Дзета-функция Римана
аналитическая функция, доказательство которой является одной из долгих проблем математики. Из Википедии, свободной энциклопедии
Дзе́та-фу́нкция Ри́мана — функция комплексного переменного , при , определяемая с помощью ряда Дирихле:

В комплексной полуплоскости этот ряд сходится, является аналитической функцией от и допускает аналитическое продолжение на всю комплексную плоскость, за исключением особой точки .
Дзета-функция Римана играет очень важную роль в аналитической теории чисел, имеет приложения в теоретической физике, статистике, теории вероятностей.
В частности, если будет доказана или опровергнута до сих пор ни доказанная, ни опровергнутая гипотеза Римана о положении всех нетривиальных нулей дзета-функции на прямой комплексной плоскости , то многие важные теоремы о простых числах, опирающиеся в доказательстве на гипотезу Римана, станут либо истинными, либо ложными.

Тождество Эйлера
Суммиров вкратце
Перспектива
В области также верно представление в виде бесконечного произведения (тождество Эйлера)
Доказательство

Идея доказательства использует лишь простую алгебру, доступную прилежному школьнику. Изначально этим способом Эйлер вывел формулу. Есть свойство решета Эратосфена, из которого мы можем извлечь пользу:
Вычитая второе из первого, мы удаляем все элементы с делителем 2:
Повторяем для следующего:
Опять вычитаем, получаем:
где удалены все элементы с делителями 2 и/или 3.
Как можно увидеть, правая сторона просеивается через решето. Бесконечно повторяя, получаем:
Поделим обе стороны на всё, кроме , получим:
что можно записать короче как бесконечное произведение по всем простым p:
Чтобы сделать доказательство строгим, необходимо потребовать только лишь, чтобы, когда , просеиваемая правая часть приближалась к 1, что немедленно следует из сходимости ряда Дирихле для .
Это равенство представляет собой одно из основных свойств дзета-функции.
Свойства

- Если взять асимптотическое разложение при частичных сумм вида
- ,
справедливую для , она же останется верной и для всех , кроме тех, для которых (это тривиальные корни дзета-функции). Из этого можно получить следующие формулы для :
- , при , кроме ;
- , при , кроме или ;
- , при , кроме , или и т. д.
- Существуют явные формулы для значений дзета-функции в чётных целых точках:
- , где — число Бернулли.
- В частности, (ряд обратных квадратов),
- Кроме того, получено значение , где — полигамма-функция;
- Про значения дзета-функции в нечётных целых точках известно мало: предполагается, что они являются иррациональными и даже трансцендентными, но пока (2019 г.) доказана только лишь иррациональность числа ζ(3) (Роже Апери, 1978), а также то, что среди значений ζ(5), ζ(7), ζ(9), ζ(11) есть хотя бы ещё одно иррациональное[1].
- При
- , где — функция Мёбиуса
- , где — функция Лиувилля
- , где — число делителей числа
- , где — число простых делителей числа
- При
- , где — функция Эйлера
- имеет в точке простой полюс с вычетом, равным 1.
- При натуральных верна следующая формула:
- Дзета-функция при удовлетворяет уравнению:
- ,
- где — гамма-функция Эйлера. Это уравнение называется функциональным уравнением Римана, хотя последний и не является ни его автором, ни тем, кто его первым строго доказал[3].
- Для функции
- ,
- введённой Риманом для исследования и называемой кси-функцией Римана, это уравнение принимает вид:
- .
Нули дзета-функции
Как следует из функционального уравнения Римана, в полуплоскости функция имеет лишь простые нули в отрицательных чётных точках: . Эти нули называются «тривиальными» нулями дзета-функции. Далее, при вещественных . Следовательно, все «нетривиальные» нули дзета-функции являются комплексными числами. Кроме того, они обладают свойством симметрии относительно вещественной оси и относительно вертикали и лежат в полосе , которая называется критической полосой. Согласно гипотезе Римана, они все находятся на критической прямой .
Представления конкретных значений
Суммиров вкратце
Перспектива
ζ(2)
Из формулы , где — число Бернулли, получаем, что .
Другие представления в виде рядов
Ниже приведены другие ряды, сумма которых равна [4]:
Существуют также представления для вида формулы Бэйли — Боруэйна — Плаффа, позволяющие в некоторых системах счисления вычислять -й знак его записи без вычисления предыдущих[4]:
Интегральные представления
Дзета-функция представима в виде интеграла при :
Ниже приведены формулы для с участием интегралов, полученные с использованием дзета-функции Римана[5][6][7]:
Цепные дроби
Некоторые из представлений в виде цепных дробей были получены в связи с аналогичными представлениями для константы Апери , дающими возможность доказать её иррациональность.
ζ(3)
Одним из наиболее коротких представлений является , получаем, что , где — полигамма-функция.
Интегральные представления
Цепные дроби
Цепная дробь для константы Апери (последовательность A013631 в OEIS) выглядит следующим образом:
Первую обобщённую цепную дробь для константы Апери, имеющую закономерность, открыли независимо Стилтьес и Рамануджан:
Она может быть преобразована к виду:
Апери смог ускорить сходимость цепной дроби для константы:
ζ(4)
Из формулы , где — число Бернулли, получаем, что .
ζ(5)
Одним из наиболее коротких представлений является , получаем, что , где — полигамма-функция.
Обобщения
Суммиров вкратце
Перспектива
Существует довольно большое количество специальных функций, связанных с дзета-функцией Римана, которые объединяются общим названием дзета-функции и являются её обобщениями. Например:
- которая совпадает с дзета-функцией Римана при q = 1 (так как суммирование ведётся от 0, а не от 1).
- который совпадает с дзета-функцией Римана при z = 1.
- которая совпадает с дзета-функцией Римана при z = 1 и q = 1 (так как суммирование ведётся от 0, а не от 1).
- Квантовый аналог (q-аналог).
Аналогичные конструкции
В теории гауссовых интегралов по траекториям возникает задача регуляризации детерминантов. Одним из подходов к её решению является введение дзета-функции оператора[12]. Пусть — неотрицательно определённый самосопряжённый оператор, имеющий чисто дискретный спектр . Причём существует вещественное число , такое, что оператор имеет след. Тогда дзета-функция оператора определяется для произвольного комплексного числа , лежащего в полуплоскости , может быть задана сходящимся рядом
Если заданная таким образом функция допускает аналитическое продолжение на область, содержащую некоторую окрестность точки , то на её основе можно определить регуляризованный детерминант оператора в соответствии с формулой
История
Как функция вещественной переменной дзета-функция была введена в 1737 году Эйлером, который и указал её разложение в произведение. Затем эта функция рассматривалась Дирихле и, особенно успешно, Чебышёвым при изучении закона распределения простых чисел. Однако наиболее глубокие свойства дзета-функции были обнаружены позднее, после работы Римана (1859), где дзета-функция рассматривалась как функция комплексного переменного.
См. также
Примечания
Литература
Ссылки
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.