Открыть главное меню

Гипотеза Римана

Гипо́теза Ри́мана — сформулированная немецким математиком Бернхардом Риманом в 1859 году[⇨] математическая гипотеза о том, что дзета-функция Ри́мана (введённая Эйлером в 1737 году) принимает нулевые значения только в отрицательных чётных целых числах: (где эти простые нули называются «тривиальными» нулями дзета-функции), и комплексных числах с вещественной частью нетривиальные» нули дзета-функции Римана)[⇨]. Гипотеза Римана касается расположения этих нетривиальных нулей и утверждает, что[⇨]:

Задачи тысячелетия
Равенство классов P и NP
Гипотеза Ходжа
Гипотеза Пуанкаре (решена)
Гипотеза Римана
Решение уравнений
квантовой теории
Янга — Миллса
Существование и гладкость 
решений уравнений
Навье — Стокса
Гипотеза
Бёрча — Свиннертон-Дайера

Все нетривиальные нули дзета-функции имеют вещественную часть, равную .

Таким образом, если гипотеза верна, все нетривиальные нули дзета-функции Римана (число которых бесконечно) лежат на критической прямой , состоящей из комплексных чисел , где действительное число, а мнимая единица.

Особое значение гипотезы Римана для чистой (теория чисел) и применимой (криптография) математики состоит в (предположительной) взаимосвязи рисунка распределения на критической прямой нетривиальных нулей дзета-функции Римана с асимптотикой распределения простых чисел. Хотя не было найдено какой-либо закономерности в распределении простых чисел среди натуральных, Риман обнаружил, что количество простых чисел, не превосходящих , — функция распределения простых чисел — выражается через распределение нетривиальных нулей дзета-функции. Гипотеза стала основой для дальнейшего доказательства Адамаром и Валле-Пуссеном (1896) теоремы о распределении простых чисел[⇨].

Также были выдвинуты гипотезы о возможной связи статистических свойств нетривиальных нулей дзета-функции Римана (а значит — и простых чисел) с явлениями квантовой физики, в частности — с квантовым хаосом[⇨].

Гипотеза Римана часто рассматривается в качестве важнейшей нерешённой математической проблемы[1]. Сама гипотеза, в совокупности с гипотезой Гольдбаха, составляют восьмую проблему Гильберта — одну из немногих недоказанных по состоянию на 2019 год проблем Гильберта. Также гипотеза Римана — единственная из проблем Гильберта, включённая (2000) в список семи «Задач тысячелетия», за решение каждой из которых Математическим институтом Клэя обещана награда в один миллион долларов США.

Существует ряд математических проблем, доказанных в предположении верности гипотезы Римана, где её доказательство или опровержение будет иметь далеко идущие последствия для теории чисел, особенно в области распределения простых чисел.

На 2004 год численными методами было подтверждено, что более 1013 (десяти триллионов) первых нетривиальных нулей дзета-функции Римана удовлетворяют этой гипотезе[⇨].

ФормулировкаПравить

 
Действительная (красная) и мнимая (синяя) компоненты дзета-функции

Дзета-функция Римана   определена для всех комплексных   и имеет нули в отрицательных чётных, то есть  , такие нули называются тривиальными.

Из функционального уравнения   и явного выражения   при  , где   — функция Мёбиуса, следует, что все остальные нули (называемые «нетривиальными»), расположены в полосе   симметрично относительно так называемой «критической линии»  .

Гипотеза РиманаПравить

Гипотеза Римана утверждает, что:

«Все нетривиальные нули дзета-функции имеют вещественную (действительную) часть, равную  »,

то есть являются комплексными числами, расположенными на прямой  .

Обобщённая гипотеза РиманаПравить

Обобщённая гипотеза Римана - аналог гипотезы Римана для обобщений дзета-функций, называемых L-функциями Дирихле.

Эквивалентные формулировкиПравить

Риманом была изложена эквивалентная формулировка, гласящая, что все корни кси-функции Римана (англ.) ξ(s) вещественны.

В 1901 году Хельге фон Кох показал, что гипотеза Римана эквивалентна следующему утверждению о распределении простых чисел:

  при  

Ещё несколько эквививалентных формулировок:

  • Для всех   выполняется неравенство  
  • Для всех   выполняется неравенство   где ψ(x) — вторая функция Чебышёва,
  • Для всех   выполняется неравенство   где   — сумма делителей числа  , а   — постоянная Эйлера-Маскерони. Неравенство нарушается при n = 5040 и некоторых меньших значениях (всего 27 исключений), но Гай Робин в 1984 году показал, что оно соблюдается для всех бóльших целых, тогда и только тогда, когда гипотеза Римана верна, и что последовательность исключений из условия теоремы Робина бесконечно много, если гипотеза Римана неверна. Известно также, что наименьшее из таких чисел-исключений n ≥ 5041 должно быть сверхизбыточным числом[en][2].
  • Для всех   выполняется неравенство   где   —  гармоническое число[3].
  • Для любого положительного   выполняется неравенство  , где   — функция Мертенса, см. также обозначение O большое. Более сильная гипотеза   была опровергнута в 1985 году[4].
  • Гипотеза Римана эквивалентна следующему равенству:  .
  • Показано, что гипотеза Римана истинна тогда и только тогда, когда интегральное уравнение
 

не имеет нетривиальных решений   для  .

ИсторияПравить

В 1859 году Бернхард Риман опубликовал работу «О числе простых чисел, не превышающих данной величины» (англ.)[5]. В рамках предположения о верности гипотезы Риман писал:

 ... И в самом деле, в указанных пределах содержится, примерно, столько действительных корней; представляется весьма вероятным, что и все корни являются действительными. Во всяком случае было бы желательно найти строгое доказательство этого предложения; после нескольких напрасных, не очень настойчивых попыток разыскать таковое, я временно от них отказался, так как для ближайшей цели моего исследования в этом не представлялось надобности. 

В 1896 году Адамар и Валле-Пуссен независимо доказали, что нули дзета-функции не могут лежать на прямых   и  .

В 1900 году Давид Гильберт включил гипотезу Римана в список 23 нерешённых проблем как часть восьмой проблемы, совместно с гипотезой Гольдбаха.

В 1914 году Харди доказал, что на критической линии находится бесконечно много нулей, а позже совместно с Литлвудом дал нижнюю оценку доли нулей, лежащей на критической линии, которую потом улучшали разные математики.

Некоторые нетривиальные нули располагаются экстремально близко друг к другу. Это свойство известно как «явление Лемера»[6].

Титчмарш и Ворос в 1987 году показали, что дзета-функция может быть разложена в произведение через свои нетривиальные нули в разложение Адамара.

Соображения об истинности гипотезыПравить

В обзорных работах (Bombieri, 2000, Conrey, 2003, Sarnak, 2008) отмечается, что данные в пользу истинности гипотезы Римана сильны, но оставляют место для обоснованных сомнений. Отдельные авторы, однако, убеждены в ложности гипотезы (в частности, так считал Джон Литлвуд).

Среди данных, позволяющих предполагать истинность гипотезы, можно выделить успешное доказательство сходных гипотез (в частности, гипотезы Римана о многообразиях над конечными полями[7]). Это наиболее сильный теоретический довод, позволяющий предположить, что условие Римана выполняется для всех дзета-функций, связанных с автоморфными отображениями (англ.), что включает классическую гипотезу Римана. Истинность аналогичной гипотезы уже доказана[8] для дзета-функции Сельберга (англ.), в некоторых отношениях сходной с функцией Римана, и для дзета-функции Госса (англ.) (аналог дзета-функции Римана для функциональных полей).

С другой стороны, некоторые из дзета-функций Эпштейна (англ.) не удовлетворяют условию Римана, хотя они имеют бесконечное число нулей на критической линии. Однако эти функции не выражаются через ряды Эйлера и не связаны напрямую с автоморфными отображениями.

К «практическим» доводам в пользу истинности Римановской гипотезы относится вычислительная проверка большого числа нетривиальных нулей дзета-функции в рамках проекта ZetaGrid[en]. На 2004 году численными методами было проверено, что более 1013 (более десяти триллионов) первых нетривиальных нулей дзета-функции Римана удовлетворяют этой гипотезе[9][10].

Связанные проблемыПравить

Две гипотезы Харди-ЛиттлвудаПравить

В 1914 году Годфри Харольд Харди доказал[11], что функция   имеет бесконечно много вещественных нулей.

Пусть   есть количество вещественных нулей, а   количество нулей нечётного порядка функции  , лежащих на интервале  .

Две гипотезы Харди и Литлвуда[12] (о расстоянии между вещественными нулями   и о плотности нулей   на интервалах   при достаточно большом  ,   и как можно меньшем значении  , где   сколь угодно малое число), определили два направления в исследовании дзета-функции Римана:

  1. Для любого   существует  , такое что при   и   интервал   содержит нуль нечётного порядка функции  .
  2. Для любого   существуют такие   и  , что при   и   справедливо неравенство  .

Гипотеза А. СельбергаПравить

В 1942 году Атле Сельберг исследовал проблему Харди-Литтлвуда 2 и доказал, что для любого   существуют   и  , такие, что для   и   справедливо неравенство  .

Сельберг высказал гипотезу[13], что можно уменьшить показатель степени   для величины  .

В 1984 году А. А. Карацуба доказал[14][15][16], что при фиксированном   с условием  , достаточно большом   и  ,   промежуток   содержит не менее   вещественных нулей дзета-функции Римана  . Тем самым он подтвердил гипотезу Сельберга.

Оценки Сельберга и Карацубы являются неулучшаемыми по порядку роста при  .

В 1992 году Карацуба доказал[17], что аналог гипотезы Сельберга справедлив для «почти всех» промежутков  ,  , где   — сколь угодно малое фиксированное положительное число. Метод, разработанный Карацубой, позволяет исследовать нули дзета-функции Римана на «сверхкоротких» промежутках критической прямой, то есть на промежутках  , длина   которых растёт медленнее любой, даже сколь угодно малой, степени  . В частности, он доказал, что для любых заданных чисел  ,   с условием   почти все промежутки   при   содержат не менее   нулей функции  . Эта оценка весьма близка к той, что следует из гипотезы Римана.

Возможная связь с квантовой механикойПравить

 
Диаграмма, указывающая на возможную связь статистики нетривиальных нулей дзета-функции Римана (синие точки — первые 105 нетривиальных нулей) с квантовым хаосом (непрерывная линия описывает двухточечную корреляционную функцию случайной матрицы типа ГУА).

Венгерский математик Дьёрдь Пойа, и, предположительно (но не достоверно), Давид Гильберт[18], сформулировали гипотезу Гильберта — Пойа (англ.), указывающую на возможную связь между нетривиальными нулями дзета-функции Римана и явлениями квантовой механики[18][19][20]:

Нетривиальные нули дзета-функции Римана (их мнимые части) соответствуют собственным значениям некоторого эрмитового оператора (самосопряжённого оператора в гильбертовом пространстве).

Гильберт и Пойа предположили, что одним из способов вывести гипотезу Римана является нахождение самосопряженного оператора, из существования которого последует утверждение о вещественных частях нетривиальных нулей дзета-функции Римана. Некоторую поддержку гипотеза Гильберта — Пойа находит в ряде аналогов дзета-функции Римана, нули которых соответствуют собственным значениям некоторого оператора: нули дзета-функции многообразия над конечным полем соответствуют собственным значениям элемента Фробениуса на группе этальных когомологий (англ.), нули дзета-функции Сельберга (англ.) являются собственными значениями оператора Лапласа римановой поверхности, а нули р-адической дзета-функции (англ.) соответствуют собственным векторам действия Галуа на группах классов идеалов.

В 1973 году американский математик Хью Монтгомери (англ.) сформулировал парную корреляционную гипотезу (не доказанную, но подтверждаемую (Одлыжко (англ.), 1987) крупномасштабными численными расчётами), согласно которой корреляционные функции (формфактор для парных корреляций) (соответственно нормированных) нулей дзета-функции Римана должны быть такими же, как и у собственных значений гауссовой случайной эрмитовой матрицы.

Дербишир обращает внимание на следующие схожие особенности при сравнении поведения нулей дзета-функции Римана и собственных значений гауссовой случайной эрмитовой матрицы[18]:

  • Ни нули дзета-функции Римана, ни собственные значения гауссовой случайной эрмитовой матрицы не похожи на случайно разбросанные точки (отличаются от идеально случайного разброса);
  • Нули дзета-функции и собственные значения эрмитовой матрицы ведут себя сходным образом;
  • Как для нулей дзета-функции, так и для собственных значений эрмитовой матрицы наблюдается эффект отталкивания.

После прояснения ситуации с некоторыми несоответствиями между результатами Одлыжко и предсказаниями модели гауссова унитарного ансамбля (ГУА) (малых интервалов получалось несколько больше, чем в модели ГУА), парная корреляционная гипотеза Монтгомери стала (впервые в статье Николаса Каца и Питера Сарнака, 1999) «законом Монтгомери — Одлыжко»[18]:

Распределение интервалов между последовательными нетривиальными нулями дзета-функции Римана (в правильной нормировке) статистически тождественно распределению собственных значений ГУА-оператора.

Смысл «нормировки» в «законе Монтгомери — Одлыжко» состоит во внесении поправки в виде растяжения верхней части выбранного интервала путём умножения каждого числа на его логарифм (что необходимо для выравнивания среднего расстояния между нулями дзета-функции Римана — из-за того, что нули по мере движения вверх по критической прямой делаются ближе друг к другу)[18].

Ключевой вопрос, возникающий при подобного рода исследованиях, Дербишир формулирует следующим образом [18]:

Нетривиальные нули дзета-функции Римана появились при исследовании распределения простых чисел. Собственные значения случайных эрмитовых матриц появились при исследовании поведения систем субатомных частиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Скажите, пожалуйста, что вообще может быть общего между простыми числами и поведением субатомных частиц?

В 1999 году Майкл Берри и Джонатан Китинг (англ.) предположили, что существует некоторое неизвестное квантование   классического гамильтониана H = xp такое, что

 

и ещё более сильно то, что римановы нули совпадают со спектром оператора  . Это противоречит каноническому квантованию, которое приводит к принципу неопределенности Гейзенберга   и натуральным числам как спектру квантового гармонического осциллятора. Важным моментом является то, что гамильтониан должен быть самосопряженным оператором, чтобы квантование было реализацией гипотезы Гильберта – Поля. В связи с этой проблемой квантовой механики Берри и Ален Конн предположили, что обратный потенциал гамильтониана связан с полупроизводной функции

 

где тогда, в подходе Берри — Конна[21],

 

Это дает гамильтониан, собственные значения которого являются квадратом мнимой части римановых нулей, а также то, что функциональный определитель этого гамильтонова оператора является кси-функцией Римана (англ.). Фактически кси-функция Римана была бы пропорциональна функциональному определителю (произведение Адамара)

 

как доказано Конном и другими, в этом подходе

 

Как отмечает кандидат физико-математических наук Трушечкин А. С. со ссылкой на работы Монтгомери, Одлыжко и др., распределение нетривиальных нулей дзета-функции Римана тесно связано с явлением квантового хаоса[19]:

Явление квантового хаоса оказалось тесно связано с распределением нетривиальных нулей дзета-функции Римана (Монтгомери, 1973 г., Одлыжко, 1987 г.). Одним из подходов к известной проблеме о нулях дзета-функции был предложен Гильбертом и Пойа. Согласно их гипотезе (англ.), нетривиальные нули дзета-функции соответствуют собственным значениям некоторого самосопряжённого оператора в гильбертовом пространстве. В 1986 г. Берри предположил, что этот самосопряжённый оператор может являться оператором Гамильтона квантовой системы, которая соответствует классической хаотической системе. Позже Конн, а также Берри и Китинг (англ.) предложили гамильтонианы, у которых первые два ведущих члена в распределении собственных значений в квазиклассическом пределе совпадают с соответствующими членами распределения нетривиальных нулей дзета-функции (даваемыми формулой Римана–Мангольдта).

Предполагается, что статистические свойства дзета-функции Римана совпадают со статистическими свойствами случайных эрмитовых матриц из гауссова унитарного ансамбля (ГУА), описывающих хаотические квантовые системы. Иначе говоря, с помощью квантового хаоса можно воспроизвести статистику нетривиальных нулей дзета-функции Римана. По мнению Трушечкина, изучение квантового хаоса может помочь в доказательстве гипотезы Римана, и наоборот — доказательство гипотезы Римана может помочь в доказательстве проблем, связанных с квантовым хаосом[20].

ФактыПравить

  • Знаменит ответ Гильберта на вопрос о том, каковы будут его действия, если он по какой-либо причине проспит пятьсот лет и вдруг проснётся. Математик ответил, что первым делом он спросит, была ли доказана гипотеза Римана.
  • Гипотеза Римана относится к знаменитым открытым проблемам математики, в число которых в своё время входила и теорема Ферма. Как известно, Ферма сделал запись о том, что доказал свою теорему, не оставив самого доказательства, и тем самым бросил вызов следующим поколениям математиков. Британский математик Г. Х. Харди использовал ситуацию с этими проблемами для обеспечения собственной безопасности во время морских путешествий. Каждый раз перед отправкой в путешествие он отправлял одному из своих коллег телеграмму: «Доказал гипотезу Римана. Подробности по возвращении». Харди считал, что Бог не допустит повторения ситуации с теоремой Ферма и позволит ему благополучно вернуться из плавания[22].

Отображение в искусствеПравить

  • В пятой серии первого сезона сериала «Числа» один из героев пытался решить эту задачу, и преступники надеялись с помощью его решения гипотезы Римана вскрывать шифры.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Bombieri, Enrico. The Riemann Hypothesis – official problem description  (англ.). — Clay Mathematics Institute. — 2000.
  2. Akbary, Amir; Friggstad, Zachary (2009), «Superabundant numbers and the Riemann hypothesis», American Mathematical Monthly 116 (3): 273—275, doi:10.4169/193009709X470128
  3. Jeffrey C. Lagarias. An elementary problem equivalent to the Riemann hypothesis (англ.) // American Mathematical Monthly|The American Mathematical Monthly : journal. — 2002. — Vol. 109, no. 6. — P. 534—543. — DOI:10.2307/2695443.
  4. Andrew Odlyzko, Herman te Riele. Disproof of the Mertens conjecture (неопр.) // Journal für die reine und angewandte Mathematik. — 1985. — Т. 357. — С. 138—160. (недоступная ссылка)
  5. Bernhard Riemann. Űber die Anzahl der Primzahlen unter einer gegebenen Grösse (нем.) // Monatsberichte der Berliner Akademie. — 1859.
  6. Weisstein, Eric W. Lehmer's Phenomenon (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
  7. Deligne P. La conjecture de Weil. I (неопр.) // Publications Mathématiques de l'IHÉS. — 1974. — Т. 43. — С. 273—307. — DOI:10.1007/BF02684373.
  8. Sheats J. The Riemann hypothesis for the Goss zeta function for Fq[T] (англ.) // Journal of Number Theory : journal. — 1998. — Vol. 71, no. 1. — P. 121—157. — DOI:10.1006/jnth.1998.2232.
  9. Ed Pegg Jr. «Ten Trillion Zeta Zeros» (англ.)
  10. Стюарт, 2016, с. 245.
  11. Hardy, G.H. Sur les zeros de la fonction   (фр.) // Comp. Rend. Acad. Sci. : magazine. — 1914. — No 158. — P. 1012—1014.
  12. Hardy, G. H. & Littlewood, J. E. (1921), "The zeros of Riemann's zeta-function on the critical line", Math. Z. Т. 10 (3–4): 283–317, DOI 10.1007/BF01211614 
  13. Selberg, A. On the zeros of Riemann's zeta-function (неопр.) // Shr. Norske Vid. Akad. Oslo. — 1942. — № 10. — С. 1—59.
  14. Карацуба, А. А. О нулях функции ζ(s) на коротких промежутках критической прямой (рус.) // Известия РАН. Серия математическая. : журнал. — 1984. — № 48:3. — С. 569—584.
  15. Карацуба, А. А. Распределение нулей функции ζ(1/2 + it) (рус.) // Известия РАН. Серия математическая.. — 1984. — № 48:6. — С. 1214—1224.
  16. Карацуба, А. А. О нулях дзета-функции Римана на критической прямой (неопр.) // Труды МИАН. — 1985. — № 167. — С. 167—178.
  17. Карацуба, А. А. О количестве нулей дзета-функции Римана, лежащих на почти всех коротких промежутках критической прямой (рус.) // Известия РАН. Серия математическая. : журнал. — 1992. — № 56:2. — С. 372—397.
  18. 1 2 3 4 5 6 Дербишир, Джон. Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике. Астрель, 2010. 464 с. ISBN 978-5-271-25422-2.
  19. 1 2 Трушечкин А. С., Квантовый хаос, периодические орбиты и дзета-функция Римана. // Краткое изложение заявки.
  20. 1 2 Трушечкин А. С., Видеодоклад (2013) по темам: аксиомы квантовой механики, чудо квантовой интерференции, квантовая вероятность, группа Гейзенберга–Вейля, интегралы Фейнмана по путям, квантовая телепортация, квантовый хаос и дзета-функция Римана.
  21. Connes, Alain (1999), «Trace formula in noncommutative geometry and the zeros of the Riemann zeta function», Selecta Mathematica. New Series, 5 (1): 29–106, arXiv:math/9811068, doi:10.1007/s000290050042, MR 1694895
  22. С. Сингх Великая теорема Ферма. ISBN 5-900916-61-8

СсылкиПравить

ЛитератураПравить

  • Иэн Стюарт. Величайшие математические задачи. — М.: Альпина нон-фикшн, 2016. — 460 с. — ISBN 978-5-91671-507-1.
  • Джон Дербишир. Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике.