Riemann zéta függvény

A Riemann zéta függvény  egy komplex változó függvénye , a Dirichlet-sor segítségével definiálva :

A komplex félsíkban ez a sorozat konvergál , analitikus függvénye a teljes komplex síknak , és a szinguláris pont kivételével analitikus folytatást enged be .

A Riemann zéta függvény nagyon fontos szerepet játszik az analitikus számelméletben , alkalmazható az elméleti fizikában , a statisztikában és a valószínűségszámításban .

Különösen, ha eddig sem a bizonyított, sem a cáfolt Riemann-hipotézis a zéta-függvény összes nem-triviális nullának a közvetlen komplex síkon való helyzetéről nem igazolt vagy cáfolódik , akkor számos fontos prímszámtétel a Riemann-hipotézisen alapul. a bizonyíték vagy igaz lesz, vagy hamis.

Euler személyazonossága

A végtelen szorzatként való ábrázolás a tartományban is érvényes ( Euler-identitás )

Bizonyíték

A bizonyítás ötlete csak egyszerű algebrát használ, amely egy szorgalmas iskolás fiú számára hozzáférhető. Euler eredetileg így származtatta a képletet. Eratoszthenész szitájának van egy olyan tulajdonsága , amelyből profitálhatunk:

Ha kivonjuk a másodikat az elsőből, eltávolítjuk az összes elemet, amelynek osztója 2:

Ismételje meg a következőket:

Ismét kivonva kapjuk:

ahol az összes 2-es és/vagy 3-as osztó elemet eltávolítjuk.

Mint látható, a jobb oldalt szitán átszitáljuk. Végtelenül ismételve a következőket kapjuk:

Mindkét oldalt elosztjuk mindennel, kivéve , a következőt kapjuk:

amely rövidebbre írható végtelen szorzatként az összes p prímre :

Ahhoz, hogy a bizonyítás szigorúbb legyen, csak azt kell megkövetelni, hogy amikor a szitált jobb oldal megközelítse az 1-et, ami közvetlenül következik a Dirichlet - sorok konvergenciájából .

Ez az egyenlőség a zéta-függvény egyik fő tulajdonsága.

Tulajdonságok

érvényes -re , akkor is igaz marad mindenre , kivéve azokat, amelyekre (ezek a zéta függvény triviális gyökei ). Ebből a következő képleteket kaphatjuk :

  1. , at , kivéve ;
  2. , -val , kivéve a vagy ;
  3. , -val , kivéve , vagy stb.
Különösen ( fordított négyzetes sorozat ),
hol  van az Euler gammafüggvény . Ezt az egyenletet Riemann-féle funkcionális egyenletnek nevezik , bár ez utóbbi sem a szerzője, sem nem az, aki először szigorúan bizonyította [2] . Riemann által a kutatáshoz bevezetett és Riemann-féle x-függvénynek nevezett egyenlet a következőképpen alakul: .

A zéta függvény nullái

A Riemann-függvényegyenletből következik, hogy a félsíkban a függvénynek csak a negatív páros pontokban egyszerű nullái vannak: . Ezeket a nullákat a zéta-függvény „triviális” nulláinak nevezzük. Ráadásul tényleg . Ezért a zéta-függvény minden „nem triviális” nullája komplex szám. Ezenkívül szimmetrikus tulajdonságuk van a valós tengelyhez és a függőlegeshez képest, és a kritikus sávnak nevezett sávban helyezkednek el . A Riemann-hipotézis szerint ezek mind a kritikus vonalon vannak .

Konkrét értékábrázolások

ζ(2)

A képletből , ahol a Bernoulli - szám , azt kapjuk .

Egyéb sorábrázolások

Az alábbiakban további sorozatok láthatók, amelyek összege [3] :

Vannak olyan ábrázolások is a Bailey-Borwain-Pluff képlet formájára , amelyek bizonyos számrendszerekben lehetővé teszik a rekord előjelének kiszámítását az előzőek kiszámítása nélkül [3] :

Integrális reprezentációk

Az alábbiakban a Riemann zéta függvény [4] [5] [6] segítségével kapott integrálok bevonására szolgáló képletek találhatók :

Folytatva törtek

A folyamatos törtreprezentációk egy részét az Apéry -állandó hasonló reprezentációival kapcsolatban kaptuk , ami lehetővé tette irracionalitásának bizonyítását.

[7] [7] [nyolc] [9]

ζ(3)

Az egyik legrövidebb reprezentáció az , hogy hol van a poligamma függvény .

Folytatva törtek

Az Apéry-állandó ( A013631 szekvencia az OEIS -ben ) folyamatos törtrésze a következő:

Stieltjes és Ramanujan egymástól függetlenül fedezte fel az Apéry-állandó első általánosított folytonos törtjét, amelynek szabályszerűsége van :

Átalakítható:

Az Aperi fel tudta gyorsítani a folyamatos tört konvergenciáját egy állandóra:

[10] [9]

ζ(4)

A képletből , ahol a Bernoulli - szám , azt kapjuk .

ζ(5)

Az egyik legrövidebb reprezentáció az , hogy hol van a poligamma függvény .

Általánosítások

A Riemann-zéta-függvényhez meglehetősen sok speciális függvény kapcsolódik, amelyeket a zéta-függvény közös neve egyesít és annak általánosításai. Például:

ami egybeesik a Riemann zéta függvénnyel q = 1-re (mert az összegzés 0-tól kezdődik, nem 1-től). ami megegyezik a Riemann-zéta-függvénnyel z = 1-nél.
  • Lerch zéta függvény :
ami egybeesik a Riemann zéta függvénnyel z = 1 és q = 1 esetén (mivel az összegzés 0-tól származik, nem 1-től).
  • Kvantumanalóg ( q -analóg).

Hasonló konstrukciók

A Gauss-féle útintegrálok elméletében felmerül a determinánsok szabályosságának problémája . Megoldásának egyik megközelítése az operátor zéta függvényének bevezetése [11] . Legyen  egy nem negatívan definiált önadjungált operátor , amelynek tisztán diszkrét spektruma van . Sőt, létezik olyan valós szám , hogy az operátornak van egy nyoma . Ekkor az operátor zéta-függvénye egy tetszőleges, félsíkban fekvő komplex számra van definiálva, és konvergens sorozattal megadható

Ha az így definiált függvény beenged egy analitikus folytatást a pont valamely szomszédságát tartalmazó tartományba , akkor ennek alapján meg lehet határozni az operátor regularizált determinánsát a képlet szerint.

Történelem

Egy valós változó függvényében a zéta függvényt 1737-ben vezette be Euler , aki jelezte annak szorzattá való bomlását. Ezután ezt a függvényt Dirichlet , és különösen sikeresen Csebisev is figyelembe vette, amikor a prímszámok eloszlásának törvényét tanulmányozta. A zéta-függvény legmélyebb tulajdonságait azonban később fedezték fel Riemann (1859) munkája nyomán, ahol a zéta-függvényt egy komplex változó függvényének tekintették.

Lásd még

  • Az összes zéta függvény listája

Jegyzetek

  1. Zudilin V. V. A zéta-függvény értékeinek irracionalitásáról páratlan pontokban  // Uspekhi Mat . - 2001. - T. 56 , 2. szám (338) . – S. 215–216 .
  2. Blagushin Ya. V. A zéta-függvény funkcionális egyenletének története és a különböző matematikusok szerepe a bizonyításban  // Szemináriumok a Szent Péter matematika történetéről. V. A. Steklov RAS. — 2018.
  3. 1 2 Weisstein, Eric W. Riemann Zeta függvény \zeta(2) . Mathworld . Letöltve: 2018. április 29. Az eredetiből archiválva : 2018. április 29.
  4. Connon DF, Néhány sorozat és integrál, beleértve a Riemann Zeta függvényt, a binomiális együtthatókat és a harmonikus számokat (I. rész), arΧiv : 0710.4022 . 
  5. Weisstein, Eric W. Kettős integrál . Mathworld . Letöltve: 2018. április 29. Az eredetiből archiválva : 2018. április 29.
  6. Weisstein, Eric W. Hadjicostas képlete . Mathworld . Letöltve: 2018. április 29. Az eredetiből archiválva : 2018. április 29.
  7. 12 Steven R. Finch matematikai állandók 1.4.4 . Letöltve: 2020. augusztus 10. Az eredetiből archiválva : 2020. november 28.
  8. Folytatva a Zéta(2) és Zéta(3) törtek . tpiezas: ALGEBRAI IDENTITÁSOK GYŰJTEMÉNYE . Letöltve: 2018. április 29. Az eredetiből archiválva : 2018. április 29.
  9. 1 2 van der Poorten, Alfred (1979), Bizonyíték arra, hogy Euler elmulasztotta... Apéry bizonyítékát a ζ irracionalitására (3) , The Mathematical Intelligencer 1. kötet (4): 195–203, doi : 10.1007/BF34308 , < https://web.archive.org/web/20110706114957/http://www.maths.mq.edu.au/~alf/45.pdf > 
  10. Steven R. Finch Matematikai állandók 1.6.6 . Letöltve: 2020. augusztus 10. Az eredetiből archiválva : 2020. november 28.
  11. Takhtajyan, 2011 , p. 348.

Irodalom

  • Derbyshire J. Egyszerű megszállottság. Bernhard Riemann és a matematika legnagyobb megoldatlan problémája. — M.: Astrel, 2010. — 464 p. — ISBN 978-5-271-25422-2 . .
  • Takhtadzhyan L. A. Kvantummechanika matematikusoknak / Angolból fordította Ph.D. S. A. Szlavnov . - Szerk. 2. - M. -Izhevsk: Kutatóközpont "Szabályos és kaotikus dinamika", Izhevsk Számítógépes Kutatóintézet, 2011. - 496 p. - ISBN 978-5-93972-900-0 .
  • Yanke E., Emde F., Losh F. Speciális függvények: képletek, grafikonok, táblázatok / Per. a 6. átdolgozott német kiadásból, szerk. L. I. Sedova. - Szerk. 3., sztereotípia. — M .: Nauka, 1977. — 344 p.

Linkek