Riemann zeta-funktionen er en funktion af en kompleks variabel , ved , defineret ved hjælp af Dirichlet-serien :
I det komplekse halvplan konvergerer denne serie , er en analytisk funktion af og indrømmer en analytisk fortsættelse til hele det komplekse plan , bortset fra entalspunktet .
Riemann zeta-funktionen spiller en meget vigtig rolle i analytisk talteori , har anvendelser i teoretisk fysik , statistik og sandsynlighedsteori .
Især hvis hverken den beviste eller afkræftede Riemann-hypotese om positionen af alle ikke-trivielle nuller af zeta-funktionen på det direkte komplekse plan er bevist eller tilbagevist indtil videre , så er mange vigtige primtalssætninger baseret på Riemann-hypotesen i bevis bliver enten sandt eller falsk.
Repræsentationen som et uendeligt produkt er også gyldig i domænet ( Eulers identitet )
BevisIdeen om beviset bruger kun simpel algebra, tilgængelig for en flittig skoledreng. Euler udledte oprindeligt formlen på denne måde. Der er en egenskab ved Eratosthenes si , som vi kan drage fordel af:
Ved at trække den anden fra den første fjerner vi alle elementer med en divisor på 2:
Gentag for følgende:
Træk fra igen, vi får:
hvor alle elementer med divisor 2 og/eller 3 fjernes.
Som du kan se, sigtes højre side gennem en sigte. Gentager vi i det uendelige får vi:
Vi deler begge sider med alt undtagen , vi får:
som kan skrives kortere som et uendeligt produkt over alle primtal p :
For at gøre beviset strengt, er det kun nødvendigt at kræve, at når , den sigtede højre side nærmer sig 1, hvilket umiddelbart følger af konvergensen af Dirichlet-serien for .
Denne lighed er en af de vigtigste egenskaber ved zeta-funktionen.
gyldig for , vil det også forblive sandt for alle , undtagen for dem (disse er de trivielle rødder af zeta-funktionen ). Herfra kan følgende formler fås for :
Som det følger af Riemann funktionelle ligning, har funktionen i halvplanet kun simple nulpunkter ved negative lige punkter: . Disse nuller kaldes de "trivielle" nuller i zeta-funktionen. Yderligere, for alvor . Derfor er alle "ikke-trivielle" nuller i zeta-funktionen komplekse tal. Derudover har de egenskaben symmetri i forhold til den reelle akse og i forhold til den lodrette og ligger i et bånd kaldet det kritiske bånd . Ifølge Riemann-hypotesen er de alle på den kritiske linje .
Fra formlen , hvor er Bernoulli-tallet , får vi det .
Andre rækkerepræsentationerNedenfor er andre serier, hvis sum er [3] :
Der er også repræsentationer for formen af Bailey-Borwain-Pluff-formlen , som i nogle talsystemer gør det muligt at beregne det th fortegn i dens rekord uden at beregne de foregående [3] :
Integrale repræsentationerNedenfor er formler for involvering af integraler opnået ved hjælp af Riemann zeta-funktionen [4] [5] [6] :
Fortsat brøkerNogle af de fortsatte brøkrepræsentationer blev opnået i forbindelse med lignende repræsentationer for Apérys konstant, hvilket gjorde det muligt at bevise dens irrationalitet.
[7] [7] [otte] [9]En af de korteste repræsentationer er , vi får det , hvor er polygammafunktionen .
Fortsat brøkerDen fortsatte fraktion for Apérys konstant (sekvens A013631 i OEIS ) er som følger:
Den første generaliserede fortsatte fraktion for Apéry-konstanten, som har en regelmæssighed, blev opdaget uafhængigt af Stieltjes og Ramanujan :
Det kan konverteres til:
Aperi var i stand til at fremskynde konvergensen af den fortsatte fraktion for en konstant:
[10] [9]Fra formlen , hvor er Bernoulli-tallet , får vi det .
En af de korteste repræsentationer er , vi får det , hvor er polygammafunktionen .
Der er et ret stort antal specielle funktioner forbundet med Riemann zeta-funktionen, som er forenet med det fælles navn for zeta-funktionen og er dens generaliseringer. For eksempel:
som falder sammen med Riemann zeta-funktionen for q = 1 (fordi summeringen starter fra 0, ikke fra 1). hvilket er det samme som Riemann zeta-funktionen ved z = 1.I teorien om Gaussiske vejintegraler opstår problemet med regularisering af determinanter . En af tilgangene til dens løsning er indførelsen af zeta-funktionen af operatoren [11] . Lad være en ikke-negativt defineret selvadjoint operatør , som har et rent diskret spektrum . Desuden eksisterer der et reelt tal , således at operatøren har et spor . Derefter defineres zeta-funktionen af operatoren for et vilkårligt komplekst tal, der ligger i halvplanet og kan gives af en konvergent række
Hvis funktionen defineret på denne måde tillader en analytisk fortsættelse til et domæne, der indeholder et område af punktet , så er det på grundlag heraf muligt at bestemme den regulariserede determinant af operatoren i overensstemmelse med formlen
Som en funktion af en reel variabel blev zeta-funktionen introduceret i 1737 af Euler , som angav dens nedbrydning til et produkt. Derefter blev denne funktion overvejet af Dirichlet og, især med succes, af Chebyshev , da han studerede loven om fordeling af primtal. De mest dybtgående egenskaber ved zeta-funktionen blev imidlertid opdaget senere, efter Riemanns arbejde (1859), hvor zeta-funktionen blev betragtet som en funktion af en kompleks variabel.