黎曼猜想理解

  2018年9月,菲尔茨奖和阿贝尔奖双奖得主阿蒂亚爵士宣称自己证明了黎曼猜想,不过遗憾后来没有被认同。2022年11月,张益唐教授宣称解决了广义黎曼猜想的狄利克雷L函数出发引申出朗道-西格尔零点猜想。这两次事件都引发了人们对黎曼猜想的热情。看了卢昌海的《黎曼猜想漫谈-一场攀登数学高峰的天才盛宴》这本科普书,做了一个认真的梳理。黎曼猜想到底说的是什么?有几种类型,等等,这些都不那么容易理解。黎曼猜想和素数分布之间,存在着深刻的联系。最不可思议的是,居然和量子系统中轨道能级存在一对一的关系。当然在研究过程中创造了新工具新方法,而且1000多条定理,都是建立在黎曼猜想成立的前提之下,所以真的是有必要认真了解。

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  然后对黎曼猜想用大白话做一个简单介绍。ζ(s)=\sum_{n=1}^{∞} \frac{1}{n^s},当 s=1时,是调和级数,是发散的,当s=2时,欧拉证明了其和为\frac{π^2}6。事实上,当s>1时,ζ(s)都是收敛的。ζ(s)=0 有解吗?遗憾,当s>1时,没有根。
  于是,爱折腾的数学家门就想办法把泽塔函数ζ(s)的定义域扩大,可是必须要保证ζ(s)收敛前提下才有可能。于是,把s由实数扩展到复数,有三个条件 1)保证s>1时,函数表达式与①式一样。2)在新的定义域中,即s≤1区域,每一个点都是可以无穷可导的,也称为可解析的,至多有有限个奇点不能满足这个条件。 3)新的函数是唯一的。满足这三个条件的变换就是解析延拓。这个函数可以通过围道积分得到,于是就有了②式。
  对于②式,黎曼ζ函数ζ(s)=0就有解了,根(也叫零点)分为两个部分,一个平凡零点,当 s=-2n(n∈N)时。另外一部分是非平凡零点。
  黎曼猜想断言:解析延拓后的黎曼ζ(s)函数,其所有非平凡零点的实部都是 1/2,也就是说非平凡零点都有如下形式: ρ= \frac12+it,(i为虚数单位,t为实数),非平凡零点全部在在复平面上 s=\frac12的一条直线(临界线)上。
  如果对黎曼ζ函数选取的条件更宽泛,但是保持三个条件,1)结论可以推导出普通黎曼猜想。2)非平凡零点的实部都是 1/2 。3)和素数的分布有某种联系,那么还可以扩展为广义黎曼猜想、扩展黎曼猜想、大黎曼猜想!他们依据的函数不同,但是黎曼ζ函数都是这些函数的一个特例。

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