5191-1 (612434), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

(5).

Сумма содержит не все числа, большие N+1, поэтому, очевидно, . Из (5) получаем

(6).

Ввиду сходимости ряда (1), выражение справа, представляющее его остаток после N-го члена, стремится к нулю при N стремящимся к бесконечности, а есть произведение (4). Значит из неравенства при , что и требовалось доказать.

Формула (4) важна потому, что она связывает натуральный ряд, представленный множеством значений аргумента дзета-функции, со множеством простых чисел. Ещё один шаг в этом направлении мы сделаем, оценив , а именно показав, что , где остаётся ограниченным при .

Из (4) следует, что , где N, а при . Возьмём логарифм от обеих частей равенства, тогда . Натуральные логарифмы под знаком суммы разлагаются в ряд: . Подставив полученные разложения в равенство и устремив N к бесконечности, имеем . Остаётся доказать ограниченность последнего слагаемого. Ясно, что . Последнее равенство справедливо, так как . Далее, очевидно, , что и завершает доказательство.

На этом закончим изложение свойств дзета-функции Римана для действительного аргумента, так как наибольший теоретический и прикладной интерес представляет случай изложенный во второй главе.

Глава 2.

Все результаты первой главы, касающиеся дзета-функции Римана, были получены в предположении, что её аргумент s – действительное число. Однако, самые выдающиеся исследования и многочисленные важные приложения стали возможны лишь после включения в область определения функции комплексных чисел. Впервые рассмотрел дзета-функцию как функцию мнимого аргумента немецкий математик Бернгард Риман, глубоко изучивший её свойства и широко применявший её в теории чисел. В честь него функция получила своё название.

Для комплексной дзета-функции остаётся в силе определение, данное в главе 1, с тем лишь изменением, что теперь там будет C. Возникает необходимость найти новую область определения. С этой целью докажем следующее утверждение: в полуплоскости ( действительная часть числа x) ряд

(1) сходится абсолютно.

Пусть . Подсчитаем абсолютные величины членов ряда (1), . Первый множитель содержит только вещественные числа и , так как . Ко второму же множителю применим знаменитую формулу Эйлера, получим . Значит, . Ввиду сходимости ряда при α>1, имеем абсолютную сходимость ряда (1).

На своей области определения дзета-функция аналитична. Действительно, при всяком q>0 и фиксированном α>1+q, числовой ряд мажорирует ряд из абсолютных величин , где , откуда, по теореме Вейерштрасса, следует равномерная сходимость ряда в полуплоскости . Сумма же равномерно сходящегося ряда из аналитических функций сама является аналитической функцией.

Нетрудно показать, что все полученные для дзета-функции формулы без изменений переносятся на случай комплексного аргумента. Доказательства претерпевают незначительные преобразования, связанные с переходом к абсолютным величинам.

В связи с этим замечанием становится возможным использовать разложение дзета-функции в произведение , где s теперь любое комплексное число, такое, что . Применим его к доказательству отсутствия у функции корней.

Оценим величину , используя свойство модуля : , где как обычно . Так как , то , а , следовательно, дзета-функция в нуль не обращается.

Вопрос о нулях дзета-функции, а также другие прикладные вопросы получают новые широкие возможности для исследования, если распространить её на всю комплексную плоскость. Поэтому, сейчас мы одним из многих возможных способов найдём аналитическое продолжение дзета-функции и выведем её функциональное уравнение, характеризующее и однозначно определяющее .

Для этого нам понадобится формула

(2), которая выводится следующим образом. Используя свойства интегралов можно записать . Для любого d при , значит и , а . . Следовательно, . Интеграл можно найти интегрированием по частям, принимая , ; тогда , а . В результате . Вычтем из этого интеграла предыдущий и получим , отсюда легко следует равенство (2).

Теперь положим в (2) , , a и b – целые положительные числа. Тогда . Пусть сначала , примем a=1, а b устремим к бесконечности. Получим . Прибавим по единице в обе части равенств:

(3).

Выражение является ограниченным, так как , а функция абсолютно интегрируема на промежутке при , то есть при , . Значит, интеграл абсолютно сходится при , причём равномерно в любой конечной области, лежащей в комплексной плоскости справа от прямой . Тем самым он определяет аналитическую функцию переменной s, регулярную при . Поэтому правая часть равенства (3) представляет собой аналитическое продолжение дзета-функции на полуплоскость и имеет там лишь один простой полюс в точке с вычетом, равным единице.

Для можно преобразовать выражение (3) дзета-функции. При имеем , значит, и . Теперь при (3) может быть записано в виде .

Немного более сложными рассуждениями можно установить, что в действительности (3) даёт аналитическое продолжение дзета-функции на полуплоскость . Положим , а , то есть первообразная для . ограничена, так как , а интеграл и ограничен из-за того, что . Рассмотрим интеграл при x₁>x₂ и . Проинтегрируем его по частям, приняв , , тогда , а по указанному выше утверждению . Получаем . Возьмём , а . Имеем , , потому что является ограниченной функцией. Значит,

(4).

Пользуясь абсолютной сходимостью интеграла , если , и ограниченностью функции , делаем вывод, что в левой части равенства (4) интеграл тоже сходится при . Значит формулой (3) можно продолжить дзета-функцию и на полуплоскость правее прямой .

Нетрудно установить, что для отрицательных , поэтому из (3) имеем

(5) при .

Из теории рядов Фурье известно, что для нецелых значений x справедливо разложение в ряд

(6).

Подставим его в равенство (5) и проинтегрируем ряд почленно:

. Сделаем в полученном интеграле подстановку , отсюда следует , а , и получим далее . Известно, что , значит . Из известного соотношения для гамма-функции , по формуле дополнения , следовательно

Итак, мы получили функциональное уравнение дзета-функции Римана

(7),

которое само по себе может служить средством изучения этой функции, так как вполне характеризует её, в том смысле, что любая другая функция , удовлетворяющая равенству (7), а также ещё некоторым естественным условиям, тождественна с .

Пока, правда, как следует из рассуждений, мы доказали формулу (7) для . Однако правая часть этого равенства является аналитической функцией s и при . Это показывает, что дзета-функция может быть аналитически продолжена на всю комплексную плоскость, причём не имеет на ней никаких особенностей, кроме упоминавшегося полюса при .

Чтобы доказательство было строгим, мы должны ещё обосновать почленное интегрирование. Поскольку ряд (6) сходится почти всюду и его частичные суммы остаются ограниченными, почленное интегрирование на любом конечном отрезке допустимо. Ввиду для любого , остаётся доказать, что при . Но интегрируя внутренний интеграл по частям имеем

. Отсюда без труда получается наше утверждение.

Функциональное уравнение дзета-функции (7) может быть записано многими способами. Например, заменим s на 1-s, получаем равносильное равенство

(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

Характеристики

Список файлов курсовой работы