Prime dream(7)——Riemann Zeta's解析延拓与函数方程

本系列文集《Prime dream》
引言
接着上一期,由Perron公式,可以得到Tchebyshev psi函数的一个渐进式:
其中 ,以及
是足够大的参数,对于主项的积分,我们的想法是利用好被积函数在
处的极点,通过留数定理解决,然而这需要构造一个包围这个极点的围道,但由于被积函数
的右式仅仅在 时收敛,因此不能直接将上式代入围道积分中,那不妨考虑将它的定义域扩大,即将它解析延拓后再代到积分中,而对它的解析延拓可以直接从
入手,通过取对数导数便可达到目的。
往期专栏中,我们已经知道 -函数可以解析延拓到平面
上,本期的内容是将它解析延拓至平面
上。

一个函数
首先让我们引入一个函数:
令 ,则
再令 为
Fourier变换,并根据Poisson求和公式,便有
接下来就是要解决 了:
为了解决最后的积分,不妨试试构造一个积分围道:

根据Cauchy定理,被积函数在该围道上的积分等于零,即
其中,r_1上的积分在时为零:
同理r_2上的积分也为零,于是可得
由此便可得:
代入到 中,即可得

函数方程
将它乘以 ,可以得到
接着对n从1到无穷求和,上式就变成了
记括号内的小东西为 ,下面的任务就是解决它了。我们来通过一些手段让求和域变为负无穷到正无穷,
而根据前述,有
这也就是说
稍作变换,即可得
接着回到前文的积分中
将积分拆开并利用倒代换,可得
亦即
不难发现此时将s替换为1-s右式是不变的,所以我们得到以下函数方程:
因为右式可以取 的所有值,所有右式同样可以取到对应的
的所有值,再加上这个式子是解析的,于是就得到了zeta函数在
的解析延拓,再结合往期得到的在
上的解析延拓,根据其唯一性可知以上等式对所有
都成立,

零点
根据函数方程,并通过观察发现 是左式中
的单极点,这时候右式却是解析的,这说明此时左式中
,亦即
是
-函数的一重零点;
此外还有一个 的单极点
,但这时它也是右侧中
的单极点,而其它部分均解析,从而得知
。
这些零点在研究素数分布中并不会发挥太多作用,因此将它们称为平凡零点,与之相对的当然还有分布得有些许杂乱的非平凡零点,结合 -函数的非零区域
以及函数方程,
-函数的所有非平凡零点都位于
的带型区域中。
所有的平凡零点都来自于 的极点,所以左侧的乘积其实是只以
-函数的非平凡零点为零点的函数,但这还不够,它还有
这两个单极点,这好解决,只需要将它乘以
即可得到完全
-函数,即Riemann's
-函数
它是复平面上的解析函数,且满足 ,其零点就是
-函数的非平凡零点,有
习惯我们用 表示Riemann
-函数的非平凡零点,并记
这里的和号会算上零点的重数,又由于 ,所以它的非平凡零点是关于
对称的,引入
-函数:
这可以说明 没有实零点,由此可得
在之后将会给出当 时它是发散的,即说明
有无穷多个非平凡零点

结语
在传统的解析数论中,Riemann -函数有着举足轻重的地位,然鹅正如本期专栏的引言,在某些情况下,定义在平面
上的Riemann
-函数用起来极为不便,所以自然就会想到将它替换为解析延拓后的
-函数,使它的定义域“变大”,这时候我们便可以将某些问题挪到
的区域上考虑,
最后再来给大家整个活
在函数方程中代入 ,根据
,可得
,然后根据
可得以下等式