Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
Дзета-функция Римана
Материал из https://ru.wikipedia.org

Дзета-функция Римана — функция комплексного переменного , при , определяемая с помощью ряда Дирихле:


В комплексной полуплоскости этот ряд сходится, является аналитической функцией от и допускает аналитическое продолжение на всю комплексную плоскость, за исключением особой точки .

Дзета-функция Римана играет очень важную роль в аналитической теории чисел, имеет приложения в теоретической физике, статистике, теории вероятностей.

В частности, если будет доказана или опровергнута до сих пор ни доказанная, ни опровергнутая гипотеза Римана о положении всех нетривиальных нулей дзета-функции на прямой комплексной плоскости , то многие важные теоремы о простых числах, опирающиеся в доказательстве на гипотезу Римана, станут либо истинными, либо ложными.

Содержание

Тождество Эйлера

В области также верно представление в виде бесконечного произведения (тождество Эйлера)


Идея доказательства использует лишь простую алгебру, доступную прилежному школьнику. Изначально этим способом Эйлер вывел формулу. Есть свойство решета Эратосфена, из которого мы можем извлечь пользу:


Вычитая второе из первого, мы удаляем все элементы с делителем 2:


Повторяем для следующего:


Опять вычитаем, получаем:


где удалены все элементы с делителями 2 и/или 3.

Как можно увидеть, правая сторона просеивается через решето. Бесконечно повторяя, получаем:


Поделим обе стороны на всё, кроме , получим:


что можно записать короче как бесконечное произведение по всем простым


Чтобы сделать доказательство строгим, необходимо потребовать только лишь, чтобы, когда , просеиваемая правая часть приближалась к 1, что немедленно следует из сходимости ряда Дирихле для .

Это равенство представляет собой одно из основных свойств дзета-функции.

Свойства
  • Если взять асимптотическое разложение при частичных сумм вида
    ,


справедливую для , она же останется верной и для всех , кроме тех, для которых (это тривиальные корни дзета-функции). Из этого можно получить следующие формулы для :
  1. , при , кроме ;
  2. , при , кроме или ;
  3. , при , кроме , или и т. д.
  • Существуют явные формулы для значений дзета-функции в чётных целых точках:
    , где  — число Бернулли.
В частности, (ряд обратных квадратов),
  • Кроме того, получено значение , где  — полигамма-функция;
  • Про значения дзета-функции в нечётных целых точках известно мало: предполагается, что они являются иррациональными и даже трансцендентными, но пока (2019 г.) доказана только лишь иррациональность числа (3) (Роже Апери, 1978), а также то, что среди значений (5), (7), (9), (11) есть хотя бы ещё одно иррациональное[1].
  • При
    • , где  — функция Мёбиуса
    • , где  — функция Лиувилля
    • , где  — число делителей числа
    • , где  — число простых делителей числа
  • При
  • имеет в точке простой полюс с вычетом, равным 1.
  • При натуральных верна следующая формула:
    • [2]
  • Дзета-функция при удовлетворяет уравнению:
    ,
где  — гамма-функция Эйлера. Это уравнение называется функциональным уравнением Римана, хотя последний и не является ни его автором, ни тем, кто его первым строго доказал[3].
  • Для функции
    ,
введённой Риманом для исследования и называемой кси-функцией Римана, это уравнение принимает вид:
.


Нули дзета-функции

Бернхард Риман представил Дзета-функцию в виде интеграла при  :



Из которого в последствии было получено аналитическое продолжение на всю комплексную плоскость.

Как следует из функционального уравнения Римана, в полуплоскости функция имеет лишь простые нули в отрицательных чётных точках: . Эти нули называются «тривиальными» нулями дзета-функции. Далее, при вещественных . Следовательно, все «нетривиальные» нули дзета-функции являются комплексными числами. Кроме того, они обладают свойством симметрии относительно вещественной оси и относительно вертикали и лежат в полосе , которая называется критической полосой. Согласно гипотезе Римана, они все находятся на критической прямой .

Представления конкретных значений

(2)

Из формулы , где число Бернулли, получаем, что .

Ниже приведены другие ряды, сумма которых равна [4]:


Существуют также представления для вида формулы Бэйли — Боруэйна — Плаффа, позволяющие в некоторых системах счисления вычислять -й знак его записи без вычисления предыдущих[4]:


Ниже приведены формулы для с участием интегралов, полученные с использованием дзета-функции Римана[5][6][7]:


Некоторые из представлений в виде цепных дробей были получены в связи с аналогичными представлениями для константы Апери , дающими возможность доказать её иррациональность.
[8]
[8]
[9][неавторитетный источник]
[10]


(3)

Одним из наиболее коротких представлений является , получаем, что , где полигамма-функция.



Цепная дробь для константы Апери (последовательность A013631 в OEIS) выглядит следующим образом:


Первую обобщённую цепную дробь для константы Апери, имеющую закономерность, открыли независимо Стилтьес и Рамануджан:


Она может быть преобразована к виду:


Апери смог ускорить сходимость цепной дроби для константы:
[10][11]


(4)

Из формулы , где число Бернулли, получаем, что .

(5)

Одним из наиболее коротких представлений является , получаем, что , где полигамма-функция.

Обобщения

Существует довольно большое количество специальных функций, связанных с дзета-функцией Римана, которые объединяются общим названием дзета-функции и являются её обобщениями. Например:
которая совпадает с дзета-функцией Римана при
  • Полилогарифм:
который совпадает с дзета-функцией Римана при
которая совпадает с дзета-функцией Римана при


Аналогичные конструкции

В теории гауссовых интегралов по траекториям возникает задача регуляризации детерминантов. Одним из подходов к её решению является введение дзета-функции оператора[12]. Пусть  — неотрицательно определённый самосопряжённый оператор, имеющий чисто дискретный спектр . Причём существует вещественное число , такое, что оператор имеет след. Тогда дзета-функция оператора определяется для произвольного комплексного числа , лежащего в полуплоскости , может быть задана сходящимся рядом


Если заданная таким образом функция допускает аналитическое продолжение на область, содержащую некоторую окрестность точки , то на её основе можно определить регуляризованный детерминант оператора в соответствии с формулой


История

Как функция вещественной переменной дзета-функция была введена в 1737 году Эйлером, который и указал её разложение в произведение. Затем эта функция рассматривалась Дирихле и, особенно успешно, Чебышёвым при изучении закона распределения простых чисел. Однако наиболее глубокие свойства дзета-функции были обнаружены позднее, после работы Римана (1859), где дзета-функция рассматривалась как функция комплексного переменного.

См. также

Примечания
  1. Зудилин В. В. Об иррациональности значений дзета-функции в нечетных точках // УМН. — 2001. — Т. 56, № 2(338). — С. 215–216.
  2. Практикум 5-11 [НАСТОЯЩЕЕ советское образование]. Telegram. Дата обращения: 7 марта 2025.
  3. Благушин Я. В. История функционального уравнения дзета-функции и роль различных математиков в его доказательстве // Семинары по истории математики санкт-петербургского отделения математического института им. В. А. Стеклова РАН. — 2018. Архивировано 2 мая 2018 года.
  4. 1 2 Weisstein, Eric W. Riemann Zeta Function \zeta(2). MathWorld. Дата обращения: 29 апреля 2018. Архивировано 29 апреля 2018 года.
  5. Connon D. F. (2007). Некоторые ряды и интегралы, включающие Дзета-функцию Римана, биномиальные коэффициенты и гармонические числа (часть I). arXiv:0710.4022 [math.HO].
  6. Weisstein, Eric W. Double Integral. MathWorld. Дата обращения: 29 апреля 2018. Архивировано 29 апреля 2018 года.
  7. Weisstein, Eric W. Hadjicostas's Formula. MathWorld. Дата обращения: 29 апреля 2018. Архивировано 29 апреля 2018 года.
  8. 1 2 Steven R. Finch Mathematical Constants 1.4.4. Дата обращения: 10 августа 2020. Архивировано 28 ноября 2020 года.
  9. Continued fractions for Zeta(2) and Zeta(3). tpiezas: A COLLECTION OF ALGEBRAIC IDENTITIES (4 мая 2012). Дата обращения: 29 апреля 2018. Архивировано 29 апреля 2018 года.
  10. 1 2
  11. Steven R. Finch Mathematical Constants 1.6.6. Дата обращения: 10 августа 2020. Архивировано 28 ноября 2020 года.
  12. Тахтаджян, 2011, с. 348.


Литература


Ссылки
Downgrade Counter