 ( , b条 ) 如果子树的最小节点根在 b条 (包括 b条 本身)的价值超过 ; 否则会被归类为不当行为。我们找到了七种方法来实现具有四个标记节点和一个不正确边的树,如图1节点1在三种情况下有两个子节点,在四种情况下只有一个子节点。因此,方程式(4)表明 , 1 ( x个 ) = x个 + 4 ,同意可能阅读的内容,例如[5].
所引用的作品对[2]. 在我们看来,大多数后续作品以这样或那样的方式处理[2]在标记树的理论框架中这样做。如上所述,一个显式公式允许快速计算 ( 第页 , x个 , u个 ) 而不需要设置递归。这项工作的关键结果是推测出的恒等式(对于 第页 0 ):
t吨 = 1 第页 + 1 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) ( 1 u个 ) 第页 + t吨 = j个 = 0 第页 k个 = 0 j个 = 0 第页 j个 ( 1 ) ( 2 第页 j个 k个 ) ( 2 第页 j个 k个 ) { 2 第页 j个 k个 第页 j个 } x个 k个 u个 第页 j个 ( 1 u个 ) 2 第页 + 1 j个
其中右侧的花括号用于表示第二类斯特林数。等式(5)的右侧提供了一个有效的计算 ( 第页 , x个 , u个 ) 在Mathematica中[6]通过内置函数二项式[]和StirlingS2[]。我们在中描述第2节我们是如何在第3节,我们描述了为加强推测所做的努力。结论见第4节需要强调的是,在没有证明的情况下,方程(5)仍然是推测的。

2.方法

例如,通过针对方程式(1)左侧的简单特殊情况 x个 设置为小整数和 u个 设置为简单分数(例如 1 / 2 , 1 / ,   . ),我们能够提出一些函数,这些函数似乎为无限和提供了闭式解,例如。, 第页 = 2 第页 = .熟悉之后[2]以及方程(1)和(2),我们注意到在比较我们的解的形式时存在差异。鉴于 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) -多项式呈现形式的显式解
( 第页 , x个 , u个 ) = j个 = 0 第页 k个 = 0 j个 β 第页 , j个 , k个 x个 k个 ( 1 u个 ) 2 第页 + 1 j个   ,
具有 β 第页 , j个 , k个 取整数值(不完全是非负的),我们少数实验发现的解的形式如下
( 第页 , x个 , u个 ) = j个 = 0 第页 k个 = 0 j个 ρ 第页 , j个 , k个 x个 k个 u个 第页 j个 ( 1 u个 ) 2 第页 + 1 j个   ,
其中整数系数 ρ 第页 , j个 , k个 = 0 如果 k个 < j个 = 第页 否则绝对是肯定的。例如,在 第页 = ,我们有(通过方程式(4)检查或参见,例如[5]): ψ 1 ( , x个 ) = x个 6 x个 2 + 11 x个 6 ; ψ 2 ( , x个 ) = 6 x个 2 26 x个 + 26 ; ψ ( , x个 ) = 15 x个 35 ; ψ 4 ( , x个 ) = 15 。这为
( , x个 , u个 ) = x个 ( 1 u个 * 4 ) + x个 2 ( 6 u个 * 4 + 6 u个 * 5 ) + x个 ( 11 u个 * 4 26 u个 * 5 + 15 u个 * 6 ) + ( 6 u个 * 4 + 26 u个 * 5 35 u个 * 6 + 15 u个 * 7 )   ,
哪里 u个 * = 1 u个 .在设置 ρ , , k个 = 0 对于 k个 = 0 1和2是一个简单的代数运算 ρ , , = 1 , ρ , 2 , 2 = 6 , ρ , 2 , 1 = 4 , ρ , 1 , 1 = 15 , ρ , 2 , 0 = 1 , ρ , 1 , 0 = 10 ρ , 0 , 0 = 15 。根据此示例,我们构造了 ρ 第页 , j个 , k个 的系数 第页 = ,   4 5 ,如所示图2(顶部阵列)。
这些数组被考虑了一段时间,直到注意到从底部开始的第二行是熟悉的二项式系数。然后发现二项式“ 2 第页 j个 结束 k个 “不仅捕获了第行的序列 j个 = 第页 1 ,但也为数组的每个元素提供了适当的除数。结果商显示为中的底部数组图2突破性的一步是查阅在线整数序列百科全书(OEIS)[7]带有查找连续出现的3、10、25和56的查询(在中标记为红色图2). 这使我们找到了序列A000247,其中还对序列A000478进行了交叉引用,从15、105、490开始(作为图2)和A058844,以105、1260开头(作为图2). 这表明,通过对OEIS的描述,我们构建的数组的条目对应于放置方式的数量 2 第页 j个 k个 标签项目放入 第页 j个 不可区分的盒子,使得每个盒子中至少放置2个物品。出租 (f) ( ,   b条 ) 表示放置方式的数量 标签项目放入 b条 我们进一步从中了解到,每个盒子中至少放置了两件物品[7](通过对序列A008299的注释)
(f) ( , b条 ) = = 0 b条 ( 1 ) ( ) { b条 }   ,
其中花括号表示第二类斯特林数。总之,这让我们猜测方程(5)表示的恒等式,其中方程(9)用于设置 = 2 第页 j个 k个 b条 = 第页 j个 .
递归定义的函数 ( 第页 , x个 , u个 ) 包含变量 u个 作为 1 / ( 1 u个 ) 。这使它有了一个相当短而优雅的外观,但代价是在更深层次上进行时间密集的递归 第页 .现在, ( 第页 , x个 , u个 ) 已通过将递归扩展到特定级别进行变换,从而识别变量幂系数中的模式 ( 1 u个 ) / u个 ,它在代数上看起来更对称,因为名数和分母都随 u个 。将球分配到盒子中的问题的关联是非常出乎意料的。

3.有效性测试

验证方程式(5)适用于整数的Mathematica代码 0 第页 30 中提供了图3。前两行定义 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) = 0   如果   t吨 [ 1 , 第页 + 1 ] ψ 1 ( 0 , x个 ) = 1 分别为。第三行表示 ψ t吨 ( 第页 , x个 ) 如方程式(4)所示。第四行定义了函数 (f) ( ,   b条 ) 类似于方程式(9)。第五行涉及等式(5)左右两侧的差值的计算,逐步通过 第页 从0到30,增加了更高递归级别所需的执行时间。请注意,此处右侧是通过使用方程式(9)表示的。输出如所需,是一个由零组成的数组,表明对于每个考虑的值 第页 ,推测的恒等式成立。

4.结束语

由于方程(5)两边展开形式的复杂性 第页 = 10 ,毫无疑问,等式(5)一般适用于 第页 0 话虽如此,我们仍将严格证明方程(5)作为一个悬而未决的问题。接近证明的潜在有用参考包括,例如[8,9],但其中没有一个尝试专门为 β 第页 , j个 , k个 方程(6)的系数或 ρ 第页 , j个 , k个 方程(7)的系数。在中提供[10],以及[2],是无穷和的闭式解,在少数情况下也是负值 第页 从这些结果中,我们还没有确定出允许我们推测整数方程(1)左侧和的一般闭合形式解的模式 第页 < 0 .
我们还研究了 u个 方程(5)的任一侧作为方程(1)无穷和的解 第页 0 级数的数值计算,即方程(1)的LHS的数值计算存在一些困难,因为每个和都包含一个随 k个 、运行指标和阻尼组件 u个 经验 ( u个 ) 二者结合在一起会在一定范围内产生较大的振幅 k个 ,直到指数阻尼接管。对于负片 u个 ,系列术语交替出现,并且总和中的大数字被取消。几乎在收敛区域的任何地方,都需要高精度的算法。在奇数间隔的 k个 为负值 u个 对于非交替情况( u个 > 0 ),没有取消连续 k个 和,因此,和的值变得非常大。该级数在 u个 = 1 .为实现更高数值的可靠数值评估 第页 在极点附近,由于涉及的数字较多,这变得更加困难,因此应用以下程序:因为该区域中的总和的值由出现在更高的值时的最大总和决定 k个 值仅为高 k个 通过使用 k个 summand作为 k个 无穷。这也揭示了复数收敛区域的细节 u个 ,稍后将讨论。正如Mathematica中的计算所证明的那样 u个 方程(1)的LHS值在极点附近,例如 ,通过替换索引上的总和来近似计算 k个 通过积分:
= e(电子) x个 2 π 1 1 k个 ( 经验 [ 2 第页 x个 x个 2 2 k个 + 第页 自然对数 k个 + k个 ( 1 + 自然对数 [ u个 e(电子) u个 ] ) ] ) d日 k个   .
然后我们可以检查整个范围。的左侧面板图4显示了等式(1)和(5)的对数绝对值作为函数的比较 u个 特别适用于以下情况 x个 = 1.9 第页 = 10 黑色虚线表示方程式(5)的RHS,橙色虚线通过方程式(5的LHS显示结果,蓝色圆点表示序列值。对于后者的计算,积分近似用于 u个 > 0.3 总体上一致性良好。
大值的渐近项的行为 k个 由因素决定 经验 [ k个 ( 1 + 自然对数 [ u个 e(电子) u个 ] ) ] 可以避免爆炸 k个 只有当 ( 1 + 自然对数 [ u个 e(电子) u个 ] ) < 0 .对于复杂 u个 ,这将产生一个对称的收敛区域,如右面板所示图4。对于的值 u个 在这个区域之外,序列会发生分歧。简而言之,我们的评估表明方程(1)适用于非负整数 第页 和while u个 满足以下两个关系:
{ 0.27846454 < 重新 ( u个 ) < 1 [ 伊姆河 ( u个 ) ] 2 < 经验 [ 2 ( 重新 ( u个 ) 1 ) ] [ 重新 ( u个 ) ] 2 ;
哪里 重新 ( u个 ) 伊姆河 ( u个 ) 表示的实部和虚部 u个 ,其中使用Lambert W公司 函数实数部分的范围 u个 以某种对称的方式从 W公司 ( 1 / e(电子) ) W公司 ( e(电子) ) ,c.f.,方程式(16.6)in[2].

作者贡献

概念化、E.V.和A.D。;方法、E.V.和A.D。;软件,A.D。;验证,A.D。;形式分析、E.V.和A.D。;调查、E.V.和A.D。;书面原稿编制、E.V.和A.D。;写作审查和编辑、E.V.和A.D。;可视化、E.V.和A.D.所有作者都已阅读并同意手稿的出版版本。

基金

这项研究没有得到外部资助。

机构审查委员会声明

不适用。

知情同意书

不适用。

数据可用性声明

不适用。

致谢

我们感谢Stan Wagon为方程(5)的数值验证代码做出的贡献,特别是对相关递归公式的紧凑设置。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

工具书类

  1. 不列颠哥伦比亚省伯恩特。;Choi,Y.-S。;Kang,S.-Y.Ramanujan提交给《印度数学学会杂志》的问题。连分式:从解析数论到构造逼近; 美国数学学会:普罗维登斯,RI,美国,1999年;第15-56页。[谷歌学者]
  2. 不列颠哥伦比亚省伯恩特。;R.J.Evans。;B.M.Wilson,Ramanujan第二本笔记本的第三章。高级数学。 1983,49, 123–169. [谷歌学者] [交叉参考] [绿色版本]
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  4. Shor,P.计数标记树的Cayley公式的一个新证明。J.组合理论系列。A类 1995,71, 154–158. [谷歌学者] [交叉参考] [绿色版本]
  5. Chen,W.Y.C。;Guo,V.J.W.Ramanujan多项式背后的分歧。高级申请。数学。 2001,27, 336–356. [谷歌学者] [交叉参考] [绿色版本]
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  8. 郭维杰。;Zeng,J.Ramanujan多项式和平面树的推广。高级申请。数学。 2007,39, 96–115. [谷歌学者] [交叉参考] [绿色版本]
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  10. Dieckmann,A.无限产品和系列的集合。在线提供:http://www-elsa.physik.uni-bonn.de/~dieckman/InfProd/InfProd.html(2022年5月2日访问)。
图1。构建具有四个标记节点和一个不正确边的树的七种可能性。
图1。构建具有四个标记节点和一个不正确边的树的七种可能性。
对称14 01090 g001
图2。顶部数组显示的值为 ρ 第页 , j个 , k个 对于具有 第页 = (左边), 第页 = 4 (中间的)和 第页 = 5 (正确的). 底部数组显示了被二项式除法所得的商 2 第页 j个 结束 k个 ”。文本中引用了彩色数字。
图2。顶部数组显示的值为 ρ 第页 , j个 , k个 对于具有 第页 = (左边), 第页 = 4 (中间的)和 第页 = 5 (正确的). 底部数组显示了被二项式除法所得的商 2 第页 j个 结束 k个 ”。文本中引用了彩色数字。
对称14 01090 g002
图3。验证整数方程(5)的Mathematica代码 0 第页 30 .
图3。验证整数方程(5)的Mathematica代码 0 第页 30 .
对称14 01090 g003
图4。(左侧)方程式(5)的LHS(橙色)、方程式(5”的RHS(黑色虚线)和方程式(1)的计算LHS(蓝色点) x个 = 1.9 , 第页 = 10 和变化 u个 (赖特)复杂平面的区域,其中方程(1)的LHS上的级数收敛,且方程式(1)成立(见方程(11))。
图4。(左侧)方程式(5)的LHS(橙色)、方程式(5”的RHS(黑色虚线)和方程式(1)的计算LHS(蓝色点) x个 = 1.9 , 第页 = 10 和变化 u个 (赖特)复平面的区域,其中方程(1)的LHS上的级数收敛,并且其中方程(1)成立(见方程(11))。
对称14 01090 g004
出版商备注:MDPI对公布的地图和机构关联中的管辖权主张保持中立。

分享和引用

MDPI和ACS样式

维格伦,E。;迪克曼,A。Ramanujan笔记本中级数有限三和形式的一个新结果。对称 2022,14, 1090.https://doi.org/10.3390/sym14061090

AMA风格

Vigren E,Dieckmann A。Ramanujan笔记本中级数有限三和形式的一个新结果。对称. 2022; 14(6):1090.https://doi.org/10.3390/sym14061090

芝加哥/图拉比安风格

维格伦、埃里克和安德烈亚斯·迪克曼。2022.“Ramanujan笔记本中级数的有限三和形式的新结果”对称14,6号:1090。https://doi.org/10.3390/sym14061090

请注意,从2016年第一期开始,该杂志使用文章编号而不是页码。请参阅更多详细信息在这里.

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