第24講：乗法公式

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$\wp$ 関数の乗法公式

既に $\wp$ 関数の加法公式を知っているから、それによって $\wp\left(2u\right)、\wp\left(3u\right)、\cdots$ 等を $\wp\left(u\right)$ で表すことが出来るはずであるがその計算は非常に面倒である。試しに $\wp\left(2u\right)$ を求めてみよう。　前回(4)において $v=u$ とおくと右辺が不定形になるから、まず

$\lim_{v\rightarrow u}\frac{\wp’\left(u\right)-\wp’\left(v\right)}{\wp\left(u\right)-\wp\left(v\right)}=\lim_{v\rightarrow u}\frac{\wp^{”}\left(v\right)}{\wp’\left(v\right)}=\frac{\displaystyle6\wp\left(u\right)^2-\frac{1}{2}g_2}{\wp’\left(u\right)}$
として、次の式を得る。

$\wp\left(2u\right)+2\wp\left(u\right)=\frac{1}{4}\frac{\displaystyle\left\{6\wp\left(u\right)^2-\frac{1}{2}g_2\right\}^2}{\wp’\left(u\right)^2}$
したがって

$\begin{eqnarray*} \wp\left(2u\right)&=&\frac{1}{4}\frac{\displaystyle\left\{6\wp\left(u\right)^2-\frac{1}{2}g_2\right\}^2}{4\wp\left(u\right)^3-g_2\wp\left(u\right)-g_3}-2\wp\left(u\right)\\ &=&\frac{\displaystyle\wp\left(u\right)^4+\frac{1}{2}g_2\wp\left(u\right)^2+2g_3\wp\left(u\right)+\frac{1}{16}{g_2}^2}{4\wp\left(u\right)^3-g_2\wp\left(u\right)-g_3} \end{eqnarray*}$
これでは

$\wp\left(3u\right)$ を求めるのすら容易でない、そこで次のような工夫をする。前回(1)の公式において、

$u、v$ をそれぞれ

$nu、u$ とおく、ただし

$n$ は自然数とする。

$\wp\left(nu\right)-\wp\left(u\right)=-\frac{\displaystyle\sigma\left(\overline{n+1}u\right)\sigma\left(\overline{n-1}u\right)}{\sigma\left(nu\right)^2\sigma\left(u\right)^2}\tag{1}$
これをさらに変形するために今

$\psi_n\left(u\right)=\frac{\sigma\left(nu\right)}{\sigma\left(u\right)^{n^2}}$
とおけば、(1)は次のようになる。

$\wp\left(nu\right)=\wp\left(u\right)-\frac{\psi_{n+1}\left(u\right)\psi_{n-1}\left(u\right)}{\psi_n\left(u\right)^2}\tag{2}$
　ここで

$\psi_n\left(u\right)$ の関数について考えてみる。まずこれは

$u$ の楕円関数である、試しに

$u$ に

$2\omega_1$ を加えれば

$\begin{eqnarray*} \psi_n\left(u+2\omega_1\right)&=&\frac{\sigma\left(nu+2n\omega_1\right)}{\sigma\left(u+2\omega_1\right)^{n^2}}\\ &=&\frac{\left(-1\right)^ne^{2n\eta_1\left(nu+n\omega_1\right)}\sigma\left(nu\right)}{\left(-1\right)^{n^2}e^{2n^2\eta_1\left(u+\omega_1\right)}\sigma\left(u\right)^{n^2}}\\ &=&\frac{\sigma\left(nu\right)}{\sigma\left(u\right)^{n^2}}=\psi_n\left(u\right) \end{eqnarray*}$
さて

$\psi_n\left(u\right)$ は楕円関数であってかつ

$n$ が奇数ならば偶関数、偶数ならば奇関数である（証明は容易につき略す）。ゆえに

$\psi_n\left(u\right)$ は

$n$ が奇数ならば

$\wp\left(u\right)$ の有理関数、

$n$ が偶数ならば

$\wp\left(u\right)$ の有理関数に

$\wp’\left(u\right)$ をかけたものに等しい（これは次回で証明する）。次にその式を今少し詳しく調べよう。
　まず

$n$ を奇数とする。

$\psi_n\left(u\right)$ はその定義からただちにわかる通り基本周期平行四辺形内では

$u=0$ においてのみ極をもち、その位数は明らかに

$n^2-1$ である。ゆえに

$\psi_n\left(u\right)$ を

$\wp\left(u\right)$ で表せば、

$\wp\left(u\right)\rightarrow\infty$ のときにのみ

$\psi_n\left(u\right)\rightarrow\infty$ となるから、

$\wp\left(u\right)$ の有理整関数であってその次数は

$\displaystyle\frac{n^2-1}{2}$ でなければならない。すなわち

$\psi_n\left(u\right)=c_0\wp\left(u\right)^{\frac{n^2-1}{2}}+c_1\wp\left(u\right)^{\frac{n^2-3}{2}}+\cdots$
両辺を

$u$ の冪級数に展開し、その最低冪の項の係数を比較すれば

$c_0=n$ であることを知る。ゆえに

$\psi_n\left(u\right)=n\wp\left(u\right)^{\frac{n^2-1}{2}}+\cdots$
　

$n$ が偶数のときは

$\psi_n\left(u\right)$ を

$\wp’\left(u\right)$ で割ったものについて上と同様に考えれば、

$\psi_n\left(u\right)=\wp’\left(u\right)\left\{-\frac{n}{2}\wp\left(u\right)^{\frac{n^2-4}{2}}+\cdots\right\}$
であることが証明される。
　よって一般に

$n$ が奇数のときは

$\psi_n\left(u\right)=P_n$ 、

$n$ が偶数のときは

$\psi_n\left(u\right)=\wp’\left(u\right)P_n$
とおくことにすれば、(2)は次のようになる。
　

$n$ が奇数のときは

$\wp\left(nu\right)=\wp\left(u\right)-\frac{\wp’\left(u\right)^2P_{n+1}P_{n-1}}{{P_n}^2}\tag{3}$
　

$n$ が偶数のときは

$\wp\left(nu\right)=\wp\left(u\right)-\frac{P_{n+1}P_{n-1}}{\wp’\left(u\right)^2{P_n}^2}\tag{4}$
　これによって

$\wp\left(nu\right)$ の式を求める問題は一般に

$P_n$ を求めることに帰着されたが、その

$P_n$ を求めるには次のような方法による。
　

$m、n$ を二つの異なる自然数とし、

$\begin{eqnarray*} \wp\left(mu\right)-\wp\left(u\right)&=&-\frac{\psi_{m+1}\left(u\right)\psi_{m-1}\left(u\right)}{\psi_m\left(u\right)^2}\\ \wp\left(nu\right)-\wp\left(u\right)&=&-\frac{\psi_{n+1}\left(u\right)\psi_{n-1}\left(u\right)}{\psi_n\left(u\right)^2} \end{eqnarray*}$
辺々引けば（右辺では

$\left(u\right)$ を略す）

$\wp\left(mu\right)-\wp\left(nu\right)=-\frac{\psi_{m+1}\psi_{m-1}{\psi_n}^2-\psi_{n+1}\psi_{n-1}{\psi_m}^2}{{\psi_m}^2{\psi_n}^2}\tag{5}$
一方においてまた前回(1)によれば

$\wp\left(mu\right)-\wp\left(nu\right)=-\frac{\sigma\left(\overline{m+n}u\right)\sigma\left(\overline{m-n}u\right)}{\sigma\left(mu\right)^2\sigma\left(nu\right)^2}$
したがって

$\wp\left(mu\right)-\wp\left(nu\right)=-\frac{\psi_{m+n}\psi_{m-n}}{{\psi_m}^2{\psi_n}^2}\tag{6}$
(5)と(6)を比較すれば次の関係を得る、

$\psi_{m+n}\psi_{m-n}=\psi_{m+1}\psi_{m-1}{\psi_n}^2-\psi_{n+1}\psi_{n-1}{\psi_m}^2$
特に

$m=n+1$ とすれば

$\psi_{2n+1}=\psi_{n+2}{\psi_n}^3-{\psi_{n+1}}^3\psi_{n-1}$
また

$m、n$ をそれぞれ

$n+1、n-1$ とすれば

$-\wp’\left(u\right)\psi_{2n}=\psi_n\left(\psi_{n+2}{\psi_{n-1}}^2-{\psi_{n+1}}^2\psi_{n-2}\right)$
この最後の二式を

$P$ に関する公式に直せば次のようになる。

$\begin{align} P_{2n+1}=&\left\{\begin{array}{ll} P_{n+2}{P_n}^3-\wp’\left(u\right)^4{P_{n+1}}^3P_{n-1} & \left(nは奇数\right)\\ \wp’\left(u\right)^4P_{n+2}{P_n}^3-{P_{n+1}}^3P_{n-1} & \left(nは偶数\right) \end{array}\right.\\ P_{2n}=&-P_n\left(P_{n+2}{P_{n-1}}^2-{P_{n+1}}^2P_{n-2}\right) \end{align}$
これによって

$n\leqq4$ のときの

$P_n$ を知れば

$n\gt4$ のときの値は全て算出される。

$n\leqq4$ のときの

$P_n$ は実際の計算によって次のようになることが知られる、

$\begin{align} P_1=&1、\hspace{1.5cm}P_2=-1\\ P_3=&3\wp\left(u\right)^4-\frac{3}{2}g_2\wp\left(u\right)^2-3g_3\wp\left(u\right)-\frac{1}{16}{g_2}^2\\ P_4=&-2\wp\left(u\right)^6+\frac{5}{2}g_2\wp\left(u\right)^4+10g_3\wp\left(u\right)^3+\frac{5}{8}{g_2}^2\wp\left(u\right)^2\\ &\hspace{2cm}+\frac{1}{2}g_2g_3\wp\left(u\right)+{g_3}^2-\frac{1}{32}{g_2}^3 \end{align}$
これからただちに判る通り一般に

$P_n=\sum C_{\lambda、\mu、\nu}{g_2}^\lambda{g_3}^\mu\wp\left(u\right)^\nu\hspace{1cm}\left(Cは有理定数\right)$
で、ここに

$\lambda、\mu、\nu$ は

$2\lambda+3\mu+\nu=\left\{\begin{array}{ll} \displaystyle\frac{n^2-1}{2}\ \ \ & \left(nが奇数のとき\right)\\ \displaystyle\frac{n^2-4}{2}\ \ \ & \left(nが偶数のとき\right) \end{array}\right.$
を満たすあらゆる負でない整数値をとるものとする。

参考文献

参考文献は以下の通り。

[1]竹内端三，『楕円関数論』，岩波書店，1936
出版社在庫無し、著作権消失済み。

[2]E.T. Whittaker, et al., A Course of Modern Analysis　(AMS PRESS, 1927)
著作権消失済み。

[3]戸田盛和，『楕円関数入門』，日本評論社，2001

[4]戸田盛和，『臨時別冊・数理科学SGC ライブラリ49　　ソリトンと物理学』，サイエンス社，2006
同出版社より電子書籍の形で復刊済み。

[5]Landau・Lifshitz，『力学』，東京図書，2017

第24講：乗法公式

$\wp$ 関数の乗法公式

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