设$k$为正整数, $h$为任意整数.经典Dedekind和的定义如下
此处
其中$[y]$表示不超过$y$的最大整数.
关于Dedekind和的最重要的性质, 是互反公式.即对于互素的正整数$h$和$k$, 有
Dedekind[1]基于$\log \eta(\tau)$的变换公式, 给出了上式的第一个证明. Rademacher[2], Berndt[3-5]和Dieter[6]都分别给出了这个互反公式的不同证明.
张文鹏等人研究了Dedekind和的混合均值, 并得到了较强的渐近公式如下.
命题1.1 [7] 对于整数$ q \geq 3 $, 有
其中$\sum\limits_{a=1}^{q}\vphantom{\sum}^{'}$表示所有与$ p $互素, 且$ 1 \leq a \leq q $的整数$ a $求和, $\prod\limits_{p|q}$表示对$ q $的所有素数$ p $求乘积, $ \exp(y) = {\text{e}}^y $.
命题1.2 [8]设整数$ n \geq 1 $, $p$为素数, $k = p^n$.则有
设$ f $为正整数, $ \chi $为模$ f $的Dirichlet特征.定义新型Dedekind和如下
本文将给出$ s(h, k;\chi) $的混合均值的渐近公式.主要结论如下.
定理1.1 设$ f $为正整数, $ p > 2 $为素数, 满足$ (f, p) = 1 $.设$ \chi $为模$ f $的Dirichlet特征, 满足$ \chi(-1) = 1 $.则有
其中$\sum\limits^{fp}_{a=1}\vphantom{\sum}^{'}$表示所有与$ fp $互素且$ 1 \leq a \leq fp $的整数$ a $求和, $ \overline{b} $表示同余方程$ x \cdot b \equiv 1 (\bmod\ fp) $的解.
定理1.2. 设$ f $为正整数, $ p > 2 $为素数, 满足$ (f, p) = 1 $.设$ \chi $为模$ f $的Dirichlet特征, 满足$ \chi(-1) = 1 $.则有
引理2.1 设$f, k$为正整数, $h$为任意整数, 满足$(fk, h)=1$与$(f, k)=1$.设$\chi$为模$f$的Dirichlet原特征.则有
其中$\tau(\overline{\chi})$为Gauss和, $\displaystyle\sum\limits_{\psi \bmod fd \atop \psi(-1)=-1}$表示对模$fd$的所有奇特征求和.
证 对任意实数$y$, 由文献[9]中的定理3.1可知
此外当$0\leq x< 1$时, 有$ B_{n}(x)=-\frac{n!}{(2\pi i)^{n}}\sum_{r=-\infty \atop r\neq0}^{+\infty}\frac{e(rx)}{r^{n}}, $其中$e(y)=\hbox{e}^{2\pi iy}$.因此
注意到$\chi$为模$f$的原特征, 以及$(fk, h)=1$, $(f, k)=1$.可得
再由特征和的正交性质, 有
引理2.1证毕.
由引理2.1有
因此
容易证明
从而
取参数$N$满足$fp\leq N \leq (fp)^3$, 有
其中$ d(n) = \sum\limits_{t | n} 1 $为除数函数, $ r(n) = \sum\limits_{t|n} \chi(t) $.再由Pólya-Vinogradov不等式可得
以及
则有
由特征的正交关系可得
首先考虑$ M_1 $, 有
易证
由欧拉乘积公式可得
类似可得
结合(3.3)-(3.7)有
接下来考虑$M_2$.可得
结合(3.1), (3.2), (3.8)和(3.9)式, 并取$N=(fp)^3$, 立即可得
定理1.1证毕.
由引理2.1有$ S(h, p;\chi) = \frac{fp}{\pi^2 \phi(p) \phi(f)} \tau(\overline{\chi}) \sum\limits_{\psi \bmod fp \atop \psi(-1) = -1} \psi(h) L(1, \chi\overline{\psi}) L(1, \psi)+O\left(\frac{f^{\frac{3}{2}}}{p}\right). $因此
其中$ d(n) = \sum_{t | n} 1 $为除数函数.再由Pólya-Vinogradov不等式可得
结合(4.3)-(4.7)式有
结合(4.1), (4.2), (4.8)和(4.9)式, 并取$N=(fp)^3$, 立即可得
定理1.2证毕.