1. 引言与主要结果
设d(n)为Dirichlet除数函数,许多学者围绕除数函数的均值问题做了相关的研究工作。Gafurov [1] [2] 首先研究了与二元二次型除数和问题,并得到了以下渐进公式:
其中
,
都是常数。2000年,Yu [3] 将上式余项改进为
,
为任意小的正实数。
2000年,Calderán和Velasco [4] 研究了三元二次型除数和问题,并得到了以下渐进公式:
2012年,Guo和Zhai [5] 利用圆法,以及Heath-Brown [6] 在算术级数中除数和函数的估计,得到了三元二次型除数和问题更加精确的主项和余项:
其中
,
,
,
都是常数。2014年,Zhao [7] 将上式余项改进为
。
2015年,Hu和Yao [8] 研究了短区间上的三元二次型除数和问题,并得到了以下渐进公式:
其中
,
,
都是常数,
是Euler常数,
,
满足
,
。
2018年,Zhang和Li [9] 考虑了短区间上混合幂的三元除数和问题,并得到了以下结论:
其中
,
,
仅与k有关,
,
都是常数,
,
满足
,
。
2014年,Hu [10] 研究了四元二次型除数和问题,并得到了以下渐进公式:
其中
,
,
,
都是常数。
2016年,Hu [11] 考虑了短区间上的四元二次型除数和问题,并得到了以下渐进公式:
其中
,
,
都是常数,
,
满足
,
。
在本文中,我们考虑了短区间上四元混合幂的除数和问题,并得到了以下结果:
定理1.1设
那么对于
,
,
我们有
其中
,
是收敛的奇异级数,对于j = 1,2,有
并且满足
,
。
本文主要运用圆法来证明定理1.1。在处理主区间上的积分时,主要运用Zhang和Li [9] 文中的结果,以及相关的指数和估计。在处理余区间上的积分时,主要运用Vaughan [12] 和Wooley [13] 的相关结论。
2. 记号说明
我们约定一些在本文中通用的符号:
为全体自然数集;
为全体整数集;
为全体实数集;e(t)为
的缩写;
为任意小的正实数;
表示
到整数的最短距离;d(n)为除数函数;
为Euler函数;
为Euler常数;(a,b)为a,b的最大公约数;
,即存在常数C,使得
;
,即
;
,即
。
在本文中x,y都表示充分大的正整数,且
;记
对于k ≥ 2,
,
,定义
以及
3. 主要引理
我们将首先证明以下渐进公式,它将在主区间上积分的估计中起到重要作用。
引理3.1设
,
,
的定义同上,则有
证明:由
的定义以及Able分部求和公式,有
(1)
对于
,
,
,定义
(2)
首先引用Heath-Brown [6] 关于
的结论,有
(3)
(4)
其中
由郭汝庭和翟文广 [5] 关于
和
的一些结果,令
我们有
(5)
且
满足
(6)
(7)
由公式(1)~(5),以及Zhang和Li [9] 文中相关的结论,
我们有
(8)
其中
(9)
由两次分部积分运算以及公式(6)~(7),我们有
(10)
结合公式(8)~(10),我们证明了引理3.1。
其次我们将证明以下积分均值,它将在余区间上积分的估计中起到重要作用。
引理3.2设
,
的定义同上,且
,则有
证明:由复指数函数的正交性
以及
的定义,我们有
(11)
即上式左端积分等于方程
(12)
的解数R,其中
,
。
我们将按照以下三种情况分类考察解数R:
情形一:
,
。
此时有
,
,
,方程(12)的变量只有三个,则其解数R满足
情形二:
,
。
此时有
,且
,
满足
若固定
,
的取值,则
,
的取法也随之确定,且其取法数
满足
因此解数R满足
情形三:
。
此时
,
满足
若固定
,
,
,
的取值,则
,
的取法也随之确定,且其取法数
满足
因此解数R满足
结合以上三种情况的讨论,并由条件
可得解数R满足:
(13)
结合公式(11)~(13),我们有
由此我们证明了引理3.2。
此外还需要用到以下圆法中的经典结论:
引理3.3设
,
,且
,
,
,则有
证明:参见Vaughan [12]。
引理3.4设
,
,若存在整数
,使得对于某些
,
,有
,
,那么我们有
证明:参见Wooley [13]。
4. 定理1.1的证明
设k ≥ 3,
,其中
并令
(14)
其中
由复指数函数的正交性,对于满足公式(14)的
,我们有
其中
,
的定义同上。由Dirichlet有理逼近定理,每一个
都可以写成
其中整数a,q满足
,
,定义优弧
并定义主区间和余区间分别为
(15)
对于不同的优弧
,
,
,由公式(14),我们有
即任意两个不同的优弧是不相交的,由以上定义把积分区间
划分为主区间
和余区间
,因此我们有
(16)
其中
4.1. 主区间上积分的估计
由主区间的定义,我们有
(17)
考察被积函数
,由引理3.1以及Zhang和Li [9] 文中关于
的结论
(18)
我们有
其中
(19)
将上式代入到公式(17)中,我们有
(20)
其中
由Zhang和Li [9] 文中相关的结论
我们有
(21)
同理有
(22)
(23)
对于
,我们有
(24)
其中
对于
,我们有以下估计:
(25)
对于
,由公式(19),我们有
(26)
其中
(27)
(28)
对于公式(26)中的求和项,我们有以下估计
(29)
综合公式(20)~(29),我们有
(30)
其中
接下来我们需要证明级数
,
均收敛,定义Dirichlet级数
其中
由公式(18)得
,则当
时,级数
收敛。此时
同理得
,则当
时,级数
收敛。因此由
,
知
,
均为收敛的级数。
4.2. 余区间上积分的估计
由余区间的定义,当
时,
,
,
,
,且q满足
(31)
设
,
,
,
,改写
为
(32)
其中
4.2.1. k = 3时,定理1.1的证明
当k = 3时,对
进行估计,我们有
(33)
其中
对于T(x),我们有以下估计
结合上式以及公式(31)、(33),我们有
(34)
由Hölder不等式,引理3.2,公式(34),以及Zhang和Li [9] 对于
积分均值的估计
(35)
我们有
(36)
结合公式(16)、(30)、(36),我们有
且当
,我们有
4.2.2. 4 ≤ k ≤ 5时,定理1.1的证明
当4 ≤ k ≤ 5时,由引理3.3以及公式(32),我们有
由上式以及公式(31),我们有
(37)
由Hölder不等式,引理3.2以及公式(35)、(37),我们有
(38)
结合公式(16)、(30)、(38),我们有
且当
,我们有
4.2.3. k ≥ 6时,定理1.1的证明
当k ≥ 6时,由引理3.4以及公式(32),我们有
由上式以及公式(31),我们有
(39)
由Hölder不等式,引理3.1以及公式(35)、(39),我们有
(40)
结合公式(16)、(30)、(40),我们有
且当
,我们有
结合以上三种情况的讨论,我们最终证明了定理1.1。