Riemannin zeta-funktio

Riemannin zeta - funktio  on Dirichlet - sarjan avulla määritetyn kompleksisen muuttujan funktio , at :

Kompleksisessa puolitasossa tämä sarja konvergoi , on analyyttinen funktio ja sallii analyyttisen jatkon koko kompleksitasolle , lukuun ottamatta yksittäistä pistettä .

Riemannin zeta-funktiolla on erittäin tärkeä rooli analyyttisessä lukuteoriassa , sillä on sovelluksia teoreettisessa fysiikassa , tilastoissa ja todennäköisyysteoriassa .

Erityisesti, jos todistettua tai kumottua Riemannin hypoteesia zeta-funktion kaikkien ei-triviaalien nollien sijainnista suoralla kompleksitasolla ei ole todistettu tai kumottu tähän mennessä , niin monia tärkeitä alkulukulauseita , jotka perustuvat Riemannin hypoteesiin todisteesta tulee joko totta tai epätosi.

Eulerin henkilöllisyys

Edustus äärettömänä tulona pätee myös toimialueella ( Eulerin identiteetti )

Todiste

Todistuksen idea käyttää vain yksinkertaista algebraa, joka on ahkera koulupojan saatavilla. Euler johti alun perin kaavan tällä tavalla. Eratosthenes-seulalla on ominaisuus , josta voimme hyötyä:

Vähentämällä toinen ensimmäisestä, poistamme kaikki elementit, joiden jakaja on 2:

Toista seuraavat asiat:

Vähennä uudelleen, saamme:

jossa kaikki elementit, joilla on jakaja 2 ja/tai 3, poistetaan.

Kuten näet, oikea puoli seulotaan siivilän läpi. Toistaen loputtomasti, saamme:

Jaamme molemmat puolet kaikella paitsi , saamme:

joka voidaan kirjoittaa lyhyemmäksi äärettömänä tulona kaikkien alkulukujen p yli :

Jotta todistus olisi tiukka, tarvitaan vain, että kun , seulottu oikea puoli lähestyy arvoa 1, mikä seuraa välittömästi Dirichlet - sarjan konvergenssista .

Tämä yhtälö on yksi Zeta-funktion pääominaisuuksista.

Ominaisuudet

voimassa , se pysyy myös totta kaikille , paitsi niille, joille (nämä ovat zeta-funktion triviaaleja juuria ). Tästä voidaan saada seuraavat kaavat :

  1. , klo , paitsi ;
  2. , jossa , paitsi tai ;
  3. , kanssa , paitsi tai jne.
Erityisesti ( käänteinen neliösarja ),
missä  on Eulerin gammafunktio . Tätä yhtälöä kutsutaan Riemannin funktionaaliseksi yhtälöksi , vaikka jälkimmäinen ei ole sen laatija eikä se, joka ensin tiukasti todisti sen [2] . Riemannin esittelemä tutkimusta varten ja nimeltään Riemmannin x-funktio , tämä yhtälö saa muotonsa: .

Zeta-funktion nollat

Kuten Riemannin funktionaalisesta yhtälöstä seuraa, puolitasossa funktiolla on vain yksinkertaisia ​​nollia negatiivisissa parillisissa pisteissä: . Näitä nollia kutsutaan zeta-funktion "triviaaleiksi" nollaksi. Lisäksi ihan oikeasti . Siksi kaikki Zeta-funktion "ei-triviaalit" nollat ​​ovat kompleksilukuja. Lisäksi niillä on ominaisuus symmetriaa suhteessa todelliseen akseliin ja suhteessa pystysuoraan ja ne sijaitsevat kaistalla, jota kutsutaan kriittiseksi kaistaksi . Riemmannin hypoteesin mukaan ne ovat kaikki kriittisellä linjalla .

Konkreettiset arvoesitykset

ζ(2)

Kaavasta , jossa on Bernoullin luku , saamme sen .

Muut riviesitykset

Alla on muita sarjoja, joiden summa on [3] :

On olemassa myös esityksiä Bailey-Borwain-Pluff-kaavan muodosta , joka sallii joissakin numerojärjestelmissä laskea tietueensa :nnen merkin laskematta edellisiä [3] :

Integraaliesitykset

Alla on kaavat integraaleille , jotka on saatu Riemannin zeta-funktiolla [4] [5] [6] :

Jatkuvia murtolukuja

Osa jatkuvista murto-osien esityksistä saatiin Apéryn vakion samankaltaisten esitysten yhteydessä, mikä mahdollistaa sen irrationaalisuuden todistamisen.

[7] [7] [kahdeksan] [9]

ζ(3)

Yksi lyhyimmistä esityksistä on , jossa on polygammafunktio .

Jatkuvia murtolukuja

Apéryn vakion jatkuva murto -osa (sekvenssi A013631 OEIS : ssä ) on seuraava:

Stieltjes ja Ramanujan löysivät itsenäisesti ensimmäisen yleistetyn jatkuvan murto -osan Apéryn vakiolle, jolla on säännöllisyys :

Se voidaan muuntaa muotoon:

Aperi pystyi nopeuttamaan jatkuvan murto-osan konvergenssia vakiolla:

[10] [9]

ζ(4)

Kaavasta , jossa on Bernoullin luku , saamme sen .

ζ(5)

Yksi lyhyimmistä esityksistä on , jossa on polygammafunktio .

Yleistykset

Riemannin zeta-funktioon liittyy melko suuri määrä erikoisfunktioita, joita yhdistää Zeta-funktion yleinen nimi ja ovat sen yleistyksiä. Esimerkiksi:

joka sopii yhteen Riemannin zeta-funktion kanssa, kun q = 1 (koska summaus alkaa 0:sta, ei 1:stä). joka on sama kuin Riemannin zeta-funktio, kun z = 1.
  • Lerchin zeta-funktio :
joka sopii yhteen Riemannin zeta-funktion kanssa, kun z = 1 ja q = 1 (koska summa on 0:sta, ei 1:stä).
  • Kvanttianalogi ( q -analogi ).

Samankaltaiset rakenteet

Gaussin polun integraalien teoriassa nousee esiin determinanttien regularisointiongelma . Yksi lähestymistapoja sen ratkaisuun on operaattorin zeta-funktion käyttöönotto [11] . Antaa olla  ei-negatiivisesti määritelty itseadjoint-operaattori , jolla on puhtaasti diskreetti spektri . Lisäksi on olemassa reaaliluku , jolla operaattorilla on jälki . Sitten operaattorin zeta-funktio määritellään mielivaltaiselle kompleksiluvulle , joka sijaitsee puolitasossa ja voidaan antaa konvergenttisarjalla

Jos näin määritelty funktio sallii analyyttisen jatkon verkkotunnukseen, joka sisältää jonkin pisteen lähialueen , niin sen perusteella voidaan määrittää operaattorin regularisoitu determinantti kaavan mukaisesti.

Historia

Reaalimuuttujan funktiona zeta-funktion esitteli vuonna 1737 Euler , joka osoitti sen hajoamisen tuotteeksi. Sitten Dirichlet ja erityisen menestyksekkäästi Chebyshev harkitsivat tätä funktiota tutkiessaan alkulukujen jakautumislakia. Zeta-funktion syvimmät ominaisuudet löydettiin kuitenkin myöhemmin, Riemannin (1859) työn jälkeen, jossa zeta-funktiota pidettiin kompleksisen muuttujan funktiona.

Katso myös

  • Luettelo kaikista zeta-funktioista

Muistiinpanot

  1. Zudilin V. V. Zeta-funktion arvojen irrationaalisuudesta parittomissa pisteissä  // Uspekhi Mat . - 2001. - T. 56 , nro 2 (338) . — S. 215–216 .
  2. Blagushin Ya. V. Zeta-funktion funktionaalisen yhtälön historia ja eri matemaatikoiden rooli sen todistuksessa  // Pietarin matematiikan historian seminaarit. V. A. Steklov RAS. – 2018.
  3. 1 2 Weisstein, Eric W. Riemann Zeta Function \zeta(2) . Mathworld . Haettu 29. huhtikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 29. huhtikuuta 2018.
  4. Connon DF, Jotkut sarjat ja integraalit, mukaan lukien Riemannin Zeta-funktio, binomiaaliset kertoimet ja harmoniset luvut (osa I), arΧiv : 0710.4022 . 
  5. Weisstein, Eric W. Double Integral . Mathworld . Haettu 29. huhtikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 29. huhtikuuta 2018.
  6. Weisstein, Eric W. Hadjicostasin kaava . Mathworld . Haettu 29. huhtikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 29. huhtikuuta 2018.
  7. 12 Steven R. Finchin matemaattiset vakiot 1.4.4 . Haettu 10. elokuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 28. marraskuuta 2020.
  8. Jatkuvia murtolukuja Zeta(2) ja Zeta(3) . tpiezas: ALGEBRAISEN Identiteettien kokoelma . Haettu 29. huhtikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 29. huhtikuuta 2018.
  9. 1 2 van der Poorten, Alfred (1979), Todiste siitä, että Euler ohitti ... Apéryn todisteen ζ :n (3) irrationaalisuudesta , The Mathematical Intelligencer osa 1 (4): 195–203, doi : 10.1007/BF03408 , < https://web.archive.org/web/20110706114957/http://www.maths.mq.edu.au/~alf/45.pdf > 
  10. Steven R. Finch Matemaattiset vakiot 1.6.6 . Haettu 10. elokuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 28. marraskuuta 2020.
  11. Takhtajyan, 2011 , s. 348.

Kirjallisuus

  • Derbyshire J. Yksinkertainen pakkomielle. Bernhard Riemann ja matematiikan suurin ratkaisematon ongelma. — M.: Astrel, 2010. — 464 s. — ISBN 978-5-271-25422-2 . .
  • Takhtadzhyan L. A. Kvanttimekaniikka matemaatikoille / Kääntänyt englannista Ph.D. S. A. Slavnov . - Toim. 2. - M. -Izhevsk: Tutkimuskeskus "säännöllinen ja kaoottinen dynamiikka", Izhevsk Institute of Computer Research, 2011. - 496 s. - ISBN 978-5-93972-900-0 .
  • Yanke E., Emde F., Losh F. Erikoisfunktiot: kaavat, kaaviot, taulukot / Per. 6. tarkistetusta saksalaisesta painoksesta, toim. L. I. Sedova. - Toim. Kolmas, stereotypia. - M .: Nauka, 1977. - 344 s.

Linkit