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函数的Dirichlet级数:
证明了弱形式的素数定理 ,这使我们看到了数论函数的部分和与它的Dirichlet级数有着奇妙的联系。事实上它们之前还有更为奇妙的联系,将上式右边写为R-S积分并用分部积分可以得到:
取 ,上式第一项变为零,从而
由Laplace逆变换,令 ,有
通过一个不太严谨的推导我们看到了这之间确实有些联系,为了进一步的探究,需要对上式进行慎重的考虑。
为了简便,采用以下记号

非实效Perron公式
抛开Laplace变换,从这样一个积分出发:对
令 ,并引入Heaviside函数,定义为
于是可以得到
不难看出左侧就是蓝色部分的Fourier变换,因为
由Fourier逆变换,可得
又有
令 ,即可得到:
令 ,上式变为
乘以一个数论函数 f ,并对n从1加到无穷,得
其中 当x为整数时等于
,而为非整数的正实数时
,为了使上式左边有意义,这里
大于级数的收敛坐标,记
因为
所以可得:
(Perron公式)对
实际上一些情况下这个公式除了美观外没有什么实际作用,正因此我才称它非实效
是使
时
收敛的实数,称为收敛坐标,除此之外还有
表示绝对收敛坐标

实效Perron公式
为了让Perron公式有实际作用,往往考虑构造围道积分,而我们所构造的围道中其余路径的积分在 的虚部很大时它的模可能会很非常非常大,因此有必要取有限的积分路径,即对足够大的参数
,考虑以下积分
引入记号
结合前文,受启发地考虑
对积分项,可以尝试留数定理,先构建包含积分路径的围道:

由留数定理,有
所以
其中 上的积分在参数
时为零:
又有
类似地
综上可得,对
而对 y=1,
再由 ,可得
接着,令 并用
乘以一个数论函数 f ,
对n从1加到无穷,移项可得
对于最后一项,根据前面的结论,
根据 ,利用大O符号可以得到:
(实效Perron公式)对 ,有
然而这个余项实在是太臃肿了,需要对它进行改进

余项的改进
第二项很好处理,对
下面着重讨论第一项,首先一个棘手的问题是分母上的对数,那我们不妨将求和区域拆一下,拆为使得 或
的部分与其余部分,这样一来在第一个部分里就有
,于是就有
考虑到在一般情况下,存在常数
因此第一个和可以算是基本解决了的,对第二个和式可以假设一个非负不减的实值函数 B,使得对任意整数n, ,则有
然后对中间求和拆开成小于 和大于
的部分,利用熟知的不等式
,可得
第一个 号是由于每个
都可以用一个大于x/2小于等于x的整数
来逼近,并且这刚好取遍大于x/2小于等于x的所有整数,类似的有
由此可得
取 ,上式第一项变为
,代入到Perron公式的余项中,可以得到以下定理:
(Improved Perron’s formula)设 B 是一个非负不减实值函数,对所有正整数n有 ,且当
时,存在正的常数 α ,使
则对 ,有
现在再将Tchbyshec psi函数代入,由 ,以及本系列上一期中提到的当
时,有
可得,对 ,
利用上式,就可以愉快的研究素数的分布了

结语
本期通过Laplace变换的启发,得到了Perron公式,从而在Dirichlet级数与它系数的部分和之间构建起了联系,由于被积函数在s的虚部从负无穷到正无穷的路径两端上的模可能会飙到非常非常大,因此选取有限的积分路径,便得到了实效的Perron公式,然而它的余项十分臃肿,所以考虑一般的情况,通过附加一些条件,将余项大大的化简了
那么本期的内容到这里也就结束了,喜欢的话不妨点个赞支持一下吧
参考
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 带余项的Perron公式 by TravorLZH