Дзета функция Римана (стр. 5 из 6)

(8). Из него можно получить два небольших следствия.

Подставим в (8) вместо s число 2m, где m – натуральное число. Имеем

. По формуле (4) первой главы , а , поэтому и произведя в правой части все сокращения, учитывая, что , получим .

Покажем ещё, что

. Для этого прологарифмируем равенство (8): и результат продифференцируем . В окрестности точки s=1 , , , где С – постоянная Эйлера, а k – произвольная постоянная. Следовательно, устремляя s к единице, получим , то есть . Опять из формулы (4) главы 1 при k=0 , значит, действительно, .

Глава 3.

Как уже было сказано, дзета-функция Римана широко применяется в математическом анализе. Однако наиболее полно важность её выявляется в теории чисел, где она оказывает неоценимую помощь в изучении распределения простых чисел в натуральном ряду. К сожалению, рассказ о серьезных и нетривиальных применениях дзета-функции Римана выходит за рамки этой работы. Но чтобы хотя бы немного представить мощь этой функции, докажем с её помощью несколько интересных утверждений.

Например, известно, что простых чисел бесконечно много. Самое знаменитое элементарное доказательство принадлежит Евклиду. Оно состоит в следующем. Предположим, что существует конечное число простых чисел, обозначим их p₁, p₂, … , p_n. Рассмотрим число p₁p₂…p_n+1, оно не делится ни на одно из простых и не совпадает ни с одним из них, то есть является простым числом, отличным от вышеуказанных, что противоречит предположению. Значит, количество простых чисел не может быть конечным.

Другое доказательство этого факта, использующее дзета-функцию, было дано Эйлером. Рассмотрим данное в первой главе равенство (5) при s=1, получим

, отсюда и ввиду расходимости гармонического ряда, имеем при

(1). Если бы количество простых чисел было конечным, то и это произведение имело конечное значение. Однако, полученный результат свидетельствует об обратном. Доказательство завершено.

Теперь перепишем (1) в виде

. Опираясь на теорему о сходимости бесконечного произведения, из расходимости предыдущего делаем вывод, что ряд расходится. Это предложение даёт некоторую характеристику роста простых чисел. Подчеркнём, что оно гораздо сильнее утверждения о расходимости гармонического ряда, так как здесь речь идёт лишь о части его членов, тем более что в натуральном ряде имеются сколь угодно длинные промежутки без простых чисел, например: , , … , .

Несмотря на свою простоту приведённые выше предложения важны в концептуальном плане, так как они начинают череду исследований всё более и более глубоких свойств ряда простых чисел, которая продолжается по сей день. Первоначально, основной целью изучения дзета-функции как раз и было исследование функции

, то есть количества простых чисел не превосходящих x. В качестве примера формулы, связывающей и , мы сейчас получим равенство

(2).

Сначала воспользуемся разложением дзета-функции в произведение:

. Из логарифмического ряда , учитывая, что , приходим к ряду . Значит, .

Теперь вычислим интеграл в правой части (2). Так как при

, то . Во внутреннем интеграле положим , тогда и , отсюда .В промежутке интегрирования , поэтому верно разложение и . Получаем . Теперь . Если сравнить полученное значение интеграла с рядом для , то увидим, что они тождественны и равенство (2) доказано.

Используем формулу (2) для доказательства одной очень серьёзной и важной теоремы, а именно получим асимптотический закон распределения простых чисел, то есть покажем, что

.

В качестве исторической справки отмечу, что великий немецкий математик Карл Фридрих Гаусс эмпирически установил эту закономерность ещё в пятнадцатилетнем возрасте, когда ему подарили сборник математических таблиц, содержащий таблицу простых чисел и таблицу натуральных логарифмов.

Для доказательства возьмём формулу (2) и попытаемся разрешить это уравнение относительно

, то есть обратить интеграл. Сделаем это с помощью формулы обращения Меллина следующим образом. Пусть . Тогда

(3). Этот интеграл имеет нужную форму, а не повлияет на асимптотику . Действительно, так как , интеграл для сходится равномерно в полуплоскости , что легко обнаруживается сравнением с интегралом . Следовательно, регулярна и ограничена в полуплоскости . То же самое справедливо и относительно , так как .