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寻求拉马努金关于戴德金η函数商的恒等式的初等证明

寻求拉马努金关于戴德金η函数商的恒等式的初等证明

大家好,我最近在钻研拉马努金1916年发表于《Transactions of the Cambridge Philosophical Society》(第XXII卷第9期,159-184页)的论文《On certain Arithmetical Functions》,里面他轻描淡写地给出了几个恒等式,仿佛这些都是常识一样,但其中有一个我始终找不到不用模形式的初等证明,想在这里求助大家。

首先先列出这些恒等式:
$$\begin{align}
f(q) &= q{12/24}-q{52/24}-q{72/24}+q{112/24}+\dots\tag{1}\
f3(q)&=q{12/8}-3q{32/8}+5q{52/8}-7q{7^2/8}+\dots\tag{2}\
\frac{f5(q)}{f2(q2)}&=q{12/24}-5q{52/24}+7q{72/24}-11q{11^2/24}+\dots\tag{3}\
\frac{f5(q2)}{f2(-q)}&=q{12/3}-2q{22/3}+4q{42/3}-5q{5^2/3}+\dots\tag{4}
\end{align}$$

这里的函数$f(q)$是戴德金η函数,定义为:
$$f(q) =q{1/24}(1-q)(1-q2)(1-q^3)\dots\tag{5}$$
需要注意的是,恒等式里出现的$1,5,7,11,\dots$是不包含3的倍数的正奇数,而$1,2,4,5,\dots$是不包含3的倍数的正自然数。

另外关于$f(-q)$有个容易混淆的点:因为$f(q)$里有$q{1/24}$项,所以这里的$f(-q)$并不是直接把$q$替换成$-q$,而是保持$q{1/24}$不变,只把后面的因子里的$q$换成$-q$,也就是:
$$q{1/24}(1-(-q))(1-(-q)2)(1-(-q)^3)\dots$$

目前我已经理清了前几个恒等式的证明路径:

  • 公式(1)和(2)其实就是著名的欧拉五边形数定理和雅可比恒等式,用雅可比三重积恒等式就能推导出来:
    $$\prod_{n=1}{\infty}(1-q{2n})(1+q{2n-1}z)(1+q{2n-1}z{-1})=\sum_{n=-\infty}{\infty}znq{n^2}\tag{6}$$
  • 公式(3)我之前在别的问题里看到过,用五重积恒等式就能证明,相关的证明已经有人给出了。

现在卡壳的是公式(4),它的左边形式和(3)很像,直觉上应该也能用五重积恒等式来证,但我试了好几次都没成功。另外我注意到Robert J. Lemke Oliver在《Eta-quotients and theta functions》这篇论文里,把这个恒等式转换成了η函数的形式:
$$\frac{(\eta(3z)\eta(12z))2}{\eta(6z)}=\sum_{n=1}{\infty}\left(\frac{n}{3}\right) nq{n2}\tag{7}$$
(这里$q=\exp(2\pi i z)$,$\eta(z)=f(q)$),他用模形式的理论完成了证明,但我希望能找到不依赖模形式、更初等的证明方法,比如用乘积恒等式(像三重积、五重积这类)来推导。

有没有大神能指点一下这个思路?或者有没有其他初等技巧能用来证明这个恒等式?

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Paramanand Singh

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最近更新时间:2026.04.21 12:34:32