Dedekind和是Dedekind在研究$ \eta $函数时引入的一种和式: 设$ k>0 $, $ h $为任意整数, 经典的Dedekind和[1] $ S\left ( h, k \right ) $被定义为:
$ \left ( \left ( x \right ) \right ) $是分段函数:
$ \left [ x\right ] $是不超过$ x $的最大整数, $ Z $是整数集. 许多学者对其进行了不同角度的研究, 见[2-9]. 有关于Dedekind和最著名也是最重要的性质之一是互反公式, 即当$ h, k > 0 $且$ \left ( h,k \right )=1 $时有:
当$ n\ge 2 $时, 一般线性递推数列Fibonacci$ \left \{ F_{n} \right \} $数列和Lucas $ \left \{ L_{n} \right \} $数列, 由以下关系式给出:
在[10]中, 学者推广线性递推数列为非线性递推数列, 即双周期Fibonacci $ \left \{ f_{n} \right \} $数列, 其定义如下:
其中$ a $, $ b $为任意非负实数且$ a\ge1 $, $ b\ge1 $. 显然当$ a=b=1 $时, 双周期Fibonacci$ \left \{ f_{n} \right \} $数列变为Fibonacci $ \left \{F_{n} \right \} $数列. 当$ a=b=k $时, 双周期Fibonacci $ \left \{ f_{n} \right \} $数列变为$ k $-Fibonacci $ \left \{ Q_{n} \right \} $数列[11].
同样地, 在[12] 中, 学者介绍了双周期Lucas $ \left \{ l_{n} \right \} $数列, 定义如下:
其中$ a $, $ b $为任意非负实数且$ a\ge1 $, $ b\ge1 $. 且当$ a=b=1 $时, 双周期Lucas$ \left \{ l_{n} \right \} $数列变为Lucas $ \left \{L_{n} \right \} $数列. 当$ a=b=k $时, 双周期Lucas $ \left \{ l_{n} \right \} $数列变为$ k $-Lucas $ \left \{ P_{n} \right \} $数列[13].
我们给出$ \left \{f_{n} \right \} $和$ \left \{l_{n} \right \} $的负下标表达式如下:
另外定义分段函数$ \zeta \left ( n \right ) $如下:
在[10] 和[12]中, 学者们分别得到$ \left \{ f_{n} \right \} $和$ \left \{ l_{n} \right \} $的Binet公式如下:
其中$ \alpha $和$ \beta $是方程$ \omega ^{2}-ab \omega -ab=0 $的根, 即$ \alpha=\frac{ab +\sqrt{a^{2} b^{2} +4ab } }{2} $且$ \beta =\frac{ab -\sqrt{a^{2}b^{2} +4ab } }{2} $. 我们得到以下关于$ \alpha $和$ \beta $的算术性质:
显然, 当$ a\ge 1 $及$ b\ge 1 $时, $ 1< \alpha $且$ -1< \beta <0 $. 更多有关双周期Fibonacci数列和双周期Lucas数列的讨论, 见[14-20].
另外根据Dedekind和的互反公式以及$ \left \{ f_{n} \right \} $与$ \left \{ l_{n} \right \} $的递推关系, 我们可以得到如下等式:
当$ a $是奇数时:
近年来, 许多学者都研究了涉及二阶线性递推数列的Dedekind和, 比如: 1999年, 张文鹏和易媛[21] 讨论了估计式$ \sum\limits_{n=1}^{m}S\left ( F_{n} , F_{n+1} \right ) $, 即当$ m $是正整数时有:
其中, $ C\left ( m \right ) $是仅仅依赖于$ m $的常数, “$ \mathcal{O} $”表示Landau符号(对任意$ x\ge a $, $ g\left ( x \right ) > 0 $, 若$ f\left ( x \right ) /g\left ( x \right ) $有界, 则我们记作$ f\left ( x \right ) =\mathcal{O} \left ( g\left ( x \right ) \right ) $.
另外, 有学者[22] 得到了涉及$ k $-Fibonacci $ \left \{ Q_{n} \right \} $数列和$ k $-Lucas $ \left \{P_{n} \right \} $数列的Dedekind和的估计式. 更多涉及线性递推数列Dedekind和的研究见[23, 24].
本文研究了一类二阶非线性递推数列的Dedekind和, 即讨论了涉及双周期Fibonacci $ \left \{f_{n} \right \} $数列和双周期Lucas $ \left \{ l_{n} \right \} $数列的Dedekind和的估计式. 本文是对前人研究成果的推广, 对Dedekind和与递推数列的研究有很大的帮助. 本文的主要结果如下:
定理 1.1 记$ \left \{ f_{n} \right \} $是双周期Fibonacci数列, $ \left \{ l_{n} \right \} $是双周期Lucas数列, 令$ m $是正整数, 则有:
且当$ a $是奇数时,
本节我们介绍几个引理, 以便定理的证明.
引理 2.1 记$ \left \{ f_{n} \right \} $是双周期Fibonacci数列, $ \left \{ l_{n} \right \} $是双周期Lucas数列, 则
且当$ a $是奇数时:
其中$ T\left ( x, y, z \right )=S\left ( x, y \right )+ S\left ( y, z \right )-\frac{x}{12y}-\frac{y}{12z}-\frac{1}{12yz} $.
证 在这里我们仅证明(2.1), (2.2)的证明类似. 根据$ \left \{ f_{n} \right \} $的递推关系与Dedekind的性质, 有
又因为$ \left ( f_{2n } ,f _{2n+1} \right )=1 $, $ \left ( f_{2n+1} ,f _{2n+2} \right )=1 $. 由Dedekind和的互反公式, 我们很容易得到:
所以
引理 2.2 记$ \left \{ f_{n} \right \} $是双周期Fibonacci数列, $ \left \{ l_{n} \right \} $是双周期Lucas数列, 对正整数$ m $有:
证 在这里我们仅证明(2.5), (2.6)的证明类似. 根据$ \left \{ f_{n} \right \} $的Binet公式(1.5), 有:
又因为当$ \epsilon \to 0 $时, 有$ \frac{1}{1\pm \epsilon }=1+ \mathcal{O} \left ( \epsilon \right ) $, 而$ 1< \alpha $且$ -1< \beta < 0 $, 所以当$ n\to \infty $时, $ \frac{\beta ^{2n} }{\alpha ^{2n} }\to 0 $, 故$ \frac{1}{1-\frac{\beta ^{2n+2} }{\alpha ^{2n+2} }}= 1+\mathcal{O} \left ( \frac{\beta ^{2n+2} }{\alpha ^{2n+2} } \right ) $, 即有
同理,
所以,
引理 2.3 记$ \left \{ f_{n} \right \} $是双周期Fibonacci数列, $ \left \{ l_{n} \right \} $是双周期Lucas数列, 对正整数$ m $有:
证 在这里我们仅证明(2.7), (2.8)的证明类似. 根据$ \left \{ f_{n} \right \} $的Binet公式(1.5), 有:
且
在这里我们仅证明(1.7), (1.8)的证明类似. 首先由(2.3) 可得
又由(2.4) 可得,
因此, 由引理2.1, 引理2.2和引理2.3可得到
其中, 因$ a\ge 1 $, $ b\ge 1 $故$ -1< \beta < 0 $且$ 1 <\alpha $.