1 の冪根に関する冪の部分分数分解

3.2. 1 の冪根に関する冪の部分分数分解#

分母が \(z^K-1\) の冪である有理関数の部分分数分解を考える。

3.2.1. 公式#

Theorem 3.2.1.1 (1 の冪根と冪の部分分数分解)

複素数 \(z\) と正の整数 \(K,N\) について、

\[\frac{1}{(z^K-1)^N} = \sum_{k=0}^{K-1} \sum_{n=1}^N \frac{ a_k^{\langle n \rangle} }{(z-\zeta_K^k)^n}\]

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

\[\begin{split}a_k^{\langle n \rangle} \triangleq \frac{(-1)^{N-n}}{(N-n)!} \frac{\zeta_K^{nk}}{K^N} B_{N-n} (0! N S_{K,1},1! N S_{K,2},\dots,(N-n-1)! N S_{K,N-n}) \\\end{split}\]

である。また、\(B_{N-n}\)\(N-n\)完全 Bell 多項式 であり、

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

である。

Tip

1 の冪根に関する逆数の冪和の性質 より、

\[S_{K,\nu} = \frac{1}{(\nu-1)!} \sum_{r=1}^\nu \stirI{\nu}{r} \frac{B^-_r}{r} (1-K^r)\]

と表せる。ただし、 \(\stirI{\nu}{r}\) は符号なし第 1 種 Stirling 数であり、\(B^-_\nu\) は Bernoulli 数で \(B^-_1=-1/2\) となるほうであるとする。

Proof. 左辺は、\(z\) について分母が \(NK\) 次で分子が \(0\) 次であり、Theorem 1.1.1 より、

\[\frac{1}{(z^K-1)^N} = \sum_{k=0}^{K-1} \sum_{n=1}^N \frac{ a_k^{\langle n \rangle} }{(z-\zeta_K^k)^n}\]

と部分分数分解できる。

Heaviside の方法 より、\(k=h,n=m\) のときの \(1/(z-\zeta_K^h)^m\) の係数 \(a_h^{\langle m \rangle}\) は、

(3.2.1.1)#\[\begin{split}\begin{align} a_h^{\langle m \rangle} &= \frac{1}{(N-m)!} \eval{ \dv[N-m]{z} \qty[ (z-\zeta_K^h) \frac{1}{z^K-1} ]^N }_{z=\zeta_K^h} \\ &= \frac{1}{(N-m)!} \eval{ \dv[N-m]{z} \qty[ \prod_{k=1}^{K-1} \frac{1}{z-\zeta_K^{k+h}} ]^N }_{z=\zeta_K^h} \end{align}\end{split}\]

と表せることがわかる。

ここで、

\[\begin{split}\begin{empheq}[left=\empheqlbrace]{align} f(z) &\triangleq \prod_{k=1}^{K-1} \frac{1}{z-\zeta_K^{k+h}} \\ g(z) &\triangleq N \log f(z) \end{empheq}\end{split}\]

と定義すると、

\[\begin{split}\begin{align} e^{g(z)} &= e^{N \log f(z)} \\ &= (f(z))^N \end{align}\end{split}\]

であり、Faà di Bruno の公式の系 より、

\[[(f(z))^N]^{(N-m)} = (f(z))^N B_{N-m} \qty(g'(z),g''(z),\dots,g^{(N-m)}(z))\]

が成り立つから、(3.2.1.1) は、

(3.2.1.2)#\[a_h^{\langle m \rangle} = \frac{(f(\zeta_K^h))^N}{(N-m)!} B_{N-m} \qty(g' (\zeta_K^h),g'' (\zeta_K^h),\dots,g^{(N-m)} (\zeta_K^h))\]

となる。

さらに、1 の冪根と部分分数分解の場合 (3.1.1.1) と同様に、

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

であるから、(3.2.1.2) は、

(3.2.1.3)#\[a_h^{\langle m \rangle} = \frac{1}{(N-m)!} \frac{\zeta_K^{Nh}}{K^N} B_{N-m} \qty(g' (\zeta_K^h),g'' (\zeta_K^h),\dots,g^{(N-m)} (\zeta_K^h))\]

となる。

また、\(\nu>0\) について、\(\log f(z)\)\(\nu\) 階導関数は、

\[\begin{split}\begin{align} \dv[\nu]{z} \log f(z) &= \dv[\nu]{z} \log \prod_{k=1}^{K-1} \frac{1}{z-\zeta_K^{k+h}} \\ &= \dv[\nu]{z} \sum_{k=1}^{K-1} \log \frac{1}{z-\zeta_K^{k+h}} \\ &= (-1)^\nu (\nu-1)! \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(z-\zeta_K^{k+h})^\nu} \end{align}\end{split}\]

となるから、\(\log f(z)\)\(z=\zeta_K^h\) における \(\nu\) 階微分係数は、

\[\begin{split}\begin{align} \dv[\nu]{\log f}{z} (\zeta_K^h) &= (-1)^\nu (\nu-1)! \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(\zeta_K^h-\zeta_K^{k+h})^\nu} \\ &= (-\zeta_K^{-h})^\nu (\nu-1)! \sum_{k=1}^{K-1} \frac{1}{(1-\zeta_K^k)^\nu} \\ &= (-\zeta_K^{-h})^\nu (\nu-1)! S_{K,\nu} \end{align}\end{split}\]

となり、

\[g^{(\nu)} (\zeta_K^{-h}) = (-\zeta_K^{-h})^\nu (\nu-1)! N S_{K,\nu}\]

であるから、(3.2.1.3) は、

(3.2.1.4)#\[a_h^{\langle m \rangle} = \frac{1}{(N-m)!} \frac{\zeta_K^{Nh}}{K^N} B_{N-m} \qty(0!(-\zeta_K^{-h}) N S_{K,1},1!(-\zeta_K^{-h})^2 N S_{K,2},\dots,(N-m-1)!(-\zeta_K^{-h})^{N-m} N S_{K,N-m})\]

となる。完全 Bell 多項式の引数が等比数列との積になっているときの性質 より、(3.2.1.4) は、

\[\begin{split}\begin{align} a_h^{\langle m \rangle} &= \frac{1}{(N-m)!} \frac{\zeta_K^{Nh}}{K^N} (-\zeta_K^{-h})^{N-m} B_{N-m} (0! N S_{K,1},1! N S_{K,2},\dots,(N-m-1)! N S_{K,N-m}) \\ &= \frac{(-1)^{N-m}}{(N-m)!} \frac{\zeta_K^{mh}}{K^N} B_{N-m} (0! N S_{K,1},1! N S_{K,2},\dots,(N-m-1)! N S_{K,N-m}) \\ \end{align}\end{split}\]

となるがゆえ、示された。

3.2.2. #

Example 3.2.2.1 (1 の冪根に関する部分分数分解の系)

Theorem 3.2.1.1 において \(N \triangleq 1\) としたとき、\(B_0 = 1\) であることを考慮すると、

\[a_k^{\langle 1 \rangle} = \frac{\zeta_K^k}{K}\]

となるから、

\[\frac{1}{z^K-1} = \frac{1}{K} \sum_{k=0}^{K-1} \frac{\zeta_K^k}{z-\zeta_K^k}\]

となり、1 の冪根に関する部分分数分解の公式の系 となる。

Example 3.2.2.2 (1 の冪根に関する 2 乗の部分分数分解)

Theorem 3.2.1.1 において \(N \triangleq 2\) としたとき、\(B_1(x_1) = x_1\) であることを考慮すると、

\[\begin{split}\begin{align} B_1(2 S_{K,1}) &= 2 S_{K,1} \\ &= K-1 \end{align}\end{split}\]

であり、\(B_0 = 1\) であったから、

\[\begin{split}\begin{empheq}[left=\empheqlbrace]{align} a_k^{\langle 2 \rangle} &= \frac{\zeta_K^{2k}}{K^2} \\ a_k^{\langle 1 \rangle} &= - \frac{(K-1) \zeta_K^{k}}{K^2} \end{empheq}\end{split}\]

となるがゆえ、

\[\frac{1}{(z^K-1)^2} = \frac{1}{K^2} \sum_{k=0}^{K-1} \qty[ \frac{\zeta_K^{2k}}{(z-\zeta_K^k)^2} - \frac{(K-1) \zeta_K^k}{z-\zeta_K^k} ]\]

となる。