Prime dream(6)——Perron公式

本系列文集《Prime dream》
引言
本系列的上一期中利用了Mangoldt函數(shù)的Dirichlet級數(shù):
證明了弱形式的素數(shù)定理? ,這使我們看到了數(shù)論函數(shù)的部分和與它的Dirichlet級數(shù)有著奇妙的聯(lián)系。事實上它們之前還有更為奇妙的聯(lián)系,將上式右邊寫為R-S積分并用分部積分可以得到:
取??,上式第一項變?yōu)榱?,從?/p>
由Laplace逆變換,令?,有
通過一個不太嚴(yán)謹(jǐn)的推導(dǎo)我們看到了這之間確實有些聯(lián)系,為了進(jìn)一步的探究,需要對上式進(jìn)行慎重的考慮。
為了簡便,采用以下記號

非實效Perron公式
拋開Laplace變換,從這樣一個積分出發(fā):對?
令??,并引入Heaviside函數(shù),定義為
于是可以得到
不難看出左側(cè)就是藍(lán)色部分的Fourier變換,因為
由Fourier逆變換,可得
又有
令??,即可得到:
令? ,上式變?yōu)?/p>
乘以一個數(shù)論函數(shù) f ,并對n從1加到無窮,得
其中? 當(dāng)x為整數(shù)時等于?
,而為非整數(shù)的正實數(shù)時?
,為了使上式左邊有意義,這里?
?大于級數(shù)的收斂坐標(biāo),記
因為
所以可得:
(Perron公式)對?
實際上一些情況下這個公式除了美觀外沒有什么實際作用,正因此我才稱它非實效
?是使?
?時?
?收斂的實數(shù),稱為收斂坐標(biāo),除此之外還有?
?表示絕對收斂坐標(biāo)

實效Perron公式
為了讓Perron公式有實際作用,往往考慮構(gòu)造圍道積分,而我們所構(gòu)造的圍道中其余路徑的積分在??的虛部很大時它的??赡軙芊浅7浅4螅虼擞斜匾∮邢薜姆e分路徑,即對足夠大的參數(shù)
,考慮以下積分
引入記號
結(jié)合前文,受啟發(fā)地考慮
對積分項,可以嘗試留數(shù)定理,先構(gòu)建包含積分路徑的圍道:

由留數(shù)定理,有
所以
其中??上的積分在參數(shù)?
?時為零:
又有
類似地
綜上可得,對?
而對 y=1,
再由??,可得
接著,令??并用?
?乘以一個數(shù)論函數(shù) f ,
對n從1加到無窮,移項可得
對于最后一項,根據(jù)前面的結(jié)論,
根據(jù)??,利用大O符號可以得到:
(實效Perron公式)對??,有
然而這個余項實在是太臃腫了,需要對它進(jìn)行改進(jìn)

余項的改進(jìn)
第二項很好處理,對??
下面著重討論第一項,首先一個棘手的問題是分母上的對數(shù),那我們不妨將求和區(qū)域拆一下,拆為使得??或
?的部分與其余部分,這樣一來在第一個部分里就有?
?,于是就有
考慮到在一般情況下,存在常數(shù)?
因此第一個和可以算是基本解決了的,對第二個和式可以假設(shè)一個非負(fù)不減的實值函數(shù) B,使得對任意整數(shù)n, ,則有
然后對中間求和拆開成小于??和大于?
的部分,利用熟知的不等式?
?,可得
第一個? 號是由于每個?
?都可以用一個大于x/2小于等于x的整數(shù)?
?來逼近,并且這剛好取遍大于x/2小于等于x的所有整數(shù),類似的有
由此可得
取??,上式第一項變?yōu)?
,代入到Perron公式的余項中,可以得到以下定理:
(Improved Perron’s formula)設(shè) B 是一個非負(fù)不減實值函數(shù),對所有正整數(shù)n有? ,且當(dāng)?
?時,存在正的常數(shù)?α?,使
?
則對? ,有
現(xiàn)在再將Tchbyshec?psi函數(shù)代入,由? ,以及本系列上一期中提到的當(dāng)?
?時,有
可得,對??,
利用上式,就可以愉快的研究素數(shù)的分布了

結(jié)語
本期通過Laplace變換的啟發(fā),得到了Perron公式,從而在Dirichlet級數(shù)與它系數(shù)的部分和之間構(gòu)建起了聯(lián)系,由于被積函數(shù)在s的虛部從負(fù)無窮到正無窮的路徑兩端上的??赡軙j到非常非常大,因此選取有限的積分路徑,便得到了實效的Perron公式,然而它的余項十分臃腫,所以考慮一般的情況,通過附加一些條件,將余項大大的化簡了
那么本期的內(nèi)容到這里也就結(jié)束了,喜歡的話不妨點(diǎn)個贊支持一下吧
參考
Summation formulae. In INTRODUCTION TO ANALYTIC AND PROBABILISTIC NUMBER THEORY (pp. 130-138).by?Tenenbaum, G
Oсновы Аналитичекой Теории Ннсел, Наука, 1975. by Kapaчyба, A. A.
https://zhuanlan.zhihu.com/p/355438064?帶余項的Perron公式?by?TravorLZH