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.
Reprezentace jako nekonečný součin je platná i v doméně ( Eulerova identita )
DůkazMyšlenka 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.
platné pro , zůstane také pravdivé pro všechny , kromě těch, pro které (toto jsou triviální kořeny funkce zeta ). Z toho lze získat následující vzorce pro :
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 .
Ze vzorce , kde je Bernoulliho číslo , získáme, že .
Další zobrazení řádkůNíže 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 reprezentaceNíže jsou uvedeny vzorce pro zahrnutí integrálů získaných pomocí Riemannovy zeta funkce [4] [5] [6] :
Pokračovací zlomkyNěkteré reprezentace pokračovacího zlomku byly získány ve spojení s podobnými reprezentacemi pro Apéryho konstantu, což umožňuje dokázat její iracionalitu.
[7] [7] [osm] [9]Jedna z nejkratších reprezentací je , dostaneme to , kde je funkce polygama .
Pokračovací zlomkyPokračující 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]Ze vzorce , kde je Bernoulliho číslo , získáme, že .
Jedna z nejkratších reprezentací je , dostaneme to , kde je funkce polygama .
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.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
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.