로저스-라마누잔 항등식

수학노트
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개요



로저스-라마누잔 항등식

  • 다음의 두 항등식을 로저스-라마누잔 항등식이라 부른다

\[G(q) = \sum_{n=0}^\infty \frac {q^{n^2}} {(q;q)_n} = \frac {1}{(q;q^5)_\infty (q^4; q^5)_\infty} =1+ q +q^2 +q^3 +2q^4+2q^5 +3q^6+\cdots\] \[H(q) =\sum_{n=0}^\infty \frac {q^{n^2+n}} {(q;q)_n} = \frac {1}{(q^2;q^5)_\infty (q^3; q^5)_\infty} =1+q^2 +q^3 +q^4+q^5 +2q^6+\cdots\]

\[(a;q)_n = \prod_{k=0}^{n-1} (1-aq^k)=(1-a)(1-aq)(1-aq^2)\cdots(1-aq^{n-1})\]



세타함수 표현과 모듈라 성질

  • 세타함수를 통한 표현

\[G(q)=\frac{1}{(q)_{\infty}}\sum_{n\in \mathbb{Z}}(-1)^n q^{(5n^2+n)/2}\] \[H(q)=\frac{1}{(q)_{\infty}}\sum_{n\in \mathbb{Z}}(-1)^n q^{(5n^2+3n)/2}\]

  • 로저스-라마누잔 함수는 약간의 수정을 통해 모듈라 성질을 갖게 됨

\[q^{-1/60}G(q) = q^{-1/60}\sum_{n=0}^\infty \frac {q^{n^2}} {(q;q)_n} = \frac {q^{-1/60}}{(q;q^5)_\infty (q^4; q^5)_\infty}\] \[q^{11/60}H(q) =q^{11/60}\sum_{n=0}^\infty \frac {q^{n^2+n}} {(q;q)_n} = \frac {q^{11/60}}{(q^2;q^5)_\infty (q^3; q^5)_\infty} \]

  • 모듈라 변환

$$f(\tau)=\left( \begin{array}{c} q^{-1/60}G(q) \\ q^{11/60} H(q) \\ \end{array} \right) $$ 로 두면, 다음이 성립한다 $$ f(\tau+1)= \left( \begin{array}{cc} \zeta_{60}^{-1} & 0 \\ 0 & \zeta_{60}^{11} \\ \end{array} \right)f(\tau) $$

$$ f(-\frac{1}{\tau}) = \frac{2}{\sqrt{5}} \left( \begin{array}{cc} \sin \left(\frac{2 \pi }{5}\right) & \sin \left(\frac{\pi }{5}\right) \\ \sin \left(\frac{\pi }{5}\right) & -\sin \left(\frac{2 \pi }{5}\right) \\ \end{array} \right)f(\tau) = \left( \begin{array}{cc} \sqrt{\frac{2}{5-\sqrt{5}}} & \sqrt{\frac{2}{5+\sqrt{5}}} \\ \sqrt{\frac{2}{5+\sqrt{5}}} & -\sqrt{\frac{2}{5-\sqrt{5}}} \\ \end{array} \right)f(\tau) $$



cusp에서의 변화

  • \(q=e^{-t}\) 으로 두면 \(t\sim 0\) 일 때,

\[H(q)=\sum_{n=0}^\infty \frac {q^{n^2+n}} {(q;q)_n} \sim \sqrt\frac{2}{5+\sqrt{5}}\exp(\frac{\pi^2}{15t}+\frac{11t}{60})+o(1)\] \[G(q)=\sum_{n=0}^\infty \frac {q^{n^2}} {(q;q)_n} \sim \sqrt\frac{2}{5-\sqrt{5}}\exp(\frac{\pi^2}{15t}-\frac{t}{60})+o(1)\]

  • [McIntosh1995] 참조
  • 이로부터 \(t\to 0\) 일 때, \(q=e^{-t}\to 1\) 으로 다음이 성립함을 알 수 있다

\[\frac{H(1)}{G(1)} = \sqrt{\frac{5-\sqrt{5}}{5+\sqrt{5}}}=\varphi-1=0.618\cdots\]



로저스-라마누잔 연분수

  • 두 함수의 비는 아래와 같은 연분수 표현을 가진다

\[\frac{H(q)}{G(q)} = \cfrac{1}{1+\cfrac{q}{1+\cfrac{q^2}{1+\cfrac{q^3}{1+\cdots}}}}\]




재미있는 사실



관련된 항목들



매스매티카 파일 및 계산 리소스


사전형태의 자료



관련도서



리뷰, 에세이, 강의노트

  • Andrews, George E., and R. J. Baxter. “A Motivated Proof of the Rogers-Ramanujan Identities.” The American Mathematical Monthly 96, no. 5 (May 1, 1989): 401–9. doi:10.2307/2325145.


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