理论教育 数学之外与数学之内-黎曼ζ-函数的欧拉公式

数学之外与数学之内-黎曼ζ-函数的欧拉公式

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:而欧拉得到了下面这个了不起的公式:称为欧拉乘积公式,其中表示对p取所有素数求乘积。这个公式的伟大之处是将黎曼ζ-函数和素数建立了联系,或者说将分析学和数论建立了联系,这使得可以用分析的方法来研究关于自然数的学问——数论了。在黎曼对ζ-函数的深入研究后,一个在当时全新的研究数论的分支——解析数论诞生了。黎曼ζ-函数ζ的变量s可以扩充为除了s=1外的所有复数,这个函数在s=-1,-2,-3,…

数学之外与数学之内-黎曼ζ-函数的欧拉公式

前面已经说过,欧拉还将巴塞尔问题进行了推广,研究了如下级数:

这个级数当s>1时,其和都是有限的。因此,可以看作s的函数。因后来黎曼对这个函数的深入研究,现在称其为黎曼ζ-函数,记为ζ(s)。而欧拉得到了下面这个了不起的公式:

称为欧拉乘积公式,其中表示对p取所有素数求乘积。这个公式的伟大之处是将黎曼ζ-函数和素数建立了联系,或者说将分析学和数论建立了联系,这使得可以用分析的方法来研究关于自然数的学问——数论了。在黎曼对ζ-函数的深入研究后,一个在当时全新的研究数论的分支——解析数论诞生了。

那么,欧拉乘积公式是怎么得到的呢?这和埃拉托色尼(Eratosthenes,前275—前193)寻找素数的筛法有点类似。已知

乘上第一个素数2的-s次方(即2-s),得到

上式右端分母取遍所有偶数的s次方。与前一式相减得

现在分母是偶数的s次方项都消失了,乘上第二个素数3的-s次方(即3-s),得到

再相减得到(www.daowen.com)

现在等式右边分母为3的倍数的s次方项也消失了。这个过程无穷继续下去,取出所有素数后,得到

…(1-11-s)(1-7-s)(1-5-s)(1-3-s)(1-2-s)ζ(s)=1,

等价地,有

这就是欧拉乘积公式。

黎曼ζ-函数ζ(s)的变量s可以扩充为除了s=1外的所有复数,这个函数在s=-1,-2,-3,…有零点,除此之外,黎曼猜测ζ(s)的其他所有零点都在s=1/2+y i,y∈(-∞,∞)所表示的直线上。这个就是著名的黎曼假设,这是当今数学界最重要的猜想之一,获得黎曼假设的证明是每个数学家梦寐以求的荣誉。

复旦大学数学科学学院 邱维元

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