Аналитическая теория чисел

Аналитическая теория чисел — раздел теории чисел, в котором свойства целых чисел исследуются методами математического анализа. Наиболее известные результаты относятся к исследованию распределения простых чисел и аддитивным проблемам Гольдбаха и Варинга.

Дзета-функция Римана ζ(s) на комплексной плоскости. Цвет точки s зависит от значения ζ(s): цвета, близкие к черному, соответствуют значениям, близким по модулю к нулю, а тон зависит от аргумента значения.

Первым шагом в этом направлении стал метод производящих функций, сформулированный Эйлером. Для определения количества целочисленных неотрицательных решений линейного уравнения вида

$a_{1}x_{1}+...+a_{n}x_{n}=N,$

где $a_{1},...,a_{n}$ — натуральные числа, Эйлер построил производящую функцию, которая определяется как произведение сходящихся рядов (при $|z|<1$)

$F_{i}(z)=\sum _{k=0}^{\infty }{(z^{a_{i}})^{k}}$

и является суммой членов геометрической прогрессии, при этом

$F(z)=\sum _{N=0}^{\infty }l(N)z^{N},$

где $l(N)$ — число решений изучаемого уравнения.

В работе над квадратичным законом взаимности Гаусс рассмотрел конечные суммы вида

$S(a)=\sum _{n=1}^{p}e^{2\pi ian^{2}/p},$

которые положили начало использованию тригонометрических сумм. Основы методов применения тригонометрических сумм к анализу уравнений в целых и простых числах были разработаны Харди, Литтлвудом и Виноградовым.

Работая над доказательством теоремы Евклида о бесконечности простых чисел, Эйлер рассмотрел произведение по всем простым числам и сформулировал тождество:

$\Pi _{p}\left(1-{\frac {1}{p^{s}}}\right)^{-1}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}$,

которое стало основанием для теорий дзета-функций. Наиболее известной и до сих пор не решённой проблемой аналитической теории чисел является доказательство гипотезы Римана о нулях дзета-функции, утверждающей, что все нетривиальные корни уравнения $\zeta (s)=0$ лежат на так называемой критической прямой $\mathrm {Re} \,s={\frac {1}{2}}$, где $\zeta$ — дзета-функция Римана.

Для доказательства теоремы о бесконечности простых чисел в общем виде Дирихле использовал произведения по всем простым числам, аналогичные эйлерову произведению, и показал, что

$\Pi _{p}\left(1-{\frac {\chi (p)}{p^{s}}}\right)^{-1}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\chi (n)}{n^{s}}}$,

при этом функция $\chi (p)$, получившая название характер Дирихле, определена так, что удовлетворяет следующим условиям: она является периодической, вполне мультипликативной и не равна тождественно нулю. Характеры и ряды Дирихле нашли применение и в других разделах математики, в частности в алгебре, топологии и теории функций.

Чебышёв показал, что число простых чисел, не превосходящих $X$, обозначенное как $\pi (X)$, стремится к бесконечности по следующему закону:

$a{\frac {X}{\ln(X)}}<\pi (X)<b{\frac {X}{\ln(X)}}$, где $a>1/2\ln 2$ и $b<2\ln 2$.

Другим направлением аналитической теории чисел является применение комплексного анализа в доказательстве теоремы о распределении простых чисел.

См. также

• Теория чисел

Литература

• Davenport, Harold (2000), Multiplicative number theory, Graduate Texts in Mathematics, vol. 74 (3rd revised ed.), New York: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-95097-6, MR 1790423
• Tenenbaum, Gérald (1995), Introduction to Analytic and Probabilistic Number Theory, Cambridge studies in advanced mathematics, vol. 46, Cambridge University Press, ISBN 0-521-41261-7
• Б.М. Широков, Петрозаводский государственный университет им. О. В. Куусинена. Аналитическая теория чисел. — Петрозаводский гос. университет им. О.В. Куусинена, 1986. — 93 с.
• А. Б. Венков, Леон Арменович Тахтаджян. Аналитическая теория чисел и теория функций. — Наука, 1979. — Т. 2. — 224 с.