设整数$h$, $q$满足$q>0$.经典的Dedekind和的定义为
其中
Dedekind和$S(h, q)$在Dedekind $\eta$函数的研究中起着重要作用, 详见文献[1, 2]或者[3]的第3部分.
Berndt[4]引入了如下的Hardy和:
并研究了其性质. Sitaramachandrarao [5]将Hardy和表示成Dedekind和的如下形式:
在文献[6]中, 徐哲峰与张文鹏研究了短区间上的Hardy和的均值, 并得到了如下渐近公式.
命题1.1 设$p\geq 5$为素数, $\overline{b}$为$b$关于模$p$的乘法逆, 则有
其中$\epsilon$为任意小的正数.
Liu[7]也类似的研究了短区间上的Hardy和, 并得到如下命题.
命题1.2 设$p\geq 5$为素数, 则有
本文将进一步研究合数模上Hardy和的均值.主要结果如下.
定理1.1 设$q\geq 5$为奇数.则有
首先将在第2节中把Hardy和的均值表为Dirichlet $L$-函数的均值, 然后在第3节中计算相应的Dirichlet $L$-函数的均值, 最后在第4节中证明定理1.1.
引理2.1 设整数$q, h$满足$q\geq 3$与$(h, q)=1$.则有
证 见文献[8]中的引理2.
引理2.2 设$q\geq 3$为奇数, $h$为任意整数, 满足$(h, q)=1$.则有
其中$\displaystyle\mathop{\sideset{}{^*}\sum_{\chi\bmod m}}_{\chi(-1)=-1}$表示对模$m$的奇原特征求和.
证 由引理2.1有
定理2.1设$q\geq 5$为奇数, 则有
证 由引理2.2可得
另一方面, 设$\chi$为模$m$的原特征, 整数$r\geq 1$, $\lambda \in [0, 1)$且$\lambda\neq \frac{r}{m}$.由文献[9]可得特征和的Fourier展式如下:
是Gauss和, $\displaystyle\text{e}(y)=\text{e}^{2\pi iy}$.由此可得
从而
引理3.1 设整数$m$, $r$满足$m\ge 2$与$(r, m)=1$, $\chi$为模$m$的Dirichlet特征.则有恒等式
和$J(m)=\displaystyle\sum_{d|m}\mu(d)\phi\left(\frac{m}{d}\right), $这里$\displaystyle\mathop{{\sum}^*}_{\chi \bmod m}$表示对模$m$的所有原特征求和, $J(m)$表示模$m$的原特征的个数.
证 见文献[10]中的引理3.
引理3.2 设$d$为奇数, $m|d$, $\displaystyle{r(n)=\sum_{t|n}\chi_d^0(t)}$.则有
证 利用Euler乘积公式, 有
其中$\zeta(s)$是Riemann zeta函数, 满足$\zeta(2)=\frac{1}{6}\pi^2$, $\zeta(4)=\frac{1}{90}\pi^4$.
定理3.1 设$d$为奇数, $m|d$, $k$为给定的正整数.则有
证 考虑非负整数$k$.令$A(y,\chi ) = \sum\limits_{N < n \le y} {\chi (n)r(n),} $其中$N$为满足$m\leq N\leq m^4$的参数, 且$\displaystyle{r(n)=\sum_{t|n}\chi_d^0(t)}$.由Abel恒等式可得
因此有
首先估计$M_2$, $M_3$与$M_4$.注意到分拆恒等式
则有
因此
同理可得
此外利用Cauchy不等式, 有
因此结合(3.1)-(3.4)可得
设$(a, m)=1$.由引理3.1有
注意到估计式$r(n)\ll n^\epsilon$.利用剩余系的性质可得
现在考虑$M_{11}$.把对$n_1$和$n_2$的求和式分成下列四种情况讨论:
(ⅰ) $ s\leq n_1\leq N$, $\frac{s-1}{2^k}+1\leq n_2\leq N$;
(ⅱ) $s\leq n_1\leq N$, $1\leq n_2\leq \frac{s-1}{2^k}$;
(ⅲ) $1\leq n_1\leq s-1$, $\frac{s-1}{2^k}+1\leq n_2\leq N$;
(ⅳ) $1\leq n_1\leq s-1$, $1\leq n_2\leq \frac{s-1}{2^k}$.
不难证明
此外还有
以及
结合(3.5)-(3.10)可得
当$k\geq 1$时, 取$N=m^3$有
而当$k=0$时, 取$N=m^3$, 并利用引理3.2可得
由定理2.1与定理3.1有
这就证明了定理1.1.