Riemann zeta funktion

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.

Eulers identitet

Repræsentationen som et uendeligt produkt er også gyldig i domænet ( Eulers identitet )

Bevis

Ideen 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.

Egenskaber

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 :

  1. , at , bortset fra ;
  2. , med , undtagen eller ;
  3. , med , undtagen eller osv.
Især ( omvendt kvadratrække ),
hvor  er Euler gamma-funktionen . Denne ligning kaldes Riemanns funktionelle ligning , selvom sidstnævnte hverken er dens forfatter eller den, der først strengt beviste den [2] . introduceret af Riemann til forskning og kaldet Riemanns x-funktion , har denne ligning formen: .

Nuller for zeta-funktionen

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 .

Konkrete værdirepræsentationer

ζ(2)

Fra formlen , hvor er Bernoulli-tallet , får vi det .

Andre rækkerepræsentationer

Nedenfor 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 repræsentationer

Nedenfor er formler for involvering af integraler opnået ved hjælp af Riemann zeta-funktionen [4] [5] [6] :

Fortsat brøker

Nogle 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]

ζ(3)

En af de korteste repræsentationer er , vi får det , hvor er polygammafunktionen .

Fortsat brøker

Den 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]

ζ(4)

Fra formlen , hvor er Bernoulli-tallet , får vi det .

ζ(5)

En af de korteste repræsentationer er , vi får det , hvor er polygammafunktionen .

Generaliseringer

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.
  • Lerch zeta funktion :
som falder sammen med Riemann zeta-funktionen ved z = 1 og q = 1 (da summeringen er fra 0, ikke fra 1).
  • Kvanteanalog ( q -analog).

Lignende konstruktioner

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

Historie

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.

Se også

  • Liste over alle zeta-funktioner

Noter

  1. Zudilin V. V. Om irrationaliteten af ​​værdierne af zeta-funktionen ved ulige punkter  // Uspekhi Mat . - 2001. - T. 56 , nr. 2 (338) . — S. 215–216 .
  2. Blagushin Ya. V. Historien om den funktionelle ligning af zeta-funktionen og forskellige matematikeres rolle i dens bevis  // Seminarer om matematikkens historie i St. V. A. Steklov RAS. – 2018.
  3. 1 2 Weisstein, Eric W. Riemann Zeta-funktion \zeta(2) . Mathworld . Hentet 29. april 2018. Arkiveret fra originalen 29. april 2018.
  4. Connon DF, nogle serier og integraler inklusive Riemann Zeta-funktionen, binomiale koefficienter og harmoniske tal (del I), arΧiv : 0710.4022 . 
  5. Weisstein, Eric W. Dobbeltintegral . Mathworld . Hentet 29. april 2018. Arkiveret fra originalen 29. april 2018.
  6. Weisstein, Eric W. Hadjicostas' formel . Mathworld . Hentet 29. april 2018. Arkiveret fra originalen 29. april 2018.
  7. 12 Steven R. Finch Matematiske konstanter 1.4.4 . Hentet 10. august 2020. Arkiveret fra originalen 28. november 2020.
  8. Fortsatte brøker for Zeta(2) og Zeta(3) . tpiezas: EN SAMLING AF ALGEBRAISKE IDENTITETER . Hentet 29. april 2018. Arkiveret fra originalen 29. april 2018.
  9. 1 2 van der Poorten, Alfred (1979), Et bevis på at Euler gik glip af ... Apérys bevis på irrationaliteten af ​​ζ (3) , The Mathematical Intelligencer bind 1 (4): 195–203, doi : 10.1007/BF043028 , < https://web.archive.org/web/20110706114957/http://www.maths.mq.edu.au/~alf/45.pdf > 
  10. Steven R. Finch Matematiske konstanter 1.6.6 . Hentet 10. august 2020. Arkiveret fra originalen 28. november 2020.
  11. Takhtajyan, 2011 , s. 348.

Litteratur

  • Derbyshire J. En simpel besættelse. Bernhard Riemann og det største uløste problem i matematik. — M.: Astrel, 2010. — 464 s. — ISBN 978-5-271-25422-2 . .
  • Takhtadzhyan L. A. Kvantemekanik for matematikere / Oversat fra engelsk af Ph.D. S. A. Slavnov . - Ed. 2. - M. -Izhevsk: Forskningscenter "Regular and Chaotic Dynamics", Izhevsk Institute of Computer Research, 2011. - 496 s. - ISBN 978-5-93972-900-0 .
  • Yanke E., Emde F., Losh F. Særlige funktioner: formler, grafer, tabeller / Pr. fra 6. reviderede tyske udgave, red. L. I. Sedova. - Ed. 3., stereotype. — M .: Nauka, 1977. — 344 s.

Links