Evaluar una suma infinita serie q

Question

Tengo la siguiente expresión

$$ \sum_{n=-\infty}^{+\infty} \frac{1}{(1-q^{2n-1})(1-q^{m-2n})}$$ donde $m$ es un entero positivo impar y $|q|<1$.

Dado esto, la suma debe converger a un número finito de respuesta, lo que me gustaría para calcular.

Como $|q|<1$ I puede ampliar la recíproca de los factores de poder de la serie dependiendo de si $n\in (-\infty,0)$, $n\in (1,\frac{m-1}{2})$ y $n\in(\frac{m+1}{2},+\infty)$. A continuación, sumando más de la $n$ índice que me quedo con la siguiente expresión:

$$\sum_{a,b=0}^{+\infty}\frac{q^{a+mb}-q^{ma+b}}{q^{2b}-q^{2a}} - \frac{q^{1+a+mb}+q^{1+ma+b}}{1-q^{2(a+b+1)}}$$

Lo que me gustaría hacer ahora es calcular las sumas de $a,b$, pero me parece que no puede averiguar cómo hacerlo.

Cualquier ayuda sería muy apreciada.

Answer 1

$ \underline{\text{For}\space\left(m\ne1\right)\space\colon} $

$$ \begin{align} \color{red}{S(m,q)} &=\sum_{-\infty}^{+\infty}\frac{1}{\left(1-q^{2n-1}\right)\left(1-q^{m-2n}\right)} \\ &=\sum_{-\infty}^{+\infty}\frac{-q^{-2n-m}}{\left(q^{-2n}-q^{-1}\right)\left(q^{-2n}-q^{-m}\right)} \\ &=\frac{-q^{-m}}{q^{-1}-q^{-m}}\sum_{-\infty}^{+\infty}\left[\frac{q^{-2n}}{q^{-2n}-q^{-1}}-\frac{q^{-2n}}{q^{-2n}-q^{-m}}\right] \\ &=\frac{1}{1-q^{m-1}}\sum_{-\infty}^{+\infty}\left[\frac{1}{1-q^{2n-1}}-\frac{1}{1-q^{2n-m}}\right] \\ &=\frac{\color{blue}{S^{-}(m,q)}\,+\,\color{magenta}{S^{+}(m,q)}}{1-q^{m-1}} =\color{red}{\frac{(m-1)/2}{1-q^{m-1}}} \\[6mm] \color{blue}{S^{-}(m,q)} &=\sum_{n=-1}^{-\infty}\left[\frac{1}{1-q^{2n-1}}-\frac{1}{1-q^{2n-m}}\right] \\ &=\sum_{n=1}^{\infty}\left[\frac{1}{1-q^{-2n-1}}-\frac{1}{1-q^{-2n-m}}\right] \\ &=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{1-q^{-2n-1}}-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{1-q^{-2n-m}} \\ &=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{1-q^{-2n-1}}-\sum_{n=+\frac{m+1}{2}}^{\infty+\frac{m+1}{2}}\frac{1}{1-q^{-2n-1}} \\ &=\sum_{n=1}^{\frac{m-1}{2}}\frac{1}{1-q^{-2n-1}}-\lim_{l\to\infty}\sum_{n=l+1}^{l+\frac{m+1}{2}}\frac{1}{1-q^{-2n-1}} \\ &=\color{blue}{\sum_{n=1}^{\frac{m-1}{2}}\frac{1}{1-q^{-2n-1}}\quad\qquad\left\{\lim_{x\to\infty}\frac{1}{1-q^{-x}}=0\space\colon|q|\lt1\right\}} \\[6mm] \color{magenta}{S^{+}(m,q)} &=\sum_{n=0}^{\infty}\left[\frac{1}{1-q^{2n-1}}-\frac{1}{1-q^{2n-m}}\right] \\ &=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{1-q^{2n-1}}-\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{1-q^{2n-m}} \\ &=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{1-q^{2n-1}}-\sum_{n=-\frac{m-1}{2}}^{\infty-\frac{m-1}{2}}\frac{1}{1-q^{2n-1}} \\ &=\lim_{l\to\infty}\sum_{l-\frac{m-3}{2}}^{l}\frac{1}{1-q^{2n-1}}-\sum_{-\frac{m-1}{2}}^{-1}\frac{1}{1-q^{2n-1}} \\ &=\color{magenta}{\frac{m-1}{2}-\sum_{n=1}^{\frac{m-1}{2}}\frac{1}{1-q^{-2n-1}}\quad\left\{\lim_{x\to\infty}\frac{1}{1-q^{x}}=1\space\colon|q|\lt1\right\}} \end {align} $$

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$ \underline{\text{For}\space\left(m=1\right)\space\colon} $
Es interesante cómo la suma toma una ruta totalmente diferente para$m=1$. Usando el resultado anterior, tenemos:$$ \lim_{m\to1}\frac{(m-1)/2}{1-q^{m-1}} =\frac{-1}{2\log(q)}\quad\ne\,S(1,q) $ $ Esto se puede ver en la serie principal: $$ \begin{align} \color{red}{S(1,q)}&=\sum_{-\infty}^{+\infty}\frac{1}{\left(1-q^{2n-1}\right)\left(1-q^{1-2n}\right)} =\sum_{-\infty}^{+\infty}\frac{-q^{-2n+1}}{\left(1-q^{-2n+1}\right)^2} \\ &=\sum_{-\infty}^{0}\frac{-q^{-2n+1}}{\left(1-q^{-2n+1}\right)^2}+\sum_{1}^{\infty}\frac{-q^{-2n+1}}{\left(1-q^{-2n+1}\right)^2} \\ &=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{-q^{-2n-1}}{\left(1-q^{-2n-1}\right)^2}+\sum_{n=0}^{\infty}\frac{-q^{-2n-1}}{\left(1-q^{-2n-1}\right)^2} \\ &=-2\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(q^2\right)^{-n-\frac12}}{\left(1-\left(q^2\right)^{-n-\frac12}\right)^2} =\color{red}{-\frac{2\,\psi^{(1)}_{q^2}(\frac12)}{\log^2\left(q^2\right)}} \end {align} $$ Y la suma está relacionada con la función q-Polygamma , que es la derivada de la función q-Digamma: $$ \begin{align} \psi_{q}(z) &=-\log(1-q)+\log(q)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{q^{n+z}}{1-q^{n+z}} \\ &=-\log(1-q)-\log(q)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{1-q^{-n-z}} \\ \psi^{(m)}_{q}(z)&=\frac{d^m}{dz^m}\left[\psi_{q}(z)\right] \implies \psi^{(1)}_{q}(z)=\log^2(q)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{q^{-n-z}}{\left(1-q^{-n-z}\right)^2} \end {align} $$