短区间上四元混合幂的除数和
On the Sum of Divisors of Mixed Powers of Four Variables in Short Intervals
DOI: 10.12677/PM.2020.1012143, PDF, HTML, XML, 下载: 368  浏览: 548 
作者: 王 鑫:青岛大学数学与统计学院,山东 青岛
关键词: 除数问题圆法短区间四元混合幂Divisor Problem Circle Method Short Intervals Mixed Powers of Four Variables
摘要: 设d(n)为Dirichlet除数函数。本文考虑了短区间上四元混合幂除数函数的均值问题,并得到了一个有效的渐进公式。
Abstract: Let d(n) denote the Dirichlet divisor function. In this paper, we consider the mean value of the mixed power of four variables of the divisor function in short intervals, and obtain an effective asymptotic formula.
文章引用:王鑫. 短区间上四元混合幂的除数和[J]. 理论数学, 2020, 10(12): 1199-1212. https://doi.org/10.12677/PM.2020.1012143

1. 引言与主要结果

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:

1 m 1 , m 2 x d ( m 1 2 + m 2 2 ) = A 1 x 2 log x + A 2 x 2 + O ( x 5 / 3 log 9 x ) ,

其中 A 1 A 2 都是常数。2000年,Yu [3] 将上式余项改进为 O ( x 3 / 2 + ε ) ε 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:

G 2 ( x ) = 1 m 1 , m 2 , m 3 x d ( m 1 2 + m 2 2 + m 3 2 ) = 8 ζ ( 3 ) 5 ζ ( 5 ) x 3 log x + O ( x 3 ) .

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:

G 2 ( x ) = 2 C 1 I 1 x 3 log x + ( C 1 I 2 + C 2 I 1 ) x 3 + O ( x 8 / 3 + ε ) ,

其中 C 1 C 2 I 1 I 2 都是常数。2014年,Zhao [7] 将上式余项改进为 O ( x 2 log 7 x )

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:

| m i x | y d ( m 1 2 + m 2 2 + m 3 2 ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 3 ε ) ,

其中 y = x 1 / 2 + 2 ε K 1 K 2 都是常数, γ 是Euler常数, L 1 ( x , y ) L 2 ( x , y ) 满足 L 1 ( x , y ) y 3 log y L 2 ( x , y ) y 3

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:

x y < m i 2 x + y x y < m 3 k x + y i = 1 , 2 d ( m 1 2 + m 2 2 + m 3 k ) = K 3 L 3 ( x , y ) + 2 ( γ K 3 K 4 ) L 4 ( x , y ) + O ( y 3 x 2 + 1 / k ε ) ,

其中 3 k y = x θ k θ k 仅与k有关, K 3 K 4 都是常数, L 3 ( x , y ) L 4 ( x , y ) 满足 L 3 ( x , y ) y 3 x 2 + 1 / k log x L 4 ( x , y ) y 3 x 2 + 1 / k

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:

1 m 1 , m 2 , m 3 , m 4 x d ( m 1 2 + m 2 2 + m 3 2 + m 4 2 ) = 2 K 5 L 5 x 4 log x + ( K 5 L 6 + K 6 L 5 ) x 4 + O ( x 7 / 2 + ε ) ,

其中 K 5 K 6 L 5 L 6 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:

| m i x | y 1 i 4 d ( m 1 2 + m 2 2 + m 3 2 + m 4 2 ) = K 7 L 7 ( x , y ) + 2 ( γ K 7 K 8 ) L 8 ( x , y ) + O ( y 4 ε ) ,

其中 y = x 1 / 3 + ε K 7 K 8 都是常数, L 7 ( x , y ) L 8 ( x , y ) 满足 L 7 ( x , y ) y 4 log y L 8 ( x , y ) y 4

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

S k ( x , y ) : = x y < m i 2 x + y x y < m 4 k x + y i = 1 , 2 , 3 d ( m 1 2 + m 2 2 + m 3 2 + m 4 k ) ,

那么对于 3 k y = x 1 δ k + 4 ε

δ k = { 7 36 , k = 3 ; 1 2 k 1 + k + 1 , 4 k 5 ; 2 k ( k 2 3 k + 5 ) , k 6 ,

我们有

S k ( x , y ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 4 x 5 2 + 1 k ε ) ,

其中 K 1 K 2 是收敛的奇异级数,对于j = 1,2,有

L j ( x , y ) = 1 8 k 4 ( x y ) < n 4 ( x + y ) ( log n ) 2 j x y < m i x + y i = 1 , 2 , 3 , 4 m 1 + m 2 + m 3 + m 4 = n ( m 1 m 2 m 3 ) 1 2 ( m 4 ) 1 + 1 k ,

并且满足 L 1 ( x , y ) y 4 x 5 / 2 + 1 / k log x L 2 ( x , y ) y 4 x 5 / 2 + 1 / k

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 e 2 π i t 的缩写; ε 为任意小的正实数; α 表示 α 到整数的最短距离;d(n)为除数函数; φ ( n ) 为Euler函数; γ 为Euler常数;(ab)为ab的最大公约数; f ( x ) = O ( g ( x ) ) ,即存在常数C,使得 | f ( x ) | C g ( x ) f ( x ) g ( x ) ,即 f ( x ) = O ( g ( x ) ) f ( x ) g ( x ) ,即 g ( x ) f ( x ) g ( x )

在本文中xy都表示充分大的正整数,且 y x ;记

N 1 = x y , N 2 = x + y ,

对于k ≥ 2, v > u > 0 λ ,定义

f k ( α ) = N 1 < m k N 2 e ( m k α ) , f ( α ) = 4 N 1 < m 4 N 2 d ( m ) e ( m α ) ,

以及

T 1 ( u , v ) = u < m v e ( m λ ) , T 1 * ( u , v ) = u < m v ( log m ) e ( m λ ) , T k ( u , v ) = 1 k u k < m v k m 1 k 1 e ( m λ ) .

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 α = a q + λ | λ | 1 q τ f ( α ) 的定义同上,则有

f ( α ) = T 1 * ( 4 N 1 , 4 N 2 ) q + 2 log q + 2 γ q T 1 ( 4 N 1 , 4 N 2 ) + O ( x ε ( q 3 2 + q 2 3 x 1 3 + q 3 2 | λ | x + q 3 2 | λ | 2 x y ) ) .

证明:由 f ( α ) 的定义以及Able分部求和公式,有

f ( α ) = 4 N 1 < m 4 N 2 d ( m ) e ( m ( a q + λ ) ) = r = 1 q e ( a r q ) 4 N 1 < m 4 N 2 m r ( m o d q ) d ( m ) e ( m λ ) = r = 1 q e ( a r q ) 4 N 1 4 N 2 e ( u λ ) d ( m u m r ( m o d q ) d ( m ) ) . (1)

对于 r , q 1 r q u > 0 ,定义

D ( u ; q , r ) = n u n r ( m o d q ) d ( n ) . (2)

首先引用Heath-Brown [6] 关于 D ( u ; q , r ) 的结论,有

D ( u ; q , r ) = R ( u ; q , r ) + Δ ( u ; q , r ) (3)

R ( u ; q , r ) = u A ( q , r ) q 2 ( log u 2 log q + 2 γ 1 ) + 2 u B ( q , r ) q 2 , (4)

其中

A ( q , r ) = d | ( q , r ) l | q / d d l μ ( q d l ) , B ( q , r ) = d | ( q , r ) l | q / d d l μ ( q d l ) log l .

由郭汝庭和翟文广 [5] 关于 R ( u ; q , r ) Δ ( u ; q , r ) 的一些结果,令

c 1 ( q , r ) = A ( q , r ) q 2 , c 2 ( q , r ) = A ( q , r ) ( 2 log q + 2 γ 1 ) q 2 + 2 B ( q , r ) q 2 ,

B 1 ( q ) = r = 1 q c 1 ( q , r ) e ( a r q ) , B 2 ( q ) = r = 1 q c 2 ( q , r ) e ( a r q ) .

我们有

R ( u ; q , r ) = c 1 ( q , r ) u log u + c 2 ( q , r ) u , B 1 ( q ) = 1 q , B 2 ( q ) = 2 log q + 2 γ 1 q , (5)

Δ ( u ; q , r ) 满足

F ( u ; q , a ) = r = 1 q Δ ( u ; q , r ) e ( a r q ) ( q 3 2 + q 2 3 u 1 3 ) ( q u ) ε , (6)

H ( T ; q , a ) = 0 T F ( u ; q , a ) d u q 3 2 + ε T . (7)

由公式(1)~(5),以及Zhang和Li [9] 文中相关的结论,

u v e ( t λ ) d t = T 1 ( u , v ) + O ( 1 + ( v u ) | λ | ) ,

u v ( log t ) e ( t λ ) d t = T 1 * ( u , v ) + O ( ( log v ) ( 1 + ( v u ) | λ | ) ) ,

我们有

f ( α ) = r = 1 q e ( a r q ) 4 N 1 4 N 2 e ( u λ ) d ( D ( u ; q , r ) ) = J 1 + J 2 , (8)

其中

J 1 = r = 1 q e ( a r q ) 4 N 1 4 N 2 e ( u λ ) d ( R ( u ; q , r ) ) = T 1 * ( 4 N 1 , 4 N 2 ) q + 2 log q + 2 γ q T 1 ( 4 N 1 , 4 N 2 ) + O ( ( log x ) ( 1 + | λ | y ) ) , (9)

由两次分部积分运算以及公式(6)~(7),我们有

J 2 = r = 1 q e ( a r q ) 4 N 1 4 N 2 e ( u λ ) d ( Δ ( u ; q , r ) ) = F ( 4 N 2 ; q , a ) e ( 4 N 2 λ ) F ( 4 N 1 ; q , a ) e ( 4 N 1 λ ) + 2 π i λ r = 1 q e ( a r q ) 4 N 1 4 N 2 e ( u λ ) Δ ( u ; q , r ) d u = F ( 4 N 2 ; q , a ) e ( 4 N 2 λ ) F ( 4 N 1 ; q , a ) e ( 4 N 1 λ ) + 2 π i λ H ( 4 N 2 ; q , a ) e ( 4 N 2 λ ) 2 π i λ H ( 4 N 1 ; q , a ) e ( 4 N 1 λ ) + ( 2 π i λ ) 2 4 N 1 4 N 2 H ( u ; q , a ) e ( u λ ) d u x ε ( q 3 2 + q 2 3 x 1 3 + q 3 2 | λ | x + q 3 2 | λ | 2 x y ) , (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 2 k f k ( α ) 的定义同上,且 y x 1 1 / k ,则有

0 1 | f k ( α ) | 6 d α y 4 x 4 + 4 k + ε .

证明:由复指数函数的正交性

0 1 e ( u α ) d α = { 1 , u = 0 , 0 , u , u 0 ,

以及 f k ( α ) 的定义,我们有

0 1 | f k ( α ) | 6 d α = m 1 k m 2 k = m 3 k m 4 k + m 5 k m 6 k N 1 1 / k < m i N 2 1 / k i = 1 , , 6 1 , (11)

即上式左端积分等于方程

m 1 k m 2 k = m 3 k m 4 k + m 5 k m 6 k (12)

的解数R,其中 N 1 1 / k < m i N 2 1 / k i = 1 , , 6

我们将按照以下三种情况分类考察解数R

情形一: m 1 k m 2 k = m 3 k m 4 k + m 5 k m 6 k = 0 m 3 = m 4

此时有 m 1 = m 2 m 3 = m 4 m 5 = m 6 ,方程(12)的变量只有三个,则其解数R满足

R ( N 2 1 k N 1 1 k ) 3 y 3 x 3 + 3 k .

情形二: m 1 k m 2 k = m 3 k m 4 k + m 5 k m 6 k = 0 m 3 m 4

此时有 m 1 = m 2 ,且 m 5 m 6 满足

m 4 k m 3 k = m 5 k m 6 k = ( m 5 m 6 ) ( m 5 k 1 + m 5 k 2 m 6 + + m 6 k 1 ) ,

若固定 m 3 m 4 的取值,则 m 5 m 6 的取法也随之确定,且其取法数 R 5 , 6 满足

R 5 , 6 d ( m 4 k m 3 k ) x ε ,

因此解数R满足

R R 5 , 6 ( N 2 1 k N 1 1 k ) 3 y 3 x 3 + 3 k + ε .

情形三: m 1 k m 2 k = m 3 k m 4 k + m 5 k m 6 k 0

此时 m 1 m 2 满足

m 3 k m 4 k + m 5 k m 6 k = m 1 k m 2 k = ( m 1 m 2 ) ( m 1 k 1 + m 1 k 2 m 2 + + m 2 k 1 ) ,

若固定 m 3 m 4 m 5 m 6 的取值,则 m 1 m 2 的取法也随之确定,且其取法数 R 1 , 2 满足

R 1 , 2 d ( m 3 k m 4 k + m 5 k m 6 k ) x ε ,

因此解数R满足

R R 1 , 2 ( N 2 1 k N 1 1 k ) 4 y 4 x 4 + 4 k + ε .

结合以上三种情况的讨论,并由条件 y x 1 1 / k 可得解数R满足:

R y 3 x 3 + 3 k + y 3 x 3 + 3 k + ε + y 4 x 4 + 4 k + ε y 4 x 4 + 4 k + ε , (13)

结合公式(11)~(13),我们有

0 1 | f k ( α ) | 6 d α y 4 x 4 + 4 k + ε ,

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 a , q α ,且 ( a , q ) = 1 | α a q | 1 q 2 ϕ ( x ) = α x k + α 1 x k 1 + + α k 1 x + α k ,则有

1 x X e ( ϕ ( x ) ) X 1 + ε ( q 1 + X 1 + q X k ) 1 2 k 1 .

证明:参见Vaughan [12]。

引理3.4设 2 k ( α 1 , , α k ) k ,若存在整数 j ( 2 j k ) ,使得对于某些 a q ,有 | α j a q | q 2 q Y j ,那么我们有

1 m Y e ( α 1 m + + α k m k ) Y 1 + ε ( q 1 + Y 1 + q Y j ) 1 2 k ( k 1 ) .

证明:参见Wooley [13]。

4. 定理1.1的证明

k ≥ 3, y = x 1 δ k + 4 ε ,其中

δ k = { 7 36 , k = 3 ; 1 2 k 1 + k + 1 , 4 k 5 ; 2 k ( k 2 3 k + 5 ) , k 6 ,

并令

x ε 2 Q < τ , Q τ y β x β + 1 , Q y β 2 x β + 1 2 ε 2 , (14)

其中

β = { 2 , k = 3 , k , k 4.

由复指数函数的正交性,对于满足公式(14)的 τ ,我们有

x y < m i 2 x + y x y < m 4 k x + y i = 1 , 2 , 3 d ( m 1 2 + m 2 2 + m 3 2 + m 4 k ) = 0 1 f 2 3 ( α ) f k ( α ) f ( α ) d α = 1 τ 1 + 1 τ f 2 3 ( α ) f k ( α ) f ( α ) d α ,

其中 f k ( α ) f ( α ) 的定义同上。由Dirichlet有理逼近定理,每一个 α [ 1 τ , 1 + 1 τ ] 都可以写成

α = a q + λ , | λ | 1 q τ ,

其中整数aq满足 1 a q τ ( a , q ) = 1 ,定义优弧

M ( a , q ) = [ a q 1 q τ , a q + 1 q τ ] ,

并定义主区间和余区间分别为

M = q Q 1 a q ( a , q ) = 1 M ( a , q ) , m = [ 1 τ , 1 + 1 τ ] \ M , (15)

对于不同的优弧 M ( a 1 , q 1 ) M ( a 2 , q 2 ) a 1 q 1 a 2 q 2 ,由公式(14),我们有

| a 1 q 1 a 2 q 2 | = | a 1 q 2 a 2 q 1 q 1 q 2 | 1 q 1 q 2 1 2 ( 1 q 1 Q + 1 q 2 Q ) > 1 q 1 τ + 1 q 2 τ ,

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 [ 1 τ , 1 + 1 τ ] 划分为主区间 M 和余区间 m ,因此我们有

S k ( x , y ) = x y < m i 2 x + y x y < m 4 k x + y i = 1 , 2 , 3 d ( m 1 2 + m 2 2 + m 3 2 + m 4 k ) = I 1 ( x , y ) + I 2 ( x , y ) (16)

其中

I 1 ( x , y ) = M f 2 3 ( α ) f k ( α ) f ( α ) d α , I 2 ( x , y ) = m f 2 3 ( α ) f k ( α ) f ( α ) d α .

4.1. 主区间上积分的估计

由主区间的定义,我们有

I 1 ( x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 M ( a , q ) f 2 3 ( α ) f k ( α ) f ( α ) d α = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 q τ f 2 3 ( a q + λ ) f k ( a q + λ ) f ( a q λ ) d λ , (17)

考察被积函数 f 2 3 ( α ) f k ( α ) f ( α ) ,由引理3.1以及Zhang和Li [9] 文中关于 f k ( α ) 的结论

f k ( α ) = S k ( q , a ) q T k ( N 1 1 k , N 2 1 k ) + O ( q 1 1 / k ( 1 + | λ | y ) ) ,

S k ( q , a ) = r = 1 q e ( a r k q ) q 1 1 / k , (18)

我们有

f 2 3 ( α ) f k ( α ) f ( α ) = m ( q ; x , y ) + r 1 ( q ; x , y ) + r 2 ( q ; x , y ) + r 3 ( q ; x , y ) ,

其中

m ( q ; x , y ) = S 2 3 ( q , a ) S k ( q , a ) q 5 T 2 3 ( N 1 1 2 , N 2 1 2 ) T k ( N 1 1 k , N 2 1 k ) ( T 1 * ( 4 N 1 , 4 N 2 ) + 2 ( γ log q ) T 1 ( 4 N 1 , 4 N 2 ) ) , (19)

r 1 ( q ; x , y ) q 3 2 1 k ( 1 + | λ | y ) T 2 2 ( N 1 1 2 , N 2 1 2 ) T k ( N 1 1 k , N 2 1 k ) ( T 1 * ( 4 N 1 , 4 N 2 ) + 2 ( γ log q ) T 1 ( 4 N 1 , 4 N 2 ) ) ,

r 2 ( q ; x , y ) q 3 2 1 k ( 1 + | λ | y ) T 2 3 ( N 1 1 2 , N 2 1 2 ) ( T 1 * ( 4 N 1 , 4 N 2 ) + 2 ( γ log q ) T 1 ( 4 N 1 , 4 N 2 ) ) ,

r 3 ( q ; x , y ) q 3 2 1 k ( q 3 2 x ε + q 2 3 x 1 3 + ε + q 3 2 | λ | x 1 + ε + q 3 2 | λ | 2 x 1 + ε y ) T 2 3 ( N 1 1 2 , N 2 1 2 ) T k ( N 1 1 k , N 2 1 k ) .

将上式代入到公式(17)中,我们有

I 1 ( x , y ) = M ( x , y ) + R 1 ( q ; x , y ) + R 2 ( q ; x , y ) + R 3 ( q ; x , y ) , (20)

其中

M ( x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 q τ m ( q ; x , y ) d λ , R 1 ( q ; x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 q τ r 1 ( q ; x , y ) d λ

R 2 ( q ; x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 q τ r 2 ( q ; x , y ) d λ , R 3 ( q ; x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 q τ r 3 ( q ; x , y ) d λ

由Zhang和Li [9] 文中相关的结论

T 1 ( u , v ) min ( v u , 1 λ ) , T 1 * ( u , v ) ( log v ) min ( v u , 1 λ ) ,

T k ( N 1 1 / k , N 2 1 / k ) min ( y x 1 + 1 / k , 1 x 1 1 / k λ ) ,

我们有

R 1 ( q ; x , y ) 1 q Q q 1 2 1 k 1 q τ 1 q τ ( 1 + | λ | y ) T 2 2 ( N 1 1 2 , N 2 1 2 ) T k ( N 1 1 k , N 2 1 k ) × ( T 1 * ( 4 N 1 , 4 N 2 ) + 2 ( γ log q ) T 1 ( 4 N 1 , 4 N 2 ) ) d λ 1 q Q q 1 2 1 k 1 q τ 1 q τ ( 1 + | λ | y ) ( log x ) min ( y , 1 λ ) min ( y x 1 2 , 1 x 1 2 λ ) 2 min ( y x 1 + 1 k , 1 x 1 1 k λ ) d λ 1 q Q q 1 2 1 k ( log x ) { 0 1 y y 4 x 2 + 1 k ( 1 + λ y ) d λ + 1 y 1 q τ x 2 + 1 k λ 4 ( 1 + λ y ) d λ } 1 q Q q 1 2 1 k ( log x ) y 3 x 2 + 1 k y 3 x 2 + 1 k Q 1 2 1 k log x , (21)

同理有

R 2 ( q ; x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 q τ r 2 ( q ; x , y ) d λ y 3 x 3 2 Q 1 2 1 k log x , (22)

R 3 ( q ; x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 q τ r 3 ( q ; x , y ) d λ y 3 x 5 2 + 1 k + ε Q 2 1 k + y 3 x 13 6 + 1 k + ε Q 7 6 1 k + y 2 x 3 2 + 1 k + ε Q 2 1 k . (23)

对于 M ( x , y ) ,我们有

M ( x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 q τ m ( q ; x , y ) d λ = E 1 ( x , y ) + E 2 ( x , y ) , (24)

其中

E 1 ( x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 2 1 2 m ( q ; x , y ) d λ ,

E 2 ( x , y ) = 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 2 1 q τ m ( q ; x , y ) d λ + 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 2 m ( q ; x , y ) d λ .

对于 E 2 ( x , y ) ,我们有以下估计:

E 2 ( x , y ) 1 q Q 1 a q ( a , q ) = 1 1 q τ 1 2 x 5 2 + 1 k ( log x ) λ 5 d λ 1 q Q x 5 2 + 1 k ( log x ) q 5 2 1 k τ 4 x 5 2 + 1 k ( log x ) Q 7 2 1 k τ 4 y 4 x 5 2 + 1 k ε . (25)

对于 E 1 ( x , y ) ,由公式(19),我们有

E 1 ( x , y ) = q = 1 1 a q ( a , q ) = 1 S 2 3 ( q , a ) S k ( q , a ) q 5 ( L 1 ( x , y ) + 2 ( γ log q ) L 2 ( x , y ) ) + q > Q 1 a q ( a , q ) = 1 S 2 3 ( q , a ) S k ( q , a ) q 5 ( L 1 ( x , y ) + 2 ( γ log q ) L 2 ( x , y ) ) , (26)

其中

L 1 ( x , y ) = 1 2 1 2 T 2 3 ( N 1 1 2 , N 2 1 2 ) T k ( N 1 1 k , N 2 1 k ) T 1 * ( 4 N 1 , 4 N 2 ) d λ = 1 8 k N 1 < m i N 2 i = 1 , 2 , 3 , 4 1 m 1 1 / 2 m 2 1 / 2 m 3 1 / 2 m 4 1 1 / k 4 N 1 < n 4 N 2 m 1 + m 2 + m 3 + m 4 = n log ( n ) ( log x ) N 1 < m i N 2 i = 1 , 2 , 3 , 4 1 m 1 1 / 2 m 2 1 / 2 m 3 1 / 2 m 4 1 1 / k y 4 x 5 2 + 1 k log x , (27)

L 2 ( x , y ) = 1 2 1 2 T 2 3 ( N 1 1 2 , N 2 1 2 ) T k ( N 1 1 k , N 2 1 k ) T 1 ( 4 N 1 , 4 N 2 ) d λ = 1 8 k N 1 < m i N 2 i = 1 , 2 , 3 , 4 1 m 1 1 / 2 m 2 1 / 2 m 3 1 / 2 m 4 1 1 / k 4 N 1 < n 4 N 2 m 1 + m 2 + m 3 + m 4 = n 1 N 1 < m i N 2 i = 1 , 2 , 3 , 4 1 m 1 1 / 2 m 2 1 / 2 m 3 1 / 2 m 4 1 1 / k y 4 x 5 2 + 1 k . (28)

对于公式(26)中的求和项,我们有以下估计

q > Q 1 a q ( a , q ) = 1 S 2 3 ( q , a ) S k ( q , a ) q 5 ( L 1 ( x , y ) + 2 ( γ log q ) L 2 ( x , y ) ) q Q q 3 2 1 k y 4 x 5 2 + 1 k log x y 4 x 5 2 + 1 k ( log x ) Q 1 2 1 k y 4 x 5 2 + 1 k ε . (29)

综合公式(20)~(29),我们有

I 1 ( x , y ) = M ( x , y ) + R 1 ( q ; x , y ) + R 2 ( q ; x , y ) + R 3 ( q ; x , y ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 4 x 5 2 + 1 k ε ) + O ( y 3 x 3 2 Q 1 2 1 k log x + y 3 x 13 6 + 1 k + ε Q 7 6 1 k + y 2 x 3 2 + 1 k + ε Q 2 1 k ) , (30)

其中

K 1 = q = 1 1 q 5 1 a q ( a , q ) = 1 S 2 3 ( q , a ) S k ( q , a ) , K 2 = q = 1 log q q 5 1 a q ( a , q ) = 1 S 2 3 ( q , a ) S k ( q , a ) .

接下来我们需要证明级数 K 1 K 2 均收敛,定义Dirichlet级数

L ( s , Φ ) = n = 1 Φ ( n ) n s ,

其中

Φ ( n ) = 1 a n ( a , n ) = 1 S 2 3 ( n , a ) S k ( n , a ) ,

由公式(18)得 Φ ( n ) n 5 2 1 k φ ( n ) n 7 2 1 k ,则当 R e s > 9 2 1 k 时,级数 L ( s , Φ ) 收敛。此时

L ( s , Φ ) = n = 1 Φ ( n ) log n n s ,

同理得 Φ ( n ) log n n 5 2 1 k φ ( n ) log n n 4 1 k ,则当 R e s > 5 1 k 时,级数 L ( s , Φ ) 收敛。因此由 K 1 = L ( 5 , Φ ) K 2 = L ( 5 , Φ ) K 1 K 2 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 α m 时, α = a q + λ | λ | 1 q τ 1 a q ( a , q ) = 1 ,且q满足

Q < q τ . (31)

X Y = N 1 1 k X + Y = N 1 1 k X = X Y m = n + X ,改写 f k ( α )

f k ( α ) = N 1 < m k N 2 e ( m k α ) = X Y < m X + Y e ( m k α ) = e ( α X k ) 1 n 2 Y e ( α k n k + α k 1 n k 1 + + α 1 n ) , (32)

其中

α j = ( k j ) X k j α , ( 1 j k ) .

4.2.1. k = 3时,定理1.1的证明

k = 3时,对 f 2 2 ( α ) 进行估计,我们有

| f 2 ( α ) | 2 = N 1 1 2 < m , n N 2 1 2 e ( ( m 2 n 2 ) α ) = ( N 2 1 2 N 1 1 2 ) + T ( x ) + T ( x ) ¯ , (33)

其中

T ( x ) = N 1 1 2 < n < m N 2 1 2 e ( ( m 2 n 2 ) α ) .

对于T(x),我们有以下估计

T ( x ) = 1 v N 2 1 2 N 1 1 2 e ( v 2 α ) N 1 1 2 < n N 2 1 2 v e ( 2 n v α ) 1 v y x 1 2 min ( y x 1 2 , 1 2 v α ) ( y x 1 2 + q log q ) ( y x 1 2 q + 1 ) y 2 x 1 q 1 + y x 1 2 log q + q log q ,

结合上式以及公式(31)、(33),我们有

sup α m | f 2 ( α ) | y x 1 2 Q 1 2 + y 1 2 x 1 4 log 1 2 x + τ 1 2 log 1 2 x . (34)

由Hölder不等式,引理3.2,公式(34),以及Zhang和Li [9] 对于 f ( α ) 积分均值的估计

0 1 | f ( α ) | 2 d α y log 3 x , (35)

我们有

I 2 ( x , y ) sup α m | f 2 ( α ) | ( 0 1 | f 2 ( α ) | 6 d α ) 1 3 ( 0 1 | f 3 ( α ) | 6 d α ) 1 6 ( 0 1 | f ( α ) | 2 d α ) 1 2 y 5 2 x 10 9 + ε 2 log 3 2 x ( y x 1 2 Q 1 2 + y 1 2 x 1 4 log 1 2 x + τ 1 2 log 1 2 x ) y 3 x 49 36 + ε + y 7 2 x 29 18 + ε Q 1 2 . (36)

结合公式(16)、(30)、(36),我们有

S 3 ( x , y ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 4 x 13 6 ε ) + O ( y 3 x 3 2 Q 1 6 log x + y 3 x 11 6 + ε Q 5 6 + y 2 x 7 6 + ε + y 7 2 x 29 18 + ε Q 1 2 ) ,

且当 x 11 36 Q x 11 36 + 7 2 ε ,我们有

S 3 ( x , y ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 4 x 13 6 ε ) .

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

f k ( α ) = e ( α X k ) 1 n 2 Y e ( α k n k + α k 1 n k 1 + + α 1 n ) 1 n 2 Y e ( α k n k + α k 1 n k 1 + + α 1 n ) Y 1 + ε ( q 1 + Y 1 + q Y k ) 1 2 k 1 ,

由上式以及公式(31),我们有

sup α m | f k ( α ) | Y 1 + ε ( Q 1 + Y 1 + τ Y k ) 1 2 k 1 y x 1 + 1 k + ε ( Q 1 + y 1 x 1 1 k + τ y k x k 1 ) 1 2 k 1 y x 1 + 1 k + ε ( Q 1 + y 1 x 1 1 k ) 1 2 k 1 . (37)

由Hölder不等式,引理3.2以及公式(35)、(37),我们有

I 2 ( x , y ) sup α m | f k ( α ) | ( 0 1 | f 2 ( α ) | 6 d α ) 1 2 ( 0 1 | f ( α ) | 2 d α ) 1 2 y 7 2 x 2 + 1 k + 2 ε ( Q 1 + y 1 x 1 1 k ) 1 2 k 1 y 7 2 x 2 + 1 k + 2 ε Q 1 2 k 1 + y 7 2 1 2 k 1 x 2 + 1 k + k 1 k 2 k 1 + 2 ε . (38)

结合公式(16)、(30)、(38),我们有

S k ( x , y ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 4 x 5 2 + 1 k ε ) + O ( y 3 x 3 2 Q 1 2 1 k + y 3 x 11 6 + 1 k + ε Q 7 6 1 k + y 2 x 3 2 + 1 k + ε Q 2 1 k + y 7 2 x 2 + 1 k + 2 ε Q 1 2 k 1 ) ,

且当 x 2 k 2 2 k 1 + k + 1 + 2 k 1 ε Q x 2 k 2 + 1 / 2 2 k 1 + k + 1 + ( 2 k 1 / 2 ) ε ,我们有

S k ( x , y ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 4 x 5 2 + 1 k ε ) .

4.2.3. k ≥ 6时,定理1.1的证明

k ≥ 6时,由引理3.4以及公式(32),我们有

f k ( α ) = e ( α X k ) 1 n 2 Y e ( α k n k + α k 1 n k 1 + + α 1 n ) 1 n 2 Y e ( α k n k + α k 1 n k 1 + + α 1 n ) Y 1 + ε ( q 1 + Y 1 + q Y k ) 1 2 k ( k 1 ) ,

由上式以及公式(31),我们有

sup α m | f k ( α ) | Y 1 + ε ( Q 1 + Y 1 + τ Y k ) 1 2 k ( k 1 ) y x 1 + 1 k + ε ( Q 1 + y 1 x 1 1 k + τ y k x k 1 ) 1 2 k ( k 1 ) y x 1 + 1 k + ε ( Q 1 + y 1 x 1 1 k ) 1 2 k ( k 1 ) . (39)

由Hölder不等式,引理3.1以及公式(35)、(39),我们有

I 2 ( x , y ) sup α m | f k ( α ) | ( 0 1 | f 2 ( α ) | 6 d α ) 1 2 ( 0 1 | f ( α ) | 2 d α ) 1 2 y 7 2 x 2 + 1 k + 2 ε ( Q 1 + y 1 x 1 1 k ) 1 2 k ( k 1 ) y 7 2 x 2 + 1 k + 2 ε Q 1 2 k ( k 1 ) + y 7 2 1 2 k ( k 1 ) x 2 + 1 k + 1 2 k 2 + 2 ε . (40)

结合公式(16)、(30)、(40),我们有

S k ( x , y ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 4 x 5 2 + 1 k ε ) + O ( y 3 x 3 2 Q 1 2 1 k + y 3 x 11 6 + 1 k + ε Q 7 6 1 k + y 2 x 3 2 + 1 k + ε Q 2 1 k + y 7 2 x 2 + 1 k + 2 ε Q 1 2 k ( k 1 ) ) ,

且当 x 2 k 2 k 2 3 k + 5 + 2 k ( k 1 ) ε Q x 2 k 2 6 k + 6 ( k 2 ) ( k 2 3 k + 5 ) + 6 k k 2 ε ,我们有

S k ( x , y ) = K 1 L 1 ( x , y ) + 2 ( γ K 1 K 2 ) L 2 ( x , y ) + O ( y 4 x 5 2 + 1 k ε ) .

结合以上三种情况的讨论,我们最终证明了定理1.1。

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