莫比乌斯函数详解,莫比乌斯函数求和表示什么

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-05-27 10:13:37

对数积分函数的图像是这个样子:

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在x很大的时候,Li(x)就约等于x/lnx。

再来看第二项,这里的函数形式仍然是对数积分函数,但自变量却变得非常有意思,是所有的x的ρ次方。这些ρ是什么呢?回答是:黎曼ζ函数的非平凡零点(non-trivial zeroes)。

零点我们知道了,就是使函数取值为0的那些点。为什么又加个“非平凡”呢?因为黎曼证明了,s等于-2、-4、-6、-8等负的偶数值的时候,ζ(s)必然等于0。如果用类似于“全体自然数的和等于-1/12”那样的开玩笑不嫌事儿大的语言,就可以说“全体自然数的平方和等于0”,“全体自然数的四次方和等于0”,“全体自然数的六次方和等于0”,以至于“全体自然数的偶数次方和等于0”。在数学家们看来,这是一目了然的,于是他们把ζ函数的这些零点叫做平凡零点(trivial zeroes)。好吧,数学家的“一目了然”和我们真是两个概念!

但是除了负的偶数之外,黎曼ζ函数还有其他的零点。这些零点的位置就远远不是一目了然的了,即使对黎曼都不是,因此被称为非平凡零点。上面提到的ρ就是这些非平凡零点。可以确认的是,非平凡零点肯定不在实轴上。在实轴上除了负的偶数,没有其他的零点了。

你也许会问,既然非平凡零点ρ不是实数,那么x的ρ次方也不是实数,对这样一个虚数自变量的对数积分函数是怎么计算的?回答是:数学家又做了一个解析延拓,把对数积分函数的定义域扩展到了复数。

总而言之,黎曼套马杆的结果,就是对一个与质数分布密切相关的函数J(x)给出了一个表达式,其中唯一不清楚的部分来自黎曼ζ函数的非平凡零点。

然后,让我们回顾一下,黎曼这篇论文的标题叫做《论小于给定数值的质数个数》。有一个函数叫做质数计数函数(prime-counting function),意思是小于等于给定数值x的质数个数,数学家经常把它写成π(x)。这个名字有点杯具,因为它跟圆周率π毫无关系。

让我们来举个例子,小于等于1的质数有多少个?回答是没有,所以π(1) = 0。小于等于2的质数有多少个?回答是1个,就是最小的质数2,所以π(2) = 1。小于等于3的质数有多少个?增加了一个质数3,所以π(3) = 2。类似地,π(5)= 3,π(7) = 4,π(11) = 5等等。对于前60个自然数,质数计数函数的图像如下:

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显然,如果我们对质数计数函数知道了一个简便的计算公式,那么对第n个质数也就有了快速的算法。如我们在本系列中第一篇所说的,这将造成惊人的后果,对理论和应用都产生巨大的影响。

你也许会叹息,黎曼得到的并不是π(x),而是J(x)。没关系,这两个函数包含的信息是等价的,从它们中的一个就可以推出另一个。在这个意义上,质数分布的全部信息都包含在黎曼ζ函数非平凡零点的位置当中。用《肖申克的救赎》中的台词说:“得救之道,就在其中!”

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得救之道,就在其中

具体地说,π(x)和J(x)之间的关系是:

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