zeta ζ 函數(shù)函數(shù)方程的簡單證明
本文基本上就是[這篇論文] (M Knopp?2001, "EASY PROOFS OF RIEMANN’S FUNCTIONAL EQUATION FOR ζ(s) AND OF LIPSCHITZ SUMMATION") 的翻譯和重新排列.? 這個證明的好處就是不需要 ζ 的積分形式,? 只使用原本的無限求和形式就可以證明.
由于接下來會大量使用無限求和,? 所以這里聲明一下:???表示 n 取全體整數(shù),?
?表示 n 取非零整數(shù),??
?表示 n 取大于等于 0 的整數(shù).
另外再重溫一下:? Reimann ζ 原本定義為??,? 并且 Reimann 給出其函數(shù)方程??
.

這里引入一個?Reimann ζ 的拓展版本:??Hurwitz ζ,? 它的定義為
可以看出,? 當 a = 1 時,? Hurwitz ζ 變?yōu)?Reimann ζ??.? 另外再引入一個 "周期 ζ 函數(shù)" 定義為
并且由指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)可以知道,? 當 a 為整數(shù)時,? 周期 ζ 也會變?yōu)?Reimann ζ:?.
那么 Hurwitz ζ 在 Re(s) > 1 以及 0 < a ≤ 1 時有函數(shù)方程
當 a = 1 時,? Hurwitz 函數(shù)方程就變?yōu)?Reimann 函數(shù)方程
使用 1-s 替換 s 就可以變?yōu)槲恼麻_頭給出那種形式的 Reimann 函數(shù)方程.

這部分引入并證明一個非常有用的工具,? Poisson 求和
其中 ,????為 y?的 Fourier?變換:??
.
證明:??定義一個周期為 1 的函數(shù) γ,? 并定義?γ? 為它的 Fourier 級數(shù)
由 Fourier 級數(shù)的定義有
交換積分求和順序,? 然后使用 t-n 替換積分變量 t 得
那么有
其中 δ 是 Dirac δ 函數(shù),? 并且?δ?(f) = 1.? 然后有
因為求和是全體整數(shù),? 所以使用 -m 替換 m 不會改變結(jié)果,? 得

定理 1:? 在 Re(s) > 1,? 0 ≤ a < 1 和 Re(τ) > 0?時有
證明:? 定義函數(shù) y
那么根據(jù) Poisson 求和有
使用??替換積分變量 t 有
此時積分式實際上是 Γ 函數(shù)的定義

引理 1:? 在 Re(s) < 0 和 0 ≤ a < 1 時有
證明:? 當 τ →?0+ 時,? 上式左邊為?,??這與直接由定義表示的?ζ(1-s, 1-a) 是一致的,? 那么只需證明其收斂性
記 Re(s) = σ

引理 2:? 在 Re(s) > -1,? 0 ≤ a < 1?和 τ > 0?時,? 式子
收斂,? 并且當 ?時恒等于 0.
證明:? 應用廣義二項式定理???有
即
由于組合數(shù)為 ,? 所以?
,? 不難知道當 k ≥ 1 和 |s| ≥ 1?時有?|(s+1)/k?-?1| ≤ |s|,? 此時
;? 當?k ≥ 1 和 |s| < 1 有?|(s+1)/k?-?1| < 1,? 因為小于 1 的數(shù)相乘總是小于 1,? 所以此時有
,? 結(jié)合兩個區(qū)域的結(jié)論可以得出:
.? 那么
應用等比數(shù)列的無限和?,? 并且假設
,? 即
,? 即有
那么
當 τ→0+ 時,? 上式為 0.

定理 2:? 在?0?≤ a < 1 時
可以解析延拓至 Re(s) > -1,? 并且在 -1 < Re(s) < 0 時?Hurwitz 函數(shù)方程成立.
證明:? 因為當 m = 0 時有?,? 所以對于 Re(τ) > 0有
對上式第一個求和應用定理 1,? 并且右邊兩個求和都可以使用周期 ζ 表示??,??-1 = exp(πi),? 得
根據(jù)引理 2,? ?定義在 Re(s) > -1 上;?
?定義在除了 s = 0 的整個復平面上;?
?對于 s 定義整個復平面上,? 那么剩下與周期 ζ 相關的部分也可以在 Re(s) > -1, s ≠ 0?上定義.
當取 τ → 0+,? 根據(jù)引理 2?,? 以及?
,? 并應用引理 1,? 在 -1 < Re(s) < 0 時有
并且?-i = exp(-πi/2),? 使用 1-a 替換 a 得到
因為 exp 的周期為 2πi,? 所以周期 ζ 對于 a 的周期為 1,? 那么得到 Hurwitz 函數(shù)方程:

原論文里還剩下有幾個推論,? 下面展示一下就摸了:
1.??
2.? 對于 0 < a ≤ 1,? Hurwitz ζ 在除了 s = 1 的整個復平面上全純,? 并且在 s = 1 有一階極點.? (通過 Hurwitz 函數(shù)方程可得)
3.? 對于在整個復平面上的 s 有
(也是通過 Hurwitz 函數(shù)方程)
4.? 對于非整數(shù) a,? 周期 ζ 對于 s 是整函數(shù).

個人來說感覺這個證明還有不完整的地方,? 比如?,? 在定理 2 的證明里說這個東西關于 s 定義在整個復平面上,? 對于這個問題,? 通過畫圖試驗了一些數(shù)字是成立的,? 但畢竟不是嚴格證明,? 雖然可能證明這個東西的收斂性應該也不能,? 但是摸了.
另外還有定理 1 里使用復數(shù)替換積分變量這一步 (積分遇到復數(shù)要小心),? 下面說明成立的原因:? 首先因為使用了 Poisson 求和,??所以??也是一個 L1 函數(shù),? 那么對這個函數(shù)沿著以下路徑的積分等于 0,? 其中紅色路徑是半徑為 r 的圓弧,

當 r → ∞ 時,? 因為 Re(s) > 1 和 Re(τ) > 0,? 被積函數(shù)等于 0,? 這時紅色路徑對積分的貢獻為 0,? 也就是 (從 0 開始沿著藍色路徑的積分) 等于 (從 0 開始沿著綠色路徑的積分),? 所以這時替換變量成立.