Riemann zeta funkce

Riemannova zeta funkce  je funkcí komplexní proměnné at , definované pomocí Dirichletovy řady :

V komplexní polorovině tato řada konverguje , je analytickou funkcí a připouští analytické pokračování do celé komplexní roviny , kromě singulárního bodu .

Riemannova zeta funkce hraje velmi důležitou roli v analytické teorii čísel , má aplikace v teoretické fyzice , statistice a teorii pravděpodobnosti .

Zejména, pokud není dosud prokázána ani vyvrácena ani dokázaná, ani vyvrácená Riemannova hypotéza o poloze všech netriviálních nul funkce zeta na rovině přímého komplexního komplexu , pak mnoho důležitých vět o prvočíslech založených na Riemannově hypotéze v důkaz se stane buď pravdivým, nebo nepravdivým.

Eulerova identita

Reprezentace jako nekonečný součin je platná i v doméně ( Eulerova identita )

Důkaz

Myšlenka důkazu využívá pouze jednoduchou algebru, dostupnou pilnému školákovi. Euler původně odvodil vzorec tímto způsobem. Existuje vlastnost síta Eratosthenes, ze které můžeme těžit:

Odečtením druhého od prvního odstraníme všechny prvky s dělitelem 2:

Opakujte pro následující:

Odečtěte znovu, dostaneme:

kde jsou odstraněny všechny prvky s děliteli 2 a/nebo 3.

Jak vidíte, pravá strana se prosívá přes síto. Opakováním donekonečna dostáváme:

Obě strany vydělíme vším kromě , dostaneme:

který lze napsat kratší jako nekonečný součin přes všechna prvočísla p :

Aby byl důkaz rigorózní, je pouze nutné požadovat, aby se prosetá pravá strana přiblížila k 1, což okamžitě vyplývá z konvergence Dirichletovy řady pro .

Tato rovnost je jednou z hlavních vlastností zeta funkce.

Vlastnosti

platné pro , zůstane také pravdivé pro všechny , kromě těch, pro které (toto jsou triviální kořeny funkce zeta ). Z toho lze získat následující vzorce pro :

  1. , v , kromě ;
  2. , s , kromě nebo ;
  3. , s , kromě , nebo atd.
Zejména ( inverzní čtvercová řada ),
kde  je Eulerova gama funkce . Tato rovnice se nazývá Riemannova funkcionální rovnice , ačkoli tato rovnice není ani jejím autorem, ani tím, kdo ji jako první rigorózně dokázal [2] . Zavedená Riemannem pro výzkum a nazvaná Riemannova x-funkce má tato rovnice tvar: .

Nuly funkce zeta

Jak vyplývá z Riemannovy funkcionální rovnice, v polorovině má funkce pouze jednoduché nuly v záporných sudých bodech: . Tyto nuly se nazývají "triviální" nuly funkce zeta. Dále doopravdy . Proto všechny "netriviální" nuly funkce zeta jsou komplexní čísla. Kromě toho mají vlastnost symetrie vzhledem k reálné ose a vzhledem k vertikále a leží v pásmu zvaném kritické pásmo . Podle Riemannovy hypotézy jsou všichni na kritické linii .

Konkrétní reprezentace hodnot

ζ(2)

Ze vzorce , kde je Bernoulliho číslo , získáme, že .

Další zobrazení řádků

Níže jsou uvedeny další řady, jejichž součet je [3] :

Existují také reprezentace tvaru Bailey-Borwain-Pluffova vzorce , které umožňují v některých číselných soustavách vypočítat t. znaménko jeho záznamu bez výpočtu předchozích [3] :

Integrální reprezentace

Níže jsou uvedeny vzorce pro zahrnutí integrálů získaných pomocí Riemannovy zeta funkce [4] [5] [6] :

Pokračovací zlomky

Některé reprezentace pokračovacího zlomku byly získány ve spojení s podobnými reprezentacemi pro Apéryho konstantu, což umožňuje dokázat její iracionalitu.

[7] [7] [osm] [9]

ζ(3)

Jedna z nejkratších reprezentací je , dostaneme to , kde je funkce polygama .

Pokračovací zlomky

Pokračující zlomek pro Apéryho konstantu (sekvence A013631 v OEIS ) je následující:

První zobecněný spojitý zlomek pro Apéryho konstantu, který má pravidelnost, objevili nezávisle Stieltjes a Ramanujan :

Dá se převést na:

Aperi dokázal urychlit konvergenci pokračujícího zlomku pro konstantu:

[10] [9]

ζ(4)

Ze vzorce , kde je Bernoulliho číslo , získáme, že .

ζ(5)

Jedna z nejkratších reprezentací je , dostaneme to , kde je funkce polygama .

Zobecnění

S Riemannovou zeta funkcí je spojeno poměrně velké množství speciálních funkcí, které jsou spojeny společným názvem zeta funkce a jsou jejími zobecněními. Například:

která se shoduje s Riemannovou zeta funkcí pro q = 1 (protože sčítání začíná od 0, nikoli od 1). což je stejné jako Riemannova zeta funkce při z = 1.
  • Funkce Lerch zeta :
která se shoduje s Riemannovou zeta funkcí v z = 1 a q = 1 (protože součet je od 0, ne od 1).
  • Kvantový analog ( q -analog).

Podobné konstrukce

V teorii Gaussových dráhových integrálů vyvstává problém regularizace determinantů . Jedním z přístupů k jeho řešení je zavedení zeta funkce operátoru [11] . Dovolit být  non-záporně definovaný self-adjoint operátor , který má čistě diskrétní spektrum . Navíc existuje reálné číslo , takže operátor má stopu . Potom je zeta funkce operátoru definována pro libovolné komplexní číslo ležící v polorovině a může být dána konvergentní řadou

Pokud takto definovaná funkce připouští analytické pokračování do definičního oboru obsahujícího nějaké okolí bodu , pak lze na jeho základě určit regularizovaný determinant operátoru podle vzorce

Historie

Jako funkci reálné proměnné zavedl zeta funkci v roce 1737 Euler , který naznačil její rozklad na součin. Poté se touto funkcí zabýval Dirichlet a zvláště úspěšně Čebyšev při studiu zákona o rozdělení prvočísel. Nejhlubší vlastnosti funkce zeta však byly objeveny později, po práci Riemanna (1859), kde byla funkce zeta považována za funkci komplexní proměnné.

Viz také

  • Seznam všech funkcí zeta

Poznámky

  1. Zudilin V. V. O iracionalitě hodnot funkce zeta v lichých bodech  // Uspekhi Mat . - 2001. - T. 56 , č. 2 (338) . — S. 215–216 .
  2. Blagushin Ya. V. Historie funkční rovnice funkce zeta a úloha různých matematiků při jejím dokazování  // Semináře o historii matematiky St. V. A. Steklov RAS. — 2018.
  3. 1 2 Weisstein, Eric W. Riemann Zeta Funkce \zeta(2) . Mathworld . Získáno 29. dubna 2018. Archivováno z originálu dne 29. dubna 2018.
  4. Connon DF, Některé řady a integrály včetně Riemannovy Zeta funkce, binomické koeficienty a harmonická čísla (část I), arΧiv : 0710.4022 . 
  5. Weisstein, Eric W. Dvojitý integrál . Mathworld . Získáno 29. dubna 2018. Archivováno z originálu dne 29. dubna 2018.
  6. Weisstein, Formule Erica W. Hadjicostase . Mathworld . Získáno 29. dubna 2018. Archivováno z originálu dne 29. dubna 2018.
  7. 12 Steven R. Finch Matematické konstanty 1.4.4 . Získáno 10. srpna 2020. Archivováno z originálu dne 28. listopadu 2020.
  8. Pokračující zlomky pro Zeta(2) a Zeta(3) . tpiezas: SBÍRKA ALGEBRAICKÝCH IDENTIT . Získáno 29. dubna 2018. Archivováno z originálu dne 29. dubna 2018.
  9. 1 2 van der Poorten, Alfred (1979), Důkaz, že Euler minul... Apéryho důkaz iracionality ζ (3) , The Mathematical Intelligencer vol . 1 (4): 195–203, doi : 10.10028223443 , < https://web.archive.org/web/20110706114957/http://www.maths.mq.edu.au/~alf/45.pdf > 
  10. Steven R. Finch Matematické konstanty 1.6.6 . Získáno 10. srpna 2020. Archivováno z originálu dne 28. listopadu 2020.
  11. Takhtajyan, 2011 , str. 348.

Literatura

  • Derbyshire J. Jednoduchá posedlost. Bernhard Riemann a největší nevyřešený problém v matematice. — M.: Astrel, 2010. — 464 s. — ISBN 978-5-271-25422-2 . .
  • Takhtadzhyan L. A. Kvantová mechanika pro matematiky / Z angličtiny přeložil Ph.D. S. A. Slavnov . - Ed. 2. - M. -Iževsk: Výzkumné centrum "Regulární a chaotická dynamika", Iževský institut počítačového výzkumu, 2011. - 496 s. - ISBN 978-5-93972-900-0 .
  • Yanke E., Emde F., Losh F. Speciální funkce: vzorce, grafy, tabulky / Per. ze 6. přepracovaného německého vydání, ed. L. I. Sedová. - Ed. 3. stereotyp. — M .: Nauka, 1977. — 344 s.

Odkazy