Prime Dream(5)——素?cái)?shù)定理

本系列文集:《Prime Dream》

引言
本系列的第二期得到了以下等式:
本期將會(huì)運(yùn)用偏分析的方法證明上式的極限為1,也就是素?cái)?shù)定理,既然是偏分析的方法,上一期的知識(shí)還是得必備的:

當(dāng)然證明了這個(gè)定理只是本系列的一個(gè)開(kāi)胃小菜(笑),不出意外的話本系列還會(huì)有十幾期呢
在素?cái)?shù)定理的證明中需要引入一個(gè)我們都十分熟悉并且非常重要的函數(shù):
證明方法來(lái)自華羅庚的《數(shù)論導(dǎo)引》,不過(guò)這本書里面的證明雖然也是通過(guò)Fourier分析的方法,但是并沒(méi)有提到過(guò)Fourier幾個(gè)字,以至于可能有很多初學(xué)者看的云里霧里的,這里? ? 將里面的證明方法改進(jìn)了一下

Ikehara定理
這里將會(huì)用上一節(jié)的Fejér定理來(lái)證明該定理,在此之前需要證明一個(gè)引理:
(引理)設(shè)??是非負(fù)的分段連續(xù)函數(shù),且對(duì)任意?
,積分
收斂,則
證??因?yàn)?g 非負(fù),所以對(duì)任意?
故
又因?yàn)閷?duì)?,
所以可得
令??便可得引理
(定理)設(shè)??是有界變差函數(shù),且?
,其Laplace變換
在??時(shí)收斂,若?
?可以解析延拓至?
,則
證? 令?,因?yàn)?/p>
所以
為了方便,記
為了聯(lián)系上一章的定理,不妨考慮以下積分
其中??是積分Fejér核除以2π的結(jié)果(見(jiàn)上一期),
,有
根據(jù)Riemann-Lebesgue引理,可得
因?yàn)镚可以延拓至?,所以上式當(dāng)??
?也成立,而根據(jù)引理,有
因此得到對(duì)任意?,都有
顯然??有界,又當(dāng)?
?時(shí)
因f是有界變差,故上式第一項(xiàng)在時(shí)趨于零,而第二項(xiàng)
因此當(dāng)
時(shí)是一致連續(xù)的,根據(jù)Fejér定理,當(dāng)
時(shí)有
于是定理得證.

zeta函數(shù)的非零區(qū)域?%5Cge1)
根據(jù)zeta函數(shù)的Euler乘積,
可以推出以下等式:
利用Riemann-Stieltjes積分,可將上式寫為
其中? 是我們熟悉的Tchebyshev?psi函數(shù),在右積分中令?
?并利用分部積分,得
根據(jù)熟知的估計(jì)??,可得對(duì)?
?,有
左側(cè)分子顯然解析,為了讓它整個(gè)都解析,只需讓分母不為零,即我們會(huì)探究的零點(diǎn),由其Euler乘積我們可以很輕易的得到一個(gè)非零區(qū)域?
,為了使用Ikehara定理,需要將它解析延拓并驗(yàn)證其在?
?時(shí)非零,而?
? 上的解析延拓其實(shí)在我的以前的某期專欄已經(jīng)完成了,所以直接驗(yàn)證它非零吧。首先有
由此可得
根據(jù)不等式?,有
假設(shè)??,則有
再由解析延拓可以推得
又有熟知的估計(jì)??,那么便得到了
這是不可能的,綜上可得??時(shí)?
?非零

素?cái)?shù)定理
考慮函數(shù)
根據(jù)Riemann-Stieltjes積分及其分部積分公式,可得
也就是
由此可知,它在??都是解析的,對(duì)它的原始定義求導(dǎo)得
綜上,便有
令? ,則有
由Zeta函數(shù)在??無(wú)零點(diǎn)可知上式右邊第二項(xiàng)對(duì)?
?均解析,由此可取
便有
所以它滿足Ikehara定理的使用條件,所以得到
令??便可得
這也就是說(shuō)
即大名鼎鼎的素?cái)?shù)定理

結(jié)語(yǔ)
本期是緊接上一期的Fejér定理,用它證明了Ikehara定理,之后確定了Riemann zeta函數(shù)的非零區(qū)域,并以此的到了弱形式的素?cái)?shù)定理,今后的專欄會(huì)暫時(shí)圍繞素?cái)?shù)定理的余項(xiàng)展開(kāi),也就是確定
中的函數(shù)??。對(duì)它們的探究自然是與Riemann zeta函數(shù)脫不了關(guān)系,因此之后會(huì)專門寫幾期關(guān)于zeta函數(shù)的專欄
參考
數(shù)論導(dǎo)引?by?華羅庚
https://www.bilibili.com/read/cv15117474?素?cái)?shù)定理的推論