第0081章 黎曼猜想

歐拉乘積公式的推導過程,大學課本里還是有的,但又有多少人會自己推導一遍呢?

將公式直接拿來用就完事了!

經過田立心連比帶畫地將這個公式推導了一遍,許多人都豁然開朗了。

但還有不少人根本就不知道,這個公式的意義在哪?

歐拉乘積公式的意義在於,對全體質數的某些運算可以轉移成對全體自然數的運算。這麼一來,通過研究對自然數的求和Σnn-s,就有可能對質數獲得更深刻的認識。

這個求和是非常重要的,所以它有一個專門的名稱,——黎曼ζ函數。

這個函數明明是歐拉先提出來的,爲什麼會叫黎曼ζ函數呢?

田立心並沒有立即給出答案,而是提出新的問題,“我們來到第二個部分,我來先問幾個問題,兩個自然數互質的概率是多少?什麼是互質?n個自然數互質有沒有通項公式呢?”

“自然數互質,意思就是它們沒有共同的質因數,它們的最大公約數是1。例如2和3互質,2和15互質,但15和21不互質,因爲15和21都以3作爲質因數。由此得知,任意兩個不同的質數是互質的,一個質數和一個不以它作爲質因數的合數是互質的,1和任意自然數都是互質的。”田立心解釋了互質的概念後,便利用歐拉乘積公式寫下了兩個自然數互質的數學表示方法,並一步步計算了下去。

計算的結果顯示,得到n個自然數互質的概率正好等於所有自然數的倒數之和,這個數也稱爲調和級數——也就是1/ζ(s)。

特別說明,這個函數中的s是大於1的。

也就是說,隨着s趨於無窮大,ζ(s)=Σnn-s當中只有第一項1不受影響,後面的項都迅速地趨近於0,所以ζ(s)會趨近於1。相應的,s個自然數互質的概率會趨近於100%。

要是s=1呢?

ζ(1)會等於無窮大!

也就是說,調和級數是發散的!

但在這個推導過程中,是包含一個前提的,——就是ζ(s)是一個有限值,或者說ζ(s)是收斂的。

只有在這個前提之下,才能將它當成一個正常的數進行各種操作,例如乘以1- f(2),消去所有包含2n的項。

假如ζ(s)是發散的,這樣的操作就是毫無意義的,這會帶來各種各樣的錯誤結果。

被人調侃的全體自然數之和等於-1/12,便是這樣計算出來的錯誤之一。

那麼,全體自然數之和等於-1/12,又是怎麼被人證明出來的呢?

這就要說到黎曼了。

黎曼是德國著名的數學家,數學王子高斯的弟子。

黎曼在二十八歲時發表了題爲《論作爲幾何學基礎的假設》的演說,就此創立了黎曼幾何學。他將曲面本身看成一個獨立的幾何實體,而不是把它僅僅看作歐幾里得空間中的一個幾何實體,後來,愛因斯坦也是運用黎曼幾何和張量分析工具,才創立了新的引力理論——廣義相對論。

全體自然數之和等於-1/12,就是黎曼在運用歐拉乘積公式中偶然得到的副產品。

正是在這個錯誤的結果的啓迪之下,黎曼對歐拉乘積公式的運用提出了四條脈絡。

一,應該把ζ(s)中的自變量s理解爲複數,而不只是實數。

二,可以通過解析延拓,讓ζ(s)在s小於1的地方也獲得定義。

三,通過對ζ(s)的研究,可以對小於等於某個數的質數的個數,給出一個明確的表達式,在這個表達式中唯一未知的就是ζ(s)的零點的位置。

四,黎曼猜測ζ(s)的零點都位於某些地方。

由此可見,黎曼在歐拉ζ函數上的研究上,顯然是比歐拉更進一步的。

他在加入解析延拓之後,使得ζ(s)在s小於1的地方獲得定義。

由此,歐拉ζ函數也就升級成了黎曼ζ函數。

解析延拓又是什麼呢?

解析延拓就是擴大一個函數的定義域,使得該函數在一些原本沒有定義的地方也有了定義,而在原本有定義的地方還跟原來一樣。

例如,在-1,1的區間裡定義了一個函數y=x,它的函數圖像是一條線段,從(-1,-1)連到(1,1)。將這條線段向兩邊延伸,而且可以延伸得任意遠,這麼一來,這個函數的定義域就從區間(-1,1)擴展到了整個數軸。

全體自然數之和等於-1/12的結果,正是黎曼在解析延拓的計算中得來的。

正確的表達方式應該是這樣的,——ζ(-1)=-1/12。

黎曼將黎曼ζ函數變形之後,寫出了由一個階梯函數、兩個對數積分函數和一個質數計量函數組成的等式,並將這個結果發表了名爲《論小於給定數值的質數個數》的論文,等式左邊的階梯函數表示一個質數的n次方等於1/n個質數。

這意味着,這個函數是和質數的分佈是相關的。

等式另一邊,其中一個是對數積分函數,其自變量取的是黎曼ζ函數的非平凡零點。

從公式中不難看出,質數的全部信息都包含在黎曼ζ函數的非平凡零點之中。

黎曼ζ函數的非平凡零點的位置又在哪呢?

一個非平凡零點ρ的實部和虛部經常被記爲σ和t,即ρ=σ+it。黎曼很快就證明了,ρ不可能出現在σ大於1或者σ小於0的地方。也就是說,非平凡零點只可能出現在0≤σ≤1的區域裡。

在複平面上,這對應於一條寬度爲1的豎直條帶,人們把它稱爲臨界帶。

而根據黎曼ζ函數的形式,很容易發現零點對於實軸是對稱的。

如果σ+it是一個零點,那麼它的共軛複數σ-it也是一個零點。

因此,非平凡零點總是上下成對出現的。

再根據黎曼的函數方程,即ζ(s)與ζ(1-s)之間的聯繫,很容易發現非平凡零點對於σ= 1/2這條豎線是對稱的。

也就是說,如果σ+it是一個零點,那麼1-σ+it也是一個零點。

黎曼計算了幾個非平凡零點的位置,發現它們的實部都等於1/2。例如第一、二、三個非平凡零點,實部都等於1/2,而虛部分別約等於14.1347、21.0220和25.0109。

隨後他就做出了一個大膽的猜想,——黎曼ζ函數所有的非平凡零點,實部都等於1/2。

而這,就是黎曼猜想。

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