سلسلة ديريشلي
في الرياضيات ، متسلسلة ديريشليه هي أي متسلسلة على الشكل التالي: حيث s عدد مركب ، وهي متتالية معقدة . وهي حالة خاصة من متسلسلة ديريشليه العامة .
تؤدي متسلسلات ديريشليه أدوارًا مهمة ومتنوعة في نظرية الأعداد التحليلية . يُعد تعريف دالة زيتا لريمان الأكثر شيوعًا هو متسلسلة ديريشليه، وكذلك دوال ديريشليه L. تحديدًا، دالة زيتا لريمان ζ ( s ) هي متسلسلة ديريشليه للدالة الثابتة u ( n )، وهي:
حيث يرمز D ( u , s ) إلى متسلسلة ديريشليه لـ u ( n ). ويُفترض أن فئة سيلبرغ من المتسلسلات تخضع لفرضية ريمان المعممة . سُميت هذه المتسلسلة تكريمًا لبيتر غوستاف ليجون ديريشليه .
الأهمية التوافقية
يمكن استخدام متسلسلة ديريشليه كمتسلسلة مولدة لحساب مجموعات العناصر الموزونة بالنسبة لوزن يتم دمجه ضربيًا عند أخذ الضرب الديكارتي.
لنفترض أن A مجموعةٌ تحتوي على دالة w : A → N تُسند وزنًا لكل عنصر من عناصر A ، ولنفترض أيضًا أن الألياف فوق أي عدد طبيعي تحت هذا الوزن هي مجموعة منتهية. (نُطلق على هذا الترتيب ( A , w ) اسم المجموعة الموزونة). ولنفترض كذلك أن a <sub>n</sub> هو عدد عناصر A التي وزنها n . عندئذٍ، نُعرّف متسلسلة ديريشليه المولدة الرسمية لـ A بالنسبة إلى w كما يلي:
لاحظ أنه إذا كانت A و B مجموعتين جزئيتين منفصلتين من مجموعة موزونة ( U , w ) ، فإن متسلسلة ديريشلي لاتحادهما (المنفصل) تساوي مجموع متسلسلات ديريشلي الخاصة بهما:
علاوة على ذلك، إذا كانت ( A , u ) و( B , v ) مجموعتين موزونتين، وعرفنا دالة الوزن w : A × B → N كما يلي:
لكل a في A و b في B ، لدينا التفكيك التالي لسلسلة ديريشليه للضرب الديكارتي:
وينتج هذا في نهاية المطاف عن حقيقة بسيطة مفادها أن .
أمثلة
أشهر مثال على متسلسلة ديريشليه هو
استمراره التحليلي لـ(باستثناء عمود بسيط في) هي دالة زيتا لريمان .
بشرط أن تكون الدالة f ذات قيم حقيقية عند جميع الأعداد الطبيعية n ، فإن الأجزاء الحقيقية والخيالية لمتسلسلة ديريشليه F لها صيغ معروفة حيث نكتب:
وباعتبار هذه متسلسلات ديريشليه رسمية في الوقت الحالي لكي نتمكن من تجاهل مسائل التقارب، لاحظ أن لدينا:
بما أن لكل عدد طبيعي تحليل ضربي فريد إلى قوى الأعداد الأولية، فإن هذا الجانب من التوافقية هو الذي ألهم صيغة أويلر للضرب .
ومنها أيضاً:
حيث μ ( n ) هي دالة موبيوس . يمكن الحصول على هذه المتسلسلات والعديد من المتسلسلات التالية بتطبيق معكوس موبيوس والالتفاف الديريشليهي على متسلسلات معروفة. على سبيل المثال، إذا كانت لدينا دالة ديريشليه χ ( n )، فإن
حيث L ( χ , s ) هي دالة ديريشليه L.
إذا كانت الدالة الحسابية f تمتلك دالة عكسية من نوع ديريشليهأي، إذا وُجدت دالة عكسية بحيث ينتج عن التفاف ديريشليه للدالة f مع معكوسها العنصر المحايد الضربي ، عندئذٍ يتم إعطاء دالة توليد العزوم للدالة العكسية عن طريق مقلوب F :
تشمل الهويات الأخرى
أينهي دالة التد ،
حيث J k هي دالة جوردان ، و
حيث σa ( n ) هي دالة القاسم . وبتخصيصها لدالة القاسم d = σ0 ، نحصل على
يُعطى لوغاريتم دالة زيتا بالصيغة التالية
حيث Λ( n ) هي دالة فون مانغولد . وبالمثل، لدينا أن
المشتق اللوغاريتمي لدالة زيتا هو
هذه الحالات الثلاث الأخيرة هي حالات خاصة لعلاقة أكثر عمومية لمشتقات سلسلة ديريشليه، كما هو موضح أدناه.
بفرض دالة ليوفيل λ ( n )، يكون لدينا
وثمة مثال آخر يتعلق بمجموع رامانوجان :
يتضمن زوج آخر من الأمثلة دالة موبيوس ودالة أوميغا الأولية : [ 1 ]
لدينا أن متسلسلة ديريشليه لدالة زيتا الأولية ، وهي نظيرة لدالة زيتا لريمان التي يتم جمعها فقط على المؤشرات n الأولية، تُعطى بواسطة مجموع على دالة موبيوس ولوغاريتمات دالة زيتا:
يمكن العثور هنا على قائمة كبيرة من الجداول تضم أمثلة أخرى للمجاميع المقابلة لتمثيلات سلسلة ديريشليه المعروفة .
تُقدَّم هنا أمثلة على دوال ديريشليه المتسلسلة DGFs التي تُقابل الدوال f الجمعية (بدلاً من الضربية) للدوال أوميغا الأوليةووالتي تحسب على التوالي عدد العوامل الأولية المختلفة للعدد n (مع أو بدون تعدد). على سبيل المثال، يتم التعبير عن دالة توليد الفروق للدالة الأولى كحاصل ضرب دالة زيتا لريمان ودالة زيتا الأولية لأي عدد مركب s .:
إذا كانت f دالة ضربية بحيث تكون دالة توليد العزوم التفاضلية F الخاصة بها متقاربة تقاربًا مطلقًا لجميعوإذا كان p أي عدد أولي ، فإننا نحصل على ذلك
أينهي دالة موبيوس . وهناك متطابقة فريدة أخرى من متسلسلات ديريشليه تُولّد الدالة التجميعية لبعض العمليات الحسابية f المحسوبة عند مدخلات القاسم المشترك الأكبر المعطاة بواسطة
لدينا أيضًا صيغة تربط بين دوال توليد التفاضل لدالتين حسابيتين f و g مرتبطتين بانعكاس موبيوس . على وجه الخصوص، إذا ثم باستخدام انعكاس موبيوس ، نحصل على ذلكوبالتالي ، إذا كانت F و G هما دالتا توليد العزوم التفاضلية لـ f و g على التوالي ، فيمكننا ربط هاتين الدالتين بالصيغ التالية:
توجد صيغة معروفة للدالة الأسية لمتسلسلة ديريشليه. إذاهي دالة توليد العزوم التفاضلية لبعض العمليات الحسابية f معثم يتم التعبير عن DGF G بالمجموع
أينهي معكوس ديريشليه للدالة f ، حيث تُعطى المشتقة الحسابية للدالة f بالصيغة التالية:لجميع الأعداد الطبيعية.
الخصائص التحليلية
بالنظر إلى متتاليةمن الأعداد المركبة نحاول أن نأخذ في الاعتبار قيمة
كدالة للمتغير المركب s . ولكي يكون هذا منطقياً، نحتاج إلى مراعاة خصائص تقارب المتسلسلة اللانهائية المذكورة أعلاه:
لوإذا كانت متتالية محدودة من الأعداد المركبة، فإن متسلسلة ديريشليه المقابلة f تتقارب تقاربًا مطلقًا على نصف المستوى المفتوح Re( s ) > 1. وبشكل عام، إذا كان a <sub>n</sub> = O( nk ) ، فإن المتسلسلة تتقارب تقاربًا مطلقًا في نصف المستوى Re( s ) > k + 1 .
إذا كانت مجموعة المجاميع
إذا كانت محدودة لـ n و k ≥ 0، فإن السلسلة اللانهائية المذكورة أعلاه تتقارب على نصف المستوى المفتوح لـ s بحيث يكون Re( s ) > 0 .
في كلتا الحالتين، f هي دالة تحليلية على نصف المستوى المفتوح المقابل.
على العموميمثل فاصل تقارب متسلسلة ديريشليه إذا كانت تتقارب لـويختلف لـهذا هو نظير نصف قطر التقارب لمتسلسلات القوى في متسلسلات ديريشليه . إلا أن حالة متسلسلات ديريشليه أكثر تعقيداً: فقد يحدث التقارب المطلق والتقارب المنتظم في أنصاف مستويات مختلفة.
في كثير من الحالات، يكون للدالة التحليلية المرتبطة بسلسلة ديريشليه امتداد تحليلي إلى مجال أكبر.
إحداثيات التقارب
يفترض
يتقارب لبعض
- الاقتراح 1.
دليل. لاحظ ما يلي:
وحدد
أين
وباستخدام طريقة التجميع بالتجزئة، نحصل على
- الاقتراح الثاني. تعريف
- ثم:
- يمثل المحور السيني لتقارب متسلسلة ديريشليه.
البرهان. من التعريف،
لهذا السبب.
والتي تتقارب عندماحينماوبالتالي، لكلبحيث يتباعد، لديناوبهذا يكتمل البرهان.
- الفرضية الثالثة. إذاثم يتقاربمثلوحيث يكون ميرومورفياً (لا توجد أعمدة).
البرهان. لاحظ أن
ولدينا عن طريق الجمع بالتجزئة، لـ
الآن أوجد N بحيث يكون لكل n > N ،
وبالتالي، لكليوجدبحيث يكون لـ: [ 2 ]
متسلسلة ديريشليه الرسمية
ترتبط متسلسلة ديريشليه الرسمية على حلقة R بدالة a من الأعداد الصحيحة الموجبة إلى R
مع تعريف الجمع والضرب بواسطة
أين
هو المجموع النقطي و
هو التفاف ديريشليه لـ a و b .
تُشكّل متسلسلات ديريشليه الرسمية حلقةً Ω، بل جبرًا على R ، حيث الدالة الصفرية هي العنصر الصفري الجمعي، والدالة δ المعرفة بـ δ (1) = 1 و δ ( n ) = 0 لـ n > 1 هي العنصر المحايد الضربي. يكون عنصر هذه الحلقة قابلاً للعكس إذا كان a (1) قابلاً للعكس في R. إذا كانت R تبديلية، فإن Ω كذلك؛ وإذا كانت R مجالًا تكامليًا ، فإن Ω كذلك. تُشكّل الدوال الضربية غير الصفرية زمرةً جزئيةً من زمرة الوحدات في Ω.
إن حلقة متسلسلات ديريشليه الرسمية على C متماثلة مع حلقة متسلسلات القوى الرسمية في عدد قابل للعد من المتغيرات. [ 3 ]
المشتقات
منح
من الممكن إثبات ذلك
بافتراض تقارب الطرف الأيمن. بالنسبة لدالة ضربية تمامًا f ( n )، وبافتراض تقارب المتسلسلة عندما يكون Re( s ) > σ0 ، فإنه يكون لدينا ما يلي:
يتقارب من أجل Re( s ) > σ 0 . حيث Λ( n ) هي دالة von Mangoldt .
منتجات
يفترض
و
إذا كانت كل من F ( s ) و G ( s ) متقاربتين تقاربًا مطلقًا لـ s > a و s > b، فإننا نحصل على
إذا كان a = b و f ( n ) = g ( n ) ، فإننا نحصل على
عكس المعامل (صيغة التكامل)
لجميع الأعداد الصحيحة الموجبة، الدالة f عند x ،يمكن استخلاص ، من دالة توليد ديريشليه (DGF) F للدالة f (أو متسلسلة ديريشليه على f ) باستخدام الصيغة التكاملية التالية كلما، فاصلة التقارب المطلق لـ DGF F [ 4 ]
من الممكن أيضًا عكس تحويل ميلين للدالة التجميعية للدالة f التي تُعرّف دالة توليد العزوم F للدالة f، وذلك للحصول على معاملات متسلسلة ديريشليه (انظر القسم أدناه). في هذه الحالة، نصل إلى صيغة تكاملية معقدة مرتبطة بنظرية بيرون . عمليًا، تتغير معدلات تقارب الصيغة المذكورة أعلاه كدالة لـ T ، وإذا كانت متسلسلة ديريشليه F حساسة لتغيرات الإشارة كمتسلسلة بطيئة التقارب، فقد يتطلب الأمر قيمًا كبيرة جدًا لـ T لتقريب معاملات F باستخدام هذه الصيغة دون الحاجة إلى حساب النهاية الرسمية.
يُقدّم شكلٌ آخر من الصيغة السابقة المذكورة في كتاب أبوستول صيغةً تكامليةً لمجموعٍ بديلٍ بالشكل التالي لـوأي شيء حقيقيحيث نشير:
التحويلات التكاملية والمتسلسلة
يُعطى التحويل العكسي لملين لمتسلسلة ديريشليه، مقسومًا على s، بصيغة بيرون . بالإضافة إلى ذلك، إذاهي الدالة المولدة العادية (الرسمية) لمتتاليةثم تمثيل تكاملي لسلسلة ديريشليه لمتتالية الدوال المولدة،، يتم تحديده بواسطة [ 5 ]
تم تعريف فئة أخرى من تحويلات الدوال المولدة القائمة على المشتقات والمتسلسلات على الدالة المولدة العادية للمتتالية والتي تنتج فعليًا توسيع الجانب الأيسر في المعادلة السابقة على التوالي في [ 6 ] [ 7 ] .
العلاقة بمتسلسلات القوى
المتتالية a n الناتجة عن دالة توليد متسلسلة ديريشليه المقابلة لما يلي:
حيث أن ζ ( s ) هي دالة زيتا لريمان ، ولها دالة التوليد العادية:
العلاقة بالدالة التجميعية لدالة حسابية عبر تحويلات ميلين
إذا كانت f دالة حسابية ذات دالة توليد أرقام متناظرة F ، فإن دالة الجمع لـ f تُعرَّف بواسطة
عندئذٍ يمكننا التعبير عن F بتحويل ميلين للدالة التجميعية عندأي أننا نمتلك ذلك
ل :=\Re (s)>0} وأي أعداد طبيعيةلدينا أيضًا تقريب لدالة توليد العزوم التفاضلية F للدالة f، معطى بواسطة
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ ترد صيغ كلتا المتسلسلتين في القسم 27.4 من دليل NIST للدوال الرياضية /
- ↑ هاردي، جي إتش ؛ ريز، إم. (1915). النظرية العامة لمتسلسلة ديريشليه . سلسلة كامبريدج في الرياضيات والفيزياء الرياضية. المجلد 18. مطبعة جامعة كامبريدج.
- ↑ كاشويل، إي دي؛ إيفريت، سي جيه (1959). "حلقة الدوال العددية" . مجلة باسيفيك للرياضيات . 9 (4): 975-985 . doi : 10.2140/pjm.1959.9.975 . ISSN 0030-8730 . MR 0108510. Zbl 0092.04602 .
- ↑ يثبت القسم 11.11 من كتاب أبوستول هذه الصيغة.
- ↑ بورواين، ديفيد؛ بورواين، جوناثان م.؛ جيرجينسون، رولاند (1995). "التقييم الصريح لمجاميع أويلر" . وقائع جمعية إدنبرة الرياضية . السلسلة الثانية. 38 (2): 277-294 . doi : 10.1017/S0013091500019088 . hdl : 1959.13/1043647 .
- ↑ شميدت، دكتور في الطب (2017). "تحويلات دالة توليد متسلسلة زيتا المتعلقة بدوال متعددة اللوغاريتمات والأعداد التوافقية من الرتبة k" (ملف PDF) . المجلة الإلكترونية للتوافقية التحليلية (12): 1-22 . doi : 10.61091/ojac-1202 .
- ↑ شميدت، دكتور في الطب (2016). "تحويلات دالة توليد متسلسلة زيتا المتعلقة بأعداد ستيرلينغ المعممة والمجاميع الجزئية لدالة زيتا لهورويتز". arXiv : 1611.00957 [ math.CO ].
- أبوستول، توم م. (1976)، مقدمة في نظرية الأعداد التحليلية ، نصوص جامعية في الرياضيات، نيويورك-هايدلبرغ: سبرينغر-فيرلاغ، ISBN 978-0-387-90163-3، MR 0434929 ، Zbl 0335.10001
- هاردي، جي إتش ؛ ريز، مارسيل (1915). النظرية العامة لمتسلسلة ديريشليه . سلسلة كامبريدج في الرياضيات. المجلد 18. مطبعة جامعة كامبريدج.
- النظرية العامة لمتسلسلة ديريشليه، بقلم جي إتش هاردي. سلسلة دراسات الرياضيات التاريخية، مكتبة جامعة كورنيل. {أُعيد طبعه بواسطة} مجموعات مكتبة جامعة كورنيل الرقمية.
- جولد، هنري دبليو؛ شونيهوا، تيمبا (2008). "فهرس لمتسلسلات ديريشليه المثيرة للاهتمام" . مجلة ميسيسيبي للعلوم الرياضية 20 ( 1). مؤرشف من الأصل بتاريخ 2011-10-02.
- ماثار، ريتشارد ج. (2011). "مسح لمتسلسلات ديريشليه للدوال الحسابية الضربية". arXiv : 1106.4038 [ math.NT ].
- تيننباوم، جيرالد (1995). مقدمة في نظرية الأعداد التحليلية والاحتمالية . دراسات كامبريدج في الرياضيات المتقدمة. المجلد 46. مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 0-521-41261-7. Zbl 0831.11001 .
- "متسلسلة ديريشليه" . بلانيت ماث .
- وظائف زيتا و L
- المتسلسلات (الرياضيات)
- توسعات السلسلة
