形式Dirichlet級(jí)數(shù)

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積性數(shù)論中有一個(gè)十分重要的工具——Dirichlet級(jí)數(shù)(也叫Dirichlet生成函數(shù)),它通常是為以下形式:
本期并不會(huì)過深入的研究,而是只指出它的有關(guān)數(shù)論函數(shù)的一些代數(shù)性質(zhì)
取,就可以得到著名的zeta函數(shù):

Euler乘積公式
先從一個(gè)著名的乘積開始:()
該公式可以由以下更廣義的結(jié)論推出:
若是積性函數(shù)且
絕對(duì)收斂,則
?因?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=f(n)" alt="f(n)">是積性函數(shù),所以,根據(jù)算術(shù)基本定理可將每個(gè)n唯一分解為若干素?cái)?shù)的乘積,當(dāng)n遍歷所有整數(shù)時(shí),分解出的乘積素?cái)?shù)將遍歷所有素?cái)?shù),這里就簡單驗(yàn)證下:
其中
因?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=%5Csum_%7Bn%3D1%7D%5E%5Cinfty%20f(n)" alt="%5Csum_%7Bn%3D1%7D%5E%5Cinfty%20f(n)">絕對(duì)收斂,所以當(dāng)時(shí)
因此該公式成立?
特別地,若是完全積性函數(shù),則
顯然可以由幾何級(jí)數(shù)直接推出
因此在上訴公式中取可得
在上式中令,因?yàn)橛覀?cè)是發(fā)散的,所以右側(cè)也是發(fā)散的,即右側(cè)必須有無窮項(xiàng),由此便可得著名的Euclid定理——素?cái)?shù)有無窮多個(gè)

幾個(gè)有用的性質(zhì):
設(shè)是所有數(shù)論函數(shù)的集合,顯然有
令表示Dirichlet卷積,有
作代換,可得
以表示
的Mobius變換,則有

一個(gè)應(yīng)用
取mobius函數(shù),根據(jù)廣義Euler乘積公式
因此,可以得到
再根據(jù)Dirichlet級(jí)數(shù)乘積性質(zhì),就再次推出了Mobius反演公式,又有
其中是單位示性函數(shù),因此也可得1與Mobius函數(shù)的Dirichlet關(guān)系
再從zeta函數(shù)出發(fā),對(duì)它取一階導(dǎo)數(shù),可得
進(jìn)一步,若取k階導(dǎo)數(shù),有
對(duì)zeta函數(shù)的Euler乘積取對(duì)數(shù)
再取導(dǎo)數(shù),得到
這里以
表示
注意到此和式實(shí)際上就是遍歷所有素?cái)?shù)的乘方,因此可以利用Von mangoldt函數(shù)將它改寫為
由此及乘積性質(zhì)可以建立Von?mangoldt函數(shù)與自然對(duì)數(shù)間的Mobius變換關(guān)系

Selberg等式
關(guān)于該等式,利用Dirichlet級(jí)數(shù)可以給出一個(gè)十分簡潔的證明,有
對(duì)它取個(gè)導(dǎo)數(shù)吧
而又有

雜燴
不妨試試把一些數(shù)論函數(shù)揉進(jìn)Dirichlet級(jí)數(shù)里:
(以下表示n的不同素因子個(gè)數(shù),
表示所有素因子個(gè)數(shù),
)
由于
,因此
更進(jìn)一步,根據(jù)Dirichlet卷積的另一種定義,有
右式可以看做將n分解為k個(gè)數(shù)相乘的方法種數(shù),
設(shè)
還用另一種方式推廣:設(shè)
根據(jù)Mobius函數(shù)的性質(zhì),Euler函數(shù)
因此,其Dirichlet生成函數(shù)為:
再由zeta函數(shù)在偶數(shù)處的值,我們得到一個(gè)形式上的zeta函數(shù)在奇數(shù)處的公式:
這個(gè)公式并不能用來計(jì)算在奇數(shù)處的值,也就是說它其實(shí)沒啥鳥用(
因Mobius函數(shù)僅在n無平方因子時(shí)不為零且絕對(duì)值都是1,因此取它的絕對(duì)值或平方即可表示對(duì)無平方因子整數(shù)的示性函數(shù)
Mobius函數(shù)是積性的,因此其平方也是積性,將它揉進(jìn)Dirichlet級(jí)數(shù)里并利用Euler乘積:
引入Liouville函數(shù)
于是Liouville函數(shù)是完全積性的,因此利用Euler乘積,
于是如法炮制地得到
因此Liouville函數(shù)與Mobius函數(shù)的平方是互為Dirichlet逆的
注意到該和式只有正整數(shù)的平方參與,因此可以設(shè)
則在其絕對(duì)收斂的情況下,
由omega函數(shù)的定義可知
其中
為素?cái)?shù)的示性函數(shù)

本期內(nèi)容氵到這就差不多結(jié)束了