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。

第0186章 期中考開始了第0106章 再見,羅馬尼亞!第0058章 傳統第0006章 滿分作文第0207章 大腕的葬禮第0053章 一百萬!第0176章 這就是一妖孽第0266章 華夏科幻銀河獎第0055章 震撼第0008章 你造他有多努力嗎?第0148章 學術論文的領路人第0069章 一起去桂城第0267章 華文在線也要上線第0037章 網吧計費軟件第0103章 正式開賽第0181章 數模競賽的論文答辯真的是走程序?第0018章 莫比烏斯環和克萊因瓶第0103章 正式開賽第0139章 真相第0198章 私車公用第0018章 莫比烏斯環和克萊因瓶第0031章 《萌芽》雜誌社的邀請函第0242章 見家長第0192章 我叫寶......寶樹第0193章 踢出朋友圈?第0039章 萬事開頭難第0285章 《仙葫》斷更差不多十天了?第0051章 《西征夢》第0074章 “我保證照顧好孩子”第0231章 頒獎第0162章 第一篇論文要發表了第0031章 《萌芽》雜誌社的邀請函第0018章 莫比烏斯環和克萊因瓶第0111章 震驚!某人爲出演龍套......第0045章 不氣盛,還叫年輕人嗎?第0263章 玄幻和仙俠第0102章 開幕式第0089章 徹底反彈第0028章 老媽不高興了第0254章 來自方舟的私信第0077章 《球狀閃電》過審失敗?第0160章 京城首日票房五十萬第0049章 我要聽郭老闆唱《骷髏嘆》第0184章 雙雙入選金馬獎第0261章 《三個傻瓜》的女主試鏡第0242章 見家長第0029章 英語啓蒙老師差點成了他的學生第0259章 撈人第283章 龐加萊猜想報告會第0208章 忘年交第0117章 《消愁》第0037章 網吧計費軟件第0059章 殺豬第0168章 我不要緊的第0146章 暴發戶第0263章 玄幻和仙俠第0118章 晉升爲鏟屎官第0067章 第一次的親密接觸第0249章 說服歐陽第0173章 罰酒三碗第0112章 浮雲!一切都是浮雲第282章 現任國際數學家聯盟主席第0165章 咱們中出了一個學神第0183章 額,我叫劉慈心,是一名電工第0207章 大腕的葬禮第0266章 華夏科幻銀河獎第0152章《家有兒女》的現實版?第0220章 樣刊!一次來三。第0113章 降階相迎第0006章 滿分作文第0026章 淪陷的老師們第0120章 女主試鏡第0116章 地球往事?第0284章 提問環節第0150章 狼來了第0101章 羅馬尼亞第0011章 兼職的計算機老師第0055章 震撼第0280章 格羅滕迪克第0114章 今天天氣好晴朗,處處好風光第0218章 乾柴烈火第0141章 曼德拉效應?第0241章 用電影打造桂東市的城市名片第0089章 徹底反彈第0066章 親和數第0169章 百花凋零第0165章 咱們中出了一個學神第0082章 《流浪地球》中的bug第0096章 你想去齊大?不可以!第0047章 將在外,軍令有所不受第0187章 田立心,我記住你了第0138章 假作真時真亦假第0268章 作者福利第0030章 舍你其誰!第0235章 望音生義第0066章 親和數第0262章 局裡第0273章 出自五道口的數學家第0190章 上士忘名,中士立名,下士竊名第0071章 爲他哭,爲他笑