1 の冪根に関する性質

4.2. 1 の冪根に関する性質#

とくに、\(1-e^{i 2 \pi /K}\) に関する諸性質を並べる。

4.2.1. 積の性質#

Theorem 4.2.1.1 (積の性質)

正の整数 \(K\) について、

\[\prod_{k=1}^{K-1} (1-\zeta_K^k) = K\]

が成り立つ。ここで、\(\zeta_K \triangleq e^{i 2 \pi /K}\) である。

Proof. \(z^K-1\) を複素数の範囲で因数分解すると、

\[\begin{split}\begin{align} z^K-1 &= \prod_{k=0}^{K-1} (z-\zeta_K^k) \\ &= (z-1) \prod_{k=1}^{K-1} (z-\zeta_K^k) \end{align}\end{split}\]

となる。ここで、両辺の \(z=1\) における微分係数を考えると、左辺について、

\[\begin{split}\begin{align} \eval{ \dv{z} (z^K-1) }_{z=1} &= \eval{ K z^{K-1} }_{z=1} \\ &= K \end{align}\end{split}\]

であり、右辺について、

\[\begin{split}\begin{align} \eval{ \dv{z} (z-1) \prod_{k=1}^{K-1} (z-\zeta_K^k) }_{z=1} &= \eval{ \qty[ \prod_{k=1}^{K-1} (z-\zeta_K^k) + (z-1) \dv{z} \prod_{k=1}^{K-1} (z-\zeta_K^k) ] }_{z=1} \\ &= \prod_{k=1}^{K-1} (1-\zeta_K^k) \end{align}\end{split}\]

となる。したがって、

\[\prod_{k=1}^{K-1} (1-\zeta_K^k) = K\]

となり、示された。

蛇足ながら、幾何的な性質を見いだせる。

Theorem 4.2.1.2 (正多角形の対角線の長さの積)

半径 \(1\) の円に内接する正 \(K\) 角形について、ある頂点とそれ以外の頂点を結んだ \(K-1\) 本の線分の長さの積は \(K\) に等しい。

Proof. 複素数平面上の \(z^K-1\) の根を頂点とする正 \(K\) 角形について、点 \(1\) を共通の端点とする線分たちを考えても一般性を失わない。

このとき、それらの線分の長さの積は、

\[\prod_{k=1}^{K-1} \abs{1-\zeta_K^k} = \abs{\prod_{k=1}^{K-1} (1-\zeta_K^k)}\]

と表せるから、Theorem 4.2.1.1 により示された。

4.2.2. 和の性質#

Theorem 4.2.2.1 (逆数の冪和の性質)

正の整数 \(K,n\) について、

\[\sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^n} = \frac{1}{(n-1)!} \sum_{r=1}^n \stirI{n}{r} \frac{B^-_r}{r} (1-K^r)\]

が成り立つ[1][2]。ここで、\(\zeta_K \triangleq e^{i 2 \pi /K}\) である。また、\(\stirI{n}{r}\) は符号なし第 1 種 Stirling 数であり、\(B^-_n\) は Bernoulli 数で \(B^-_1=-1/2\) となるほうである。

Gessel の技巧的な証明を概ねなぞることにする。

Proof. 左辺について、\(S_{K,n}\) を、

\[S_{K,n} \triangleq \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^n}\]

と定義し、\(S_{K,n}/n\) の母関数 \(f(z)\) を、

(4.2.2.1)#\[\begin{split}\begin{align} f(z) &\triangleq \sum_{n=1}^\infty \frac{S_{K,n}}{n} z^n \\ &= \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^n} z^n \\ &= \sum_{k=1}^{K-1} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n} \qty( \frac{z}{1-\zeta_K^k} )^n \end{align}\end{split}\]

とおく。ここで、

(4.2.2.2)#\[\frac{[\log(1-x)]^r}{r!} = (-1)^r \sum_{n=r}^\infty \stirI{n}{r} \frac{x^n}{n!}\]

と Maclaurin 展開できることから、とくに \(r \triangleq 1\) のとき、\(\stirI{n}{1} = (n-1)!\) であることに注意すると、

(4.2.2.3)#\[\log(1-x) = -\sum_{n=1}^\infty \frac{x^n}{n}\]

であり、(4.2.2.3)\(x \triangleq z/(1-\zeta_K^k)\) を代入すると、(4.2.2.1) は、

(4.2.2.4)#\[\begin{split}\begin{align} f(z) &= -\sum_{k=1}^{K-1} \log \qty( 1 - \frac{z}{1-\zeta_K^k} ) \\ &= -\sum_{k=1}^{K-1} \log \frac{(1-z)-\zeta_K^k}{1-\zeta_K^k} \end{align}\end{split}\]

とできる。ここで、\(w \triangleq \log(1-z)\) とおく。\(1-z = e^w\) であることから、(4.2.2.4) は、

(4.2.2.5)#\[\begin{split}\begin{align} f(z) &= -\sum_{k=1}^{K-1} \log \frac{e^w-\zeta_K^k}{1-\zeta_K^k} \\ &= \sum_{k=1}^{K-1} \log (1-\zeta_K^k) - \sum_{k=1}^{K-1} \log ( e^w-\zeta_K^k ) \\ &= \log \prod_{k=1}^{K-1} (1-\zeta_K^k) - \log \prod_{k=1}^{K-1} ( e^w-\zeta_K^k ) \end{align}\end{split}\]

となり、1 の冪根に関する積の性質 より、(4.2.2.5) は、

(4.2.2.6)#\[\begin{split}\begin{align} f(z) &= \log K - \log \prod_{k=1}^{K-1} ( e^w-\zeta_K^k ) \\ &= \log K - \log \frac{e^{Kw} - 1}{e^w - 1} \\ &= \log K - \log (e^{Kw}-1) + \log (e^w-1) \\ &= \qty[ \log K + \log w - \log (e^{Kw}-1) ] - \qty[ \log w - \log (e^w-1) ] \\ &= \log \frac{Kw}{e^{Kw}-1} - \log \frac{w}{e^w-1} \\ &= \int_w^{Kw} \dv{x} \log \frac{x}{e^x-1} \dd{x} \\ &= \int_w^{Kw} \qty[ \dv{x} \log x - \dv{x} \log(e^x-1) ] \dd{x} \\ &= \int_w^{Kw} \qty[ \frac{1}{x} - \frac{e^x}{e^x-1} ] \dd{x} \\ &= \int_w^{Kw} \qty[ \frac{1}{x} \qty( 1 - \frac{x e^x}{e^x-1} ) ] \dd{x} \end{align}\end{split}\]

となる。ここで、Bernoulli 数 \(B^-_r\) の母関数が、

\[\frac{x}{e^x-1} = \sum_{r=0}^\infty \frac{B^-_r}{r!} x^r\]

と表されるから、\(x\)\(-x\) と置き換えることで、

\[\frac{x e^x}{e^x-1} = \sum_{r=0}^\infty \frac{(-1)^r B^-_r}{r!} x^r\]

となり、(4.2.2.6) は、

(4.2.2.7)#\[\begin{split}\begin{align} f(z) &= \int_w^{Kw} \qty[ \frac{1}{x} \qty( 1 - \sum_{r=0}^\infty \frac{(-1)^r B^-_r}{r!} x^r ) ] \dd{x} \\ &= \int_w^{Kw} \qty[ \frac{1}{x} \qty( 1 - \frac{B^-_0}{0!} - \sum_{r=1}^\infty \frac{(-1)^r B^-_r}{r!} x^r) ] \dd{x} \\ &= - \sum_{r=1}^\infty \frac{(-1)^r B^-_r}{r!} \int_w^{Kw} x^{r-1} \dd{x} \\ &= - \sum_{r=1}^\infty \frac{(-1)^r B^-_r}{r!} \frac{K^r-1}{r} w^r \\ &= \sum_{r=1}^\infty \frac{B^-_r}{r} (1-K^r) (-1)^r \frac{[\log(1-z)]^r}{r!} \end{align}\end{split}\]

となる。ここで、対数関数に関する Maclaurin 展開 (4.2.2.2) より、(4.2.2.7) は、

(4.2.2.8)#\[f(z) = \sum_{r=1}^\infty \frac{B^-_r}{r} (1-K^r) \sum_{n=r}^\infty \stirI{n}{r} \frac{z^n}{n!}\]

となる。二重総和部について、各 \(n \geq 1\) について \(r\)\(1 \leq r \leq n\) を動くことに注意して (4.2.2.8) の総和記号を入れ替えると、

\[\begin{split}\begin{align} f(z) &= \sum_{n=1}^\infty \sum_{r=1}^n \stirI{n}{r} \frac{B^-_r}{r} (1-K^r) \frac{z^n}{n!} \\ &= \sum_{n=1}^\infty \qty[ \frac{1}{(n-1)!} \sum_{r=1}^n \stirI{n}{r} \frac{B^-_r}{r} (1-K^r) ] \frac{z^n}{n} \end{align}\end{split}\]

となり、示された。

蛇足ながら、これにも幾何的な性質を見いだせる。

Theorem 4.2.2.2 (正多角形の対角線の長さの逆数の偶数冪和)

半径 \(1\) の円に内接する正 \(K\) 角形について、ある頂点とそれ以外の頂点を結んだ \(K-1\) 本の線分の長さの \(2M\) 乗の逆数和は、

\[\sum_{m=0}^M \frac{(-1)^m}{(M+m-1)!} \binom{M}{m} \sum_{r=1}^{M+m} \stirI{M+m}{r} \frac{B^-_r}{r} (1-K^r)\]

である。ただし、\(M\) は正の整数である。

Proof. 複素数平面上の \(z^K-1\) の根を頂点とする正 \(K\) 角形について、点 \(1\) を共通の端点とする線分たちを考えても一般性を失わない。

このとき、それらの線分の長さの \(2M\) 乗の逆数和は、

\[\begin{split}\begin{align} \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{\abs{1-\zeta_K^k}^{2M}} &= \sum_{k=1}^{K-1} \qty[ \frac{1}{(1-\zeta_K^k)(1-\zeta_K^{-k})} ]^M \\ &= \sum_{k=1}^{K-1} \qty[ \frac{-\zeta_K^k}{(1-\zeta_K^k)^2} ]^M \\ &= \sum_{k=1}^{K-1} \qty[ \frac{1}{1-\zeta_K^k} - \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^2} ]^M \\ &= \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^M} \qty(1 - \frac{1}{1-\zeta_K^k} )^M \\ &= \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^M} \sum_{m=0}^M (-1)^m \binom{M}{m} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^m} \\ &= \sum_{k=1}^{K-1} \sum_{m=0}^M (-1)^m \binom{M}{m} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^{M+m}} \\ &= \sum_{m=0}^M (-1)^m \binom{M}{m} \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^{M+m}} \end{align}\end{split}\]

と表せるから、Theorem 4.2.2.1 より、

\[\sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{\abs{1-\zeta_K^k}^{2M}} = \sum_{m=0}^M \frac{(-1)^m}{(M+m-1)!} \binom{M}{m} \sum_{r=1}^{M+m} \stirI{M+m}{r} \frac{B^-_r}{r} (1-K^r)\]

となり、示された。

参考文献