Курсовая работа: Дзета функция Римана
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
.
Мы могли бы уже применить ф