Rogers-Ramanujan型连分数的构造方法
The Construction Method of Rogers-Ramanujan Type Continued Fractions
摘要: Rogers-Ramanujan连分数是Ramanujan笔记本的重要研究内容之一。本文利用两个已知Rogers恒等式,使用数学归纳法和递归关系式构造了一个新的Rogers-Ramanujan型连分数。
Abstract: The Rogers-Ramanujan type continued fraction is one of the significant research contents in Ramanujan’s notebooks. In this paper, by using two known Rogers’s identities, the mathematical induction and a recursive relation, a new Rogers-Ramanujan type continued fraction is constructed.
文章引用:刘梦蝶. Rogers-Ramanujan型连分数的构造方法[J]. 理论数学, 2025, 15(8): 66-75. https://doi.org/10.12677/pm.2025.158221

1. 前言

Rogers-Ramanujan型连分数不仅具有优美的数学结构,还与超几何函数、椭圆积分、模等式等数学分支紧密相关,在数论、统计学、代数学以及组合分拆理论等领域有重要应用。发现和证明新的Rogers-Ramanujan型恒等式始终是一个非常活跃的课题。在2010年,Helmut Prodinger [1]利用递归关系: z S k+1 = S k1 a k S k ,( k=0,1,2, )和数学归纳法对Rogers-Ramanujan型连分数进行研究。在2011年,Nancy S. S. Gu和Helmut Prodinger [2]运用同样的递归关系对大量的Rogers-Ramanujan型恒等式进行研究,得到了许多Rogers-Ramanujan型恒等式的连分数展开,总计18个结果。在2013年,Kamilla Oliver和Helmut Prodinger [3]根据小分拆定理推导出7个Rogers-Ramanujan型连分数展开式。在2023年,蔡华蓉[4]对上述结果之一进行了修正。在2025年,张英凡[5]对Rogers-Ramanujan型恒等式进行研究,并利用新的递归关系: z s k+1 = s k1 ( a k + b k z ) s k ,( k=0,1,2, ) 得到了一个Rogers-Ramanujan型恒等式的连分数展开。

本文利用两个已知Rogers恒等式[6],运用递归关系 z s k+1 = s k1 ( a k + b k z ) s k ,( k=0,1,2, ) 和数学归纳法,构造出一个Rogers-Ramanujan型连分数。

为了方便,本节对后续内容中所用到的定义做如下说明。

定义1.1

( a;q ) n := k=0 n1 ( 1a q k ),n1, ( a;q ) := k=0 ( 1a q k ),| q |<1.

特别地,当 n=0

( a;q ) 0 :=1

2. 主要结论及证明

在本节中,首先给出以下两个恒等式:

Rogers恒等式1:

n=0 q n 2 ( q;q ) 2n = ( q 8 , q 12 , q 20 ; q 20 ) ( q; q 2 ) ( q 2 ; q 2 ) .

Rogers恒等式2:

n=0 q n 2 +2n ( q;q ) 2n+1 = ( q 4 , q 6 , q 10 ; q 10 ) ( q 2 , q 18 ; q 20 ) ( q;q ) .

引理2.1 (Guarticle 2)设

F( z )= n=0 z n q n 2 +2n ( q;q ) 2n ,G( z )= n=0 z n q n 2 ( q;q ) 2n .

zF( z ) G( z ) = z( 1q ) 1 zq ( 1q )( 1 q 3 )+ zq( 1 q 6 ) 1 q 5 + z q 8 ( 1q ) ( 1 q 6 )( 1 q 7 )+ z q 2n1 ( 1 q 2 n 2 +3n+1 ) 1 q 4n+1 + z q 6n+2 ( 1 q 2 n 2 n ) ( 1 q 4n+3 )( 1 q 2 n 2 +3n+1 )+ (1)

我们使用上述两个恒等式,首先定义出两个幂级数 F( z ) G( z ) ,构造幂级数 { s k } ,和数 { a k },{ b k } 以满足递归关系 z s k+1 = s k1 ( a k + b k z ) s k ,( k=0,1,2, ) ,由此求出幂级数 s k ,和数 a k , b k ,并由数学归纳法进行证明。从而构造出新的Rogers-Ramanujan型连分数。

定理2.1

F( z )= n=0 z n q n 2 +2n ( q;q ) 2n ,G( z )= n=0 z n q n 2 ( q;q ) 2n .

zF( z ) G( z ) = z 1+qz+ z q 2 1q+ q 3 z+ z q 6 1 q 3 + q 5 z+ z q 8k6 1 q 4k3 + q 4k1 z+ z q 8k2 1 q 4k1 + q 4k+1 z+ (2)

证明 令幂级数 F( z )= s 0 ,G( z )= s 1 ,首先根据递归关系式 z s k+1 = s k1 ( a k + b k z ) s k ,( k=0,1,2, ) 求出幂级数 { s k } 的前七项 s 1 , s 0 , s 1 , s 2 , s 3 , s 4 , s 5 以及对应的数列 { a k } 的前五项 a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 ,其中取数列 { b k } b 2k = q 2k+1 , b 2k+1 = q 2k+1 ,再猜测幂级数 { s k } 和数 { a k },{ b k } ,最后用数学归纳法证明。其中记幂级数 { s k } z n 项的系数为 [ z n ] s k

k=0 时,有 z s 1 = s 1 ( a 0 + b 0 z ) s 0 ,其中取 b 0 =q

对于 z 0 的系数有

0=1 a 0 .

则可得

a 0 =1.

对于 z n 的系数有

[ z n ]z s 1 =[ z n ]( s 1 ( a 0 + b 0 z ) s 0 ) = q n 2 ( q;q ) 2n q n 2 +2n ( q;q ) 2n q q ( n1 ) 2 +2( n1 ) ( q;q ) 2( n1 ) = q n 2 ( q;q ) 2n1 q n 2 ( q;q ) 2n2 = q n 2 ( q;q ) 2n1 ( 1( 1 q 2n1 ) ) = q n 2 +2n1 ( q;q ) 2n1 . (3)

则可得

[ z n ] s 1 = q n 2 +4n+2 ( q;q ) 2n+1 .

s 1 = n=0 q n 2 +4n+2 ( q;q ) 2n+1 z n .

k=1 时,有 z s 2 = s 0 ( a 1 + b 1 z ) s 1 ,其中取 b 1 =q

对于 z 0 的系数有

0=1 a 1 q 2 1q .

则可得

a 1 = 1q q 2 .

对于 z n 的系数有

[ z n ]z s 2 =[ z n ]( s 0 ( a 1 + b 1 z ) s 1 ) = q n 2 +2n ( q;q ) 2n 1q q 2 q n 2 +4n+2 ( q;q ) 2n+1 q q ( n1 ) 2 +4( n1 )+2 ( q;q ) 2( n1 )+1 = q n 2 +2n ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 ) q n 2 +2n ( q;q ) 2n1 = q n 2 +2n ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 ) ( 1( 1 q 2n+1 ) ) = q n 2 +4n+1 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 ) . (4)

则可得

[ z n ] s 2 = q n 2 +6n+6 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 ) .

s 2 = n=0 q n 2 +6n+6 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 ) z n .

k=2 时,有 z s 3 = s 1 ( a 2 + b 2 z ) s 2 ,其中取 b 2 =q

对于 z 0 的系数有

0= q 2 1q a 2 q 6 ( 1q )( 1 q 3 ) .

则可得

a 2 = 1 q 3 q 4 .

对于 z n 的系数有

[ z n ]z s 3 =[ z n ]( s 1 ( a 2 + b 2 z ) s 2 ) = q n 2 +4n+2 ( q;q ) 2n+1 1 q 3 q 4 q n 2 +6n+6 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 ) q q ( n1 ) 2 +6( n1 )+6 ( q;q ) 2( n1 )+1 ( 1 q 2( n1 )+3 ) = q n 2 +4n+2 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 ) q n 2 +4n+2 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 ) = q n 2 +4n+2 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 ) ( 1( 1 q 2n+3 ) ) = q n 2 +6n+5 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 ) . (5)

则可得

[ z n ] s 3 = q n 2 +8n+12 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 ) .

s 3 = n=0 q n 2 +8n+12 ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2 z n .

k=3 时,有 z s 4 = s 2 ( a 3 + b 3 z ) s 3 ,其中取 b 3 =q

对于 z 0 的系数有

0= q 6 ( 1q )( 1 q 3 ) a 3 q 12 ( 1q )( 1 q 3 )( 1 q 5 ) .

则可得

a 3 = 1 q 5 q 6 .

对于 z n 的系数有

[ z n ]z s 4 =[ z n ]( s 2 ( a 3 + b 3 z ) s 3 ) = q n 2 +6n+6 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 ) 1 q 5 q 6 q n 2 +8n+12 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 ) q q ( n1 ) 2 +8( n1 )+12 ( q;q ) 2( n1 )+1 ( 1 q 2( n1 )+3 )( 1 q 2( n1 )+5 ) = q n 2 +6n+6 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 ) q n 2 +6n+6 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 )

= q n 2 +8n+11 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 ) . (6)

则可得

[ z n ] s 4 = q n 2 +10n+20 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 )( 1 q 2n+7 ) .

s 4 = n=0 q n 2 +10n+20 ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 3 z n .

k=4 时,有 z s 5 = s 3 ( a 4 + b 4 z ) s 4 ,其中取 b 4 =q

对于 z 0 的系数有

0= q 12 ( 1q )( 1 q 3 )( 1 q 5 ) a 4 q 20 ( 1q )( 1 q 3 )( 1 q 5 )( 1 q 7 ) .

则可得

a 4 = 1 q 7 q 8 .

对于 z n 的系数有

[ z n ]z s 5 =[ z n ]( s 3 ( a 4 + b 4 z ) s 4 ) = q n 2 +8n+12 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 ) 1 q 7 q 8 q n 2 +10n+20 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 )( 1 q 2n+7 ) q q (n1) 2 +10( n1 )+20 ( q;q ) 2( n1 )+1 ( 1 q 2( n1 )+3 )( 1 q 2( n1 )+5 )( 1 q 2( n1 )+7 ) = q n 2 +8n+12 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 )( 1 q 2n+7 ) q n 2 +8n+12 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 ) = q n 2 +10n+19 ( q;q ) 2n1 ( 1 q 2n+1 )( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 )( 1 q 2n+7 ) . (7)

则可得

[ z n ] s 5 = q n 2 +12n+30 ( q;q ) 2n+1 ( 1 q 2n+3 )( 1 q 2n+5 )( 1 q 2n+7 )( 1 q 2n+9 ) .

s 5 = n=0 q n 2 +12n+30 ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 4 z n .

k=5 时,有 z s 6 = s 4 ( a 5 + b 5 z ) s 5 ,其中取 b 5 =q

对于 z 0 的系数有

0= q 20 ( 1q )( 1 q 3 )( 1 q 5 )( 1 q 7 ) a 5 q 30 ( 1q )( 1 q 3 )( 1 q 5 )( 1 q 7 )( 1 q 9 ) .

则可得

a 5 = 1 q 9 q 10 .

对于 z n 的系数有

[ z n ]z s 6 =[ z n ]( s 4 ( a 5 + b 5 z ) s 5 ) = q n 2 +10n+20 ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 3 1 q 9 q 10 q n 2 +12n+30 ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 4 q q ( n1 ) 2 +12( n1 )+30 ( q;q ) 2( n1 )+1 ( q 2( n1 )+3 ; q 2 ) 4 = q n 2 +10n+20 ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 5 q n 2 +10n+20 ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 4 = q n 2 +10n+20 ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 5 ( 1( 1 q 2n+9 ) ) = q n 2 +12n+29 ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 5 . (8)

则可得

[ z n ] s 6 = q n 2 +14n+42 ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 5 .

s 6 = n=0 q n 2 +14n+42 ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 5 z n .

综上可猜测辅助级数 s k 和数 a k b k

s 2k = n=0 q n 2 +( 4k+2 )n+( 4 k 2 +2k ) ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2k1 z n . s 2k+1 = n=0 q n 2 +( 4k+4 )n+( 4 k 2 +6k+2 ) ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2k z n .

a 0 =1, a 2k = 1 q 4k1 q 4k , a 2k+1 = 1 q 4k+1 q 4k+2 . b 2k =q, b 2k+1 =q. (9)

接下来证明猜测的辅助级数 s k 和数 a k b k 满足递归关系式 z s k+1 = s k1 ( a k + b k z ) s k ,( k=0,1,2, ) ,即证

[ z n ]z s 2k+2 =[ z n ]( s 2k ( a 2k+1 + b 2k+1 z ) s 2k+1 ).

[ z n ]z s 2k+1 =[ z n ]( s 2k1 ( a 2k + b 2k z ) s 2k ).

对于 [ z n ]z s 2k+2 =[ z n ]( s 2k ( a 2k+1 + b 2k+1 z ) s 2k+1 ) 。当 k=0 时,等式成立。

k>0 时,

[ z n ] s 2k+2 = q n 2 +( 4k+6 )n+( 4 k 2 +10k+6 ) ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2k+1 .

[ z n ]z s 2k+2 = q ( n1 ) 2 +( 4k+6 )( n1 )+( 4 k 2 +10k+6 ) ( q;q ) 2( n1 )+1 ( q 2( n1 )+3 ; q 2 ) 2k+1 = q n 2 +( 4k+4 )n+( 4 k 2 +6k+1 ) ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k+1 . (10)

[ z n ]( s 2k ( a 2k+1 + b 2k+1 z ) s 2k+1 ) = q n 2 +( 4k+2 )n+( 4 k 2 +2k ) ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2k1 1 q 4k+1 q 4k+2 q n 2 +( 4k+4 )n+( 4 k 2 +6k+2 ) ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2k q q (n1) 2 +( 4k+4 )( n1 )+( 4 k 2 +6k+2 ) ( q;q ) 2( n1 )+1 ( q 2( n1 )+3 ; q 2 ) 2k = q n 2 +( 4k+2 )n+( 4 k 2 +2k ) ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k+1 q n 2 +( 4k+2 )n+( 4 k 2 +2k ) ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k = q n 2 +( 4k+2 )n+( 4 k 2 +2k ) ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k+1 ( 1( 1 q 2n+4k+1 ) ) = q n 2 +( 4k+4 )n+( 4 k 2 +6k+1 ) ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k+1 (11)

对于 [ z n ] z s 2k+1 = [ z n ]( s 2k1 ( a 2k + b 2k z ) s 2k ) 。当 k=0 时,等式成立。

k>0 时,

[ z n ] s 2k1 = q n 2 +4kn+4 k 2 2k ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2k2 .

[ z n ]( s 2k1 ( a 2k + b 2k z ) s 2k )

= q n 2 +4kn+4 k 2 2k ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2k2 1 q 4k1 q 4k q n 2 +( 4k+2 )n+( 4 k 2 +2k ) ( q;q ) 2n+1 ( q 2n+3 ; q 2 ) 2k1 q q ( n1 ) 2 +( 4k+2 )( n1 )+( 4 k 2 +2k ) ( q;q ) 2( n1 )+1 ( q 2( n1 )+3 ; q 2 ) 2k1 = q n 2 +4kn+4 k 2 2k ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k q n 2 +4kn+4 k 2 2k ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k1 = q n 2 +4kn+4 k 2 2k ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k ( 1( 1 q 2n+4k1 ) ) = q n 2 +( 4k+2 )n+4 k 2 +2k1 ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k . (12)

[ z n ]z s 2k+1 = q ( n1 ) 2 +4( k+1 )( n1 )+( 4 k 2 +6k+2 ) ( q;q ) 2( n1 )+1 ( q 2( n1 )+3 ; q 2 ) 2k = q n 2 +( 4k+2 )n+4 k 2 +2k1 ( q;q ) 2n1 ( q 2n+1 ; q 2 ) 2k . (13)

则上述递归关系式成立。

a k b k 代入得

zF( z ) G( z ) = z 1+qz+ z 1q q 2 +qz+ z 1 q 3 q 4 +qz+ z 1 q 4k3 q 4k2 +qz+ z 1 q 4k1 q 4k +qz+ .

化简得

zF( z ) G( z ) = z 1+qz+ z q 2 1q+ q 3 z+ z q 6 1 q 3 + q 5 z+ z q 8k6 1 q 4k3 + q 4k1 z+ z q 8k2 1 q 4k1 + q 4k+1 z+ .

证毕。

特别地,在定理2.1中,取 z=1 可得

F( 1 ) G( 1 ) = n=0 q n 2 +2n ( q;q ) 2n n=0 q n 2 ( q;q ) 2n = 1 1+q+ q 2 1q+ q 3 + q 6 1 q 3 + q 5 + q 8k6 1 q 4k3 + q 4k1 + q 8k2 1 q 4k1 + q 4k+1 + . (14)

注:以上结果在其他文献中并无发现,故为新的连分数。

参考文献

[1] Prodinger, H. (2010) Continued Fraction Expansions for Q-Tangent and Q-Cotangent Functions. Discrete Mathematics & Theoretical Computer Science, 12.
https://doi.org/10.46298/dmtcs.492
[2] Gu, N.S.S. and Prodinger, H. (2011) On Some Continued Fraction Expansions of the Rogers—Ramanujan Type. The Ramanujan Journal, 26, 323-367.
https://doi.org/10.1007/s11139-011-9329-7
[3] Oliver, K. and Prodinger, H. (2012) Continued Fraction Expansions Related to Göllnitz’ Little Partition Theorem. Afrika Matematika, 24, 665-670.
https://doi.org/10.1007/s13370-012-0088-4
[4] 蔡华蓉. 关于Göllnitz小分拆定理的连分式展开式的一个注记[J]. 绵阳师范学院学报, 2023, 42(11): 9-14.
[5] 张英凡. Rogers-Ramanujan型连分数的构造及其模等式[D]: [硕士学位论文]. 重庆: 重庆师范大学, 2025.
[6] Rogers, L.J. (1893) Second Memoir on the Expansion of Certain Infinite Products. Proceedings of the London Mathematical Society, 1, 318-343.
https://doi.org/10.1112/plms/s1-25.1.318