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问题及解答

$e^{2\pi i x/q}$ 在格点上求和的公式

Posted by haifeng on 2021-07-13 22:43:51 last update 2021-07-14 10:31:17 | Edit | Answers (2)

$e^{2\pi i x/q}$ 在格点上求和的公式.

在阅读这个引理之前, 请先阅读问题2787 .


设 $f(x)$ 是关于 $x$ 的 $k$ 次整系数多项式, 记

\[
S(q,f(x))=\sum_{x=1}^{q}e_q(f(x)).
\]

引理. 若 $(q_1, q_2)=1$ 及 $f(0)=0$, 则

\[
S(q_1 q_2,f(x))=S(q_1,\frac{f(q_2 x)}{q_2})\cdot S(q_2,\frac{f(q_1 x)}{q_1})
\]

 

 

此为 [1, P.14] 中引理 1.3


推论.  若 $q=p_1^{\ell_1}p_2^{\ell_2}\cdots p_s^{\ell_s}$, 这里 $p_1,p_2,\ldots,p_s$ 为 $q$ 的 $v(q)=s$ 个不同素因子. 则

\[
S(q,f(x))=\prod_{i=1}^{s}S(p_i^{\ell_i},\frac{f(qx/p_i^{\ell_i})}{q/p_i^{\ell_i}}).
\]

 

 


 

References:

[1] 华罗庚 著, 王元 审校, 《华罗庚文集》(数论卷 I)

1

Posted by haifeng on 2021-07-13 23:12:22

Pf.  命 $x=q_1 y+q_2 z$, 这里 $q_1,q_2,y,z$ 均为整数. 当 $y$ 及 $z$ 各遍历以 $q_2$ 及 $q_1$ 为模的完全剩余系, 则 $x$ 遍历以 $q_1 q_2$ 为模的完全剩余系. (这个类似于格 lattice, 双周期函数.)

容易验证(见问题2787)

\[
e_{q_1 q_2}(f(q_1 y+q_2 z))=e_{q_2}(\frac{1}{q_1}f(q_1 y))\cdot e_{q_1}(\frac{1}{q_2}f(q_2 z)).
\]

于是,

\[
\begin{split}
S(q_1 q_2,f(x))&=\sum_{x=1}^{q_1 q_2}e_{q_1 q_2}(f(x))\\
&=\sum_{y=1}^{q_2}\sum_{z=1}^{q_1}e_{q_2}(\frac{1}{q_1}f(q_1 y))\cdot e_{q_1}(\frac{1}{q_2}f(q_2 z))\\
&=S(q_1,\frac{1}{q_2}f(q_2 x))\cdot S(q_2,\frac{1}{q_1}f(q_1 x)).
\end{split}
\]

2

Posted by haifeng on 2021-07-14 10:55:08

Pf. (推论之证明)

对于 $q=p_1^{\ell_1}p_2^{\ell_2}\cdots p_s^{\ell_s}$, 令 $q_1=p_1^{\ell_1}$, $q_2=q/p_1^{\ell_1}=p_2^{\ell_2}p_3^{\ell_3}\cdots p_s^{\ell_s}$. 显然, $(q_1,q_2)=1$, 根据引理, 

\[
\begin{split}
S(q,f(x))&=S(q_1 q_2,f(x))=S(q_1,\frac{f(q_2 x)}{q_2})\cdot S(q_2,\frac{f(q_1 x)}{q_1})\\
&=S(p_1^{\ell_1},\frac{f(qx/p_1^{\ell_1})}{q/p_1^{\ell_1}})\cdot S(p_2^{\ell_2}\cdots p_s^{\ell_s},\frac{f(p_1^{\ell_1} x)}{p_1^{\ell_1}})
\end{split}
\]

令 $g(x)=\dfrac{f(p_1^{\ell_1} x)}{p_1^{\ell_1}}$, 应用引理, 得

\[
\begin{split}
S(p_2^{\ell_2}\cdots p_s^{\ell_s},\frac{f(p_1^{\ell_1} x)}{p_1^{\ell_1}})&=S(p_2^{\ell_2}\cdots p_s^{\ell_s},g(x))\\
&=S(p_2^{\ell_2},\frac{g(p_3^{\ell_3}\cdots p_s^{\ell_s}\cdot x)}{p_3^{\ell_3}\cdots p_s^{\ell_s}})\cdot S(p_3^{\ell_3}\cdots p_s^{\ell_s},\frac{g(p_2^{\ell_2}x)}{p_2^{\ell_2}})\\
&=S(p_2^{\ell_2},\frac{f(p_1^{\ell_1}\cdot p_3^{\ell_3}\cdots p_s^{\ell_s}\cdot x)}{p_1^{\ell_1}\cdot p_3^{\ell_3}\cdots p_s^{\ell_s}})\cdot S(p_3^{\ell_3}\cdots p_s^{\ell_s},\frac{f(p_2^{\ell_2}p_1^{\ell_1}x)}{p_2^{\ell_2}\cdot p_1^{\ell_1}})
\end{split}
\]

因此, 不断分裂下去(即使用归纳法), 可得

\[
S(p_1^{\ell_1}p_2^{\ell_2}\cdots p_s^{\ell_s},f(x))=\prod_{i=1}^{s}S(p_i^{\ell_i},\frac{qx/p_i^{\ell_i}}{q/p_i^{\ell_i}}).
\]

\[

\]