2016年7月9日

この前のBhargavaの話でこんなんが出てきた.記憶とGoogle検索のみを頼りに書いているので正しいとは限らない.連分数 \[ x = 1 + \dfrac{1}{1 + \dfrac{1}{1 + \dfrac{1}{1 + \dfrac{1}{1 + \ddots}}}} \] を考えてみる.収束することを仮定すれば値を求めるのは難しくない.この \[ 1 + \dfrac{1}{\color{red}{1 + \dfrac{1}{1 + \dfrac{1}{1 + \dfrac{1}{1 + \ddots}}}}} \] 赤くなっている部分が全体と同じなので,この部分を$x$に置き換えると \[ x = 1 + \frac{1}{x} \] となる.分母を払って整理すれば \[ x^2 - x - 1 = 0 \] となるので,二次方程式を解けば \[ x = \frac{1 + \sqrt{5}}{2} \] となる.黄金比ですね.

もちろんこんなことをRamanujanが考えた,という話ではない.(いや考えたかもしれないがこれだけで終わっては話題にならない.)次のような一般化を考える. \[ R(q) = 1 + \dfrac{q}{1 + \dfrac{q^2}{1 + \dfrac{q^3}{1 + \dfrac{q^4}{1 + \ddots}}}} \] 今計算したのは$R(1)$というわけだ.しかしこうなると \[ 1 + \dfrac{q}{\color{red}{1 + \dfrac{q^2}{1 + \dfrac{q^3}{1 + \dfrac{q^4}{1 + \ddots}}}}} \] の赤い部分はもう$R(q)$と同じじゃないので,さっきみたいには計算できない.Ramanujanはこんなことを言ったようだ.俺は$R(e^{-2\pi})$を計算できる.答えは \[ R(e^{-2\pi}) = 1 + \dfrac{e^{-2\pi}}{1 + \dfrac{e^{-4\pi}}{1 + \dfrac{e^{-6\pi}}{1 + \dfrac{e^{-8\pi}}{1 + \ddots}}}} = \left(\sqrt{\frac{5 + \sqrt{5}}{2}} + \frac{1 + \sqrt{5}}{2}\right)e^{-2\pi/5} \] だ.もうなんかこの式一つですごい.(ちなみにKaTeXの例としてこの式がある.)実は$R(e^{-\pi\sqrt{r}})$を正の有理数$r$に対して計算できるぜ,とも言ったそうだ.なお,この値は殆ど代数的数になる.正確には$R_1(q) = R(q)q^{-1/5}$とおくと,正の有理数$r$に対して$R_1(e^{-2\pi \sqrt{r}})$は代数的数になる.

ネタばらしとしては,この$R_1(q)$はレベル5のモジュラー関数の$q$展開を与える,ということらしい.なので,虚数乗法論から$R(e^{-2\pi \sqrt{r}}) = R_1(e^{2\pi \sqrt{-1}\sqrt{-r}})$は代数的となり,$\mathbb{Q}$上の二次拡大のAbel拡大を与える,ということのようだ.たとえば上の$R_1(e^{-2\pi})$は$\mathbb{Q}(\sqrt{-1})$のAbel拡大を与える.まぁでもRamanujanはそういうことは言ってないんでしょうが…….

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