Prime dream(7)——Riemann Zeta's解析延拓與函數方程

本系列文集《Prime dream》
引言
接著上一期,由Perron公式,可以得到Tchebyshev?psi函數的一個漸進式:
其中? ,以及?
?是足夠大的參數,對于主項的積分,我們的想法是利用好被積函數在?
?處的極點,通過留數定理解決,然而這需要構造一個包圍這個極點的圍道,但由于被積函數
的右式僅僅在??時收斂,因此不能直接將上式代入圍道積分中,那不妨考慮將它的定義域擴大,即將它解析延拓后再代到積分中,而對它的解析延拓可以直接從?
?入手,通過取對數導數便可達到目的。
往期專欄中,我們已經知道?-函數可以解析延拓到平面?
?上,本期的內容是將它解析延拓至平面?
?上。

一個函數
首先讓我們引入一個函數:
令??,則
??
再令??為?
?Fourier變換,并根據Poisson求和公式,便有
接下來就是要解決??了:
為了解決最后的積分,不妨試試構造一個積分圍道:

根據Cauchy定理,被積函數在該圍道上的積分等于零,即
其中,r_1上的積分在時為零:
同理r_2上的積分也為零,于是可得
由此便可得:
代入到??中,即可得

函數方程
將它乘以??,可以得到
接著對n從1到無窮求和,上式就變成了
記括號內的小東西為??,下面的任務就是解決它了。我們來通過一些手段讓求和域變?yōu)樨摕o窮到正無窮,
而根據前述,有
這也就是說
稍作變換,即可得
接著回到前文的積分中
將積分拆開并利用倒代換,可得
亦即
不難發(fā)現(xiàn)此時將s替換為1-s右式是不變的,所以我們得到以下函數方程:
因為右式可以取??的所有值,所有右式同樣可以取到對應的?
?的所有值,再加上這個式子是解析的,于是就得到了zeta函數在?
?的解析延拓,再結合往期得到的在?
?上的解析延拓,根據其唯一性可知以上等式對所有?
?都成立,

零點
根據函數方程,并通過觀察發(fā)現(xiàn)???是左式中?
?的單極點,這時候右式卻是解析的,這說明此時左式中?
?,亦即?
?是?
-函數的一重零點;
此外還有一個??的單極點
,但這時它也是右側中
?的單極點,而其它部分均解析,從而得知?
。
這些零點在研究素數分布中并不會發(fā)揮太多作用,因此將它們稱為平凡零點,與之相對的當然還有分布得有些許雜亂的非平凡零點,結合?-函數的非零區(qū)域?
?以及函數方程,?
-函數的所有非平凡零點都位于?
?的帶型區(qū)域中。
所有的平凡零點都來自于??的極點,所以左側的乘積其實是只以?
-函數的非平凡零點為零點的函數,但這還不夠,它還有?
?這兩個單極點,這好解決,只需要將它乘以?
?即可得到完全?
-函數,即Riemann's?
-函數
它是復平面上的解析函數,且滿足??,其零點就是?
-函數的非平凡零點,有?
習慣我們用??表示Riemann?
-函數的非平凡零點,并記
這里的和號會算上零點的重數,又由于??,所以它的非平凡零點是關于?
?對稱的,引入?
-函數:
這可以說明??沒有實零點,由此可得
在之后將會給出當 ?時它是發(fā)散的,即說明?
?有無窮多個非平凡零點

結語
在傳統(tǒng)的解析數論中,Riemann?-函數有著舉足輕重的地位,然鵝正如本期專欄的引言,在某些情況下,定義在平面?
?上的Riemann?
-函數用起來極為不便,所以自然就會想到將它替換為解析延拓后的?
-函數,使它的定義域“變大”,這時候我們便可以將某些問題挪到?
?的區(qū)域上考慮,
最后再來給大家整個活
在函數方程中代入??,根據
,可得?
?,然后根據?
可得以下等式