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リーマン予想とリーマンゼータ関数の自明な根 📂関数

リーマン予想とリーマンゼータ関数の自明な根

次をリーマンの関数方程式という。 ζ(s)=2sπs1sin(πs2)Γ(1s)ζ(1s) \zeta (s) = 2^{s} \pi^{s - 1} \sin \left( {{ \pi s } \over { 2 }} \right) \Gamma (1-s) \zeta (1-s)


説明

リーマンの関数方程式で、s2Zs \in 2 \mathbb{Z} なら sin(πs2)=0\displaystyle \sin \left( {{ \pi s } \over { 2 }} \right) = 0 となるから、自然にζ(s)=0\zeta (s) = 0 と思うかもしれない。しかし、s=0s = 0 の時は右辺に ζ(10)\zeta (1 - 0) が出てくるから、根も何も全く定義されなくなり、s>0s > 0 の時は

ガンマ関数の単純極複素関数としてのガンマ関数 Γ\Gamma定義域は以下の通りだ。 C(ZN)=C{0,1,2,} \mathbb{C} \setminus \left( \mathbb{Z} \setminus \mathbb{N} \right) = \mathbb{C} \setminus \left\{ 0 , -1, -2, \cdots \right\} それだけでなく、Γ\Gamma の特異点の集合 (ZN)\left( \mathbb{Z} \setminus \mathbb{N} \right)単純極の集合だ。 Γ(1z)=πΓ(z)sinπz \Gamma (1-z) = {\frac{ \pi }{ \Gamma (z) \sin \pi z }}

によれば、Γ(1s)\Gamma (1-s)単純極 1sinπs\displaystyle {\frac{ 1 }{ \sin \pi s }} がサイン項 sin(πs2)\displaystyle \sin \left( {{ \pi s } \over { 2 }} \right) をキャンセルして根にならない。だから、残った負の偶数 s2Ns \in - 2\mathbb{N} が全部ζ\zeta の根になるが、これをリーマンゼータ関数の自明な根trivial Root of Riemann zeta functionと呼ぶ。その名も有名なリーマン予想は、これら自明な根を除外した非自明な根に関する仮説だ。

導出1

リーマンのザイ関数の定義と対称性:次のように定義された関数 ξ\xi をリーマンのザイ関数という。 ξ(s):=12s(s1)πs/2ζ(s)Γ(s2) \xi (s) := {{ 1 } \over { 2 }} s ( s-1) \pi^{-s/2} \zeta (s) \Gamma \left( {{ s } \over { 2 }} \right) ξ(1s)=ξ(s) \xi ( 1 - s) = \xi (s)

対称性により πs/2Γ(s2)ζ(s)=π1/2+s/2Γ(12s2)ζ(1s) \pi^{-s/2} \Gamma \left( {{ s } \over { 2 }} \right) \zeta (s) = \pi^{-1/2 + s/2} \Gamma \left( {{ 1 } \over { 2 }} - {{ s } \over { 2 }} \right) \zeta (1-s) 両辺に πs/2\pi^{s/2} を掛けると Γ(s2)ζ(s)=π1/2+sΓ(12s2)ζ(1s) \Gamma \left( {{ s } \over { 2 }} \right) \zeta (s) = \pi^{-1/2 + s} \Gamma \left( {{ 1 } \over { 2 }} - {{ s } \over { 2 }} \right) \zeta (1-s)

オイラーの反射公式Γ(p)Γ(1p)=πsin(πp) \Gamma (p) \Gamma (1-p) = {{ \pi } \over { \sin (\pi p) }}

オイラーの反射公式で p=s/2\displaystyle p = s/2 とすると Γ(s/2)Γ(1s/2)=πsin(πs/2) \Gamma (s/2) \Gamma (1-s/2) = {{ \pi } \over { \sin (\pi s/2) }} 従って ζ(s)=π1/2+sΓ(12s2)ζ(1s)1πΓ(1s/2)sin(πs/2)=π3/2+sΓ(1s2)Γ(1s2)sin(πs2)ζ(1s)() \begin{align*} \zeta (s) =& \pi^{-1/2 + s} \Gamma \left( {{ 1 } \over { 2 }} - {{ s } \over { 2 }} \right) \zeta (1-s) {{ 1 } \over { \pi }} \Gamma (1-s/2) \sin (\pi s / 2) & \\ =& \pi^{-3/2 + s} \Gamma \left( {{ 1 - s } \over { 2 }} \right) \Gamma \left( 1 - {{ s } \over { 2 }} \right) \sin \left( {{ \pi s } \over { 2 }} \right) \zeta (1-s) & \cdots (\ast) \end{align*}

ルジャンドルの倍角公式Γ(2r)=22r1πΓ(r)Γ(12+r) \Gamma (2r) = {{2^{2r-1} } \over { \sqrt{ \pi } } } \Gamma \left( r \right) \Gamma \left( {{1} \over {2}} + r \right)

ルジャンドルの倍角公式で r=1s2\displaystyle r= {{ 1-s } \over { 2 }} とすると Γ(1s)=2sπ1/2Γ(1s2)Γ(1s2) \Gamma (1-s) = 2^{-s} \pi^{-1/2} \Gamma \left( {{ 1-s } \over { 2 }} \right) \Gamma \left( 1- {{ s } \over { 2 }} \right) 従って()(\ast) に代入すると ζ(s)=π3/2+sΓ(1s2)Γ(1s2)sin(πs2)ζ(1s)=π3/2+s2sπ+1/2Γ(1s)sin(πs2)ζ(1s)=2sπs1sin(πs2)Γ(1s)ζ(1s) \begin{align*} \zeta (s) =& \pi^{-3/2 + s} \Gamma \left( {{ 1 - s } \over { 2 }} \right) \Gamma \left( 1 - {{ s } \over { 2 }} \right) \sin \left( {{ \pi s } \over { 2 }} \right) \zeta (1-s) \\ =& \pi^{-3/2 + s} 2^{s} \pi^{+1/2} \Gamma ( 1-s) \sin \left( {{ \pi s } \over { 2 }} \right) \zeta (1-s) \\ =& 2^{s} \pi^{s-1} \sin \left( {{ \pi s } \over { 2 }} \right) \Gamma ( 1-s) \zeta (1-s) \end{align*}