سلسلة ديريشلي

في الرياضيات ، متسلسلة ديريشليه هي أي متسلسلة على الشكل التالي: ن=1أننs،{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{n^{s}}},} حيث s عدد مركب ، وأن{\displaystyle a_{n}}هي 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:

ζ(s)=ن=11نs=ن=1u(ن)نs=د(u،s)،{\displaystyle \zeta (s)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {u(n)}{n^{s}}}=D(u,s),}

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  : AN 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:

دwأ(s)=أأ1w(أ)s=ن=1أننs{\displaystyle {\mathfrak {D}}_{w}^{A}(s)=\sum _{a\in A}{\frac {1}{w(a)^{s}}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{n^{s}}}}

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:

دwأب(s)=دwأ(s)+دwب(s).{\displaystyle {\mathfrak {D}}_{w}^{A\uplus B}(s)={\mathfrak {D}}_{w}^{A}(s)+{\mathfrak {D}}_{w}^{B}(s).}

علاوة على ذلك، إذا كانت ( A , u ) و( B , v ) مجموعتين موزونتين، وعرفنا دالة الوزن w : A × BN كما يلي:

w(أ،ب)=u(أ)v(ب)،{\displaystyle w(a,b)=u(a)v(b),}

لكل a في A و b في B ، لدينا التفكيك التالي لسلسلة ديريشليه للضرب الديكارتي:

دwأ×ب(s)=دuأ(s)دvب(s).{\displaystyle {\mathfrak {D}}_{w}^{A\times B}(s)={\mathfrak {D}}_{u}^{A}(s)\cdot {\mathfrak {D}}_{v}^{B}(s).}

وينتج هذا في نهاية المطاف عن حقيقة بسيطة مفادها أنن-sم-s=(نم)-s{\displaystyle n^{-s}\cdot m^{-s}=(nm)^{-s}} .

أمثلة

أشهر مثال على متسلسلة ديريشليه هو

ζ(s)=ن=11نs،{\displaystyle \zeta (s)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}},}

استمراره التحليلي لـج{\displaystyle \mathbb {C} }(باستثناء عمود بسيط فيs=1{\displaystyle s=1}) 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 نكتبsσ+أنات{\displaystyle s\equiv \sigma +it}:

[F(s)]=ن1 و(ن)كوس(تسجلن) نσ[F(s)]=-ن1 و(ن)الخطيئة(تسجلن) نσ.\begin{aligned}\Re[F(s)]&=\sum_{n\geq 1}{\frac{~f(n)\,\cos(t\log n)~}{n^{\sigma }}}\\\Im[F(s)]&=-\sum_{n\geq 1}{\frac{~f(n)\,\sin(t\log n)~}{n^{\sigma }}}\,.\end{aligned}}}

وباعتبار هذه متسلسلات ديريشليه رسمية في الوقت الحالي لكي نتمكن من تجاهل مسائل التقارب، لاحظ أن لدينا:

ζ(s)=دبطاقة تعريفشمال(s)=ص برايمدبطاقة تعريف{صن:نشمال}(s)=ص برايمنشمالدبطاقة تعريف{صن}(s)=ص برايمنشمال1(صن)s=ص برايمنشمال(1صs)ن=ص برايم11-ص-s\begin{aligned}\zeta (s)&=\mathfrak {D}}_{\operatorname {id} }^{\mathbb {N} }(s)=\prod _{p{\text{ prime}}}{\mathfrak {D}}_{\operatorname {id} }^{\{p^{n}:n\in \mathbb {N} \}}(s)=\prod _{p{\text{ prime}}}\sum _{n\in \mathbb {N} }{\mathfrak {D}}_{\operatorname {id} }^{\{p^{n}\}}(s)\\&=\prod _{p{\text{ prime}}}\sum _{n\in \mathbb {N} }{\frac {1}{(p^{n})^{s}}}=\prod _{p{\text{ \sum_{n\in \mathbb{N}}\left(\frac{1}{p^{s}}}\right)^{n}=\prod_{p\text{prime}}}{\frac{1}{1-p^{-s}}}\end{aligned}}}

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:

1ζ(s)=ن=1μ(ن)نs{\displaystyle {\frac {1}{\zeta (s)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\mu (n)}{n^{s}}}}

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

1ل(χ،s)=ن=1μ(ن)χ(ن)نs{\displaystyle {\frac {1}{L(\chi ,s)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\mu (n)\chi (n)}{n^{s}}}}

حيث L ( χ , s ) هي دالة ديريشليه L.

إذا كانت الدالة الحسابية f تمتلك دالة عكسية من نوع ديريشليهو-1(ن){\displaystyle f^{-1}(n)}أي، إذا وُجدت دالة عكسية بحيث ينتج عن التفاف ديريشليه للدالة f مع معكوسها العنصر المحايد الضربي د|نو(د)و-1(ن/د)=دلتان،1{\textstyle \sum _{d|n}f(d)f^{-1}(n/d)=\delta _{n,1}}، عندئذٍ يتم إعطاء دالة توليد العزوم للدالة العكسية عن طريق مقلوب F :

ن1و-1(ن)نs=(ن1و(ن)نs)-1.{\displaystyle \sum _{n\geq 1}{\frac {f^{-1}(n)}{n^{s}}}=\left(\sum _{n\geq 1}{\frac {f(n)}{n^{s}}}\right)^{-1}.}

تشمل الهويات الأخرى

ζ(s-1)ζ(s)=ن=1φ(ن)نs{\displaystyle {\frac {\zeta (s-1)}{\zeta (s)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\varphi (n)}{n^{s}}}}

أينφ(ن){\displaystyle \varphi (n)}هي دالة التد ،

ζ(s-ك)ζ(s)=ن=1جك(ن)نs{\displaystyle {\frac {\zeta (s-k)}{\zeta (s)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {J_{k}(n)}{n^{s}}}}

حيث J k هي دالة جوردان ، و

ζ(s)ζ(s-أ)=ن=1σأ(ن)نsζ(s)ζ(s-أ)ζ(s-2أ)ζ(2s-2أ)=ن=1σأ(ن2)نsζ(s)ζ(s-أ)ζ(s-ب)ζ(s-أ-ب)ζ(2s-أ-ب)=ن=1σأ(ن)σب(ن)نs{\displaystyle {\begin{aligned}&\zeta (s)\zeta (s-a)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sigma _{a}(n)}{n^{s}}}\\[6pt]&{\frac {\zeta (s)\zeta (s-a)\zeta (s-2a)}{\zeta (2s-2a)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sigma _{a}(n^{2})}{n^{s}}}\\[6pt]&{\frac {\zeta (s)\zeta (s-a)\zeta (s-b)\zeta (s-a-b)}{\zeta (2s-a-b)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sigma _{a}(n)\sigma _{b}(n)}{n^{s}}}\end{aligned}}}

حيث σa ( n ) هي دالة القاسم . وبتخصيصها لدالة القاسم d  = σ0 ، نحصل على 

ζ2(s)=ن=1د(ن)نsζ3(s)ζ(2s)=ن=1د(ن2)نsζ4(s)ζ(2s)=ن=1د(ن)2نs.{\displaystyle {\begin{aligned}\zeta ^{2}(s)&=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {d(n)}{n^{s}}}\\[6pt]{\frac {\zeta ^{3}(s)}{\zeta (2s)}}&=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {d(n^{2})}{n^{s}}}\\[6pt]{\frac {\zeta ^{4}(s)}{\zeta (2s)}}&=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {d(n)^{2}}{n^{s}}}.\end{aligned}}}

يُعطى لوغاريتم دالة زيتا بالصيغة التالية

سجلζ(s)=ن=2Λ(ن)سجل(ن)1نs،(s)>1{\displaystyle \log \zeta (s)=\sum _{n=2}^{\infty }{\frac {\Lambda (n)}{\log(n)}}{\frac {1}{n^{s}}},\qquad \Re (s)>1}

حيث Λ( n ) هي دالة فون مانغولد . وبالمثل، لدينا أن

-ζ(s)=ن=2سجل(ن)نs،(s)>1.{\displaystyle -\zeta '(s)=\sum _{n=2}^{\infty }{\frac {\log(n)}{n^{s}}},\qquad \Re (s)>1.}

المشتق اللوغاريتمي لدالة زيتا هو

ζ(s)ζ(s)=-ن=1Λ(ن)نs.{\displaystyle {\frac {\zeta '(s)}{\zeta (s)}}=-\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\Lambda (n)}{n^{s}}}.}

هذه الحالات الثلاث الأخيرة هي حالات خاصة لعلاقة أكثر عمومية لمشتقات سلسلة ديريشليه، كما هو موضح أدناه.

بفرض دالة ليوفيل λ ( n )، يكون لدينا

ζ(2s)ζ(s)=ن=1λ(ن)نs.{\displaystyle {\frac {\zeta (2s)}{\zeta (s)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\lambda (n)}{n^{s}}}.}

وثمة مثال آخر يتعلق بمجموع رامانوجان :

σ1-s(م)ζ(s)=ن=1جن(م)نs.{\displaystyle {\frac {\sigma _{1-s}(m)}{\zeta (s)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {c_{n}(m)}{n^{s}}}.}

يتضمن زوج آخر من الأمثلة دالة موبيوس ودالة أوميغا الأولية : [ 1 ]

ζ(s)ζ(2s)=ن=1|μ(ن)|نsن=1μ2(ن)نs.{\displaystyle {\frac {\zeta (s)}{\zeta (2s)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {|\mu (n)|}{n^{s}}}\equiv \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\mu ^{2}(n)}{n^{s}}}.}
ζ2(s)ζ(2s)=ن=12ω(ن)نs.{\displaystyle {\frac {\zeta ^{2}(s)}{\zeta (2s)}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {2^{\omega (n)}}{n^{s}}}.}

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:

P(s):=ص برايمص-s=ن1μ(ن)نسجلζ(نs).{\displaystyle P(s):=\sum _{p{\text{ prime}}}p^{-s}=\sum _{n\geq 1}{\frac {\mu (n)}{n}}\log \zeta (ns).}

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 الأوليةω(ن){\displaystyle \omega (n)}وΩ(ن){\displaystyle \Omega (n)}والتي 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 .(s)>1{\displaystyle \Re (s)>1}:

ن1ω(ن)نs=ζ(s)P(s)،(s)>1.{\displaystyle \sum _{n\geq 1}{\frac {\omega (n)}{n^{s}}}=\zeta (s)\cdot P(s),\Re (s)>1.}

إذا كانت f دالة ضربية بحيث تكون دالة توليد العزوم التفاضلية F الخاصة بها متقاربة تقاربًا مطلقًا لجميع(s)>σأ،و{\displaystyle \Re (s)>\sigma _{a,f}}وإذا كان p أي عدد أولي ، فإننا نحصل على ذلك

(1+و(ص)ص-s)×ن1و(ن)μ(ن)نs=(1-و(ص)ص-s)×ن1و(ن)μ(ن)μ(القاسم المشترك الأكبر(ص،ن))نs،(s)>σأ،و،{\displaystyle \left(1+f(p)p^{-s}\right)\times \sum _{n\geq 1}{\frac {f(n)\mu (n)}{n^{s}}}=\left(1-f(p)p^{-s}\right)\times \sum _{n\geq 1}{\frac {f(n)\mu (n)\mu (\gcd(p,n))}{n^{s}}},\forall \Re (s)>\sigma _{a,f},}

أينμ(ن){\displaystyle \mu (n)}هي دالة موبيوس . وهناك متطابقة فريدة أخرى من متسلسلات ديريشليه تُولّد الدالة التجميعية لبعض العمليات الحسابية f المحسوبة عند مدخلات القاسم المشترك الأكبر المعطاة بواسطة

ن1(ك=1نو(القاسم المشترك الأكبر(ك،ن)))1نs=ζ(s-1)ζ(s)×ن1و(ن)نs،(s)>σأ،و+1.{\displaystyle \sum _{n\geq 1}\left(\sum _{k=1}^{n}f(\gcd(k,n))\right){\frac {1}{n^{s}}}={\frac {\zeta (s-1)}{\zeta (s)}}\times \sum _{n\geq 1}{\frac {f(n)}{n^{s}}},\forall \Re (s)>\sigma _{a,f}+1.}

لدينا أيضًا صيغة تربط بين دوال توليد التفاضل لدالتين حسابيتين f و g مرتبطتين بانعكاس موبيوس . على وجه الخصوص، إذا ز(ن)=(و*1)(ن){\displaystyle g(n)=(f\ast 1)(n)}ثم باستخدام انعكاس موبيوس ، نحصل على ذلكو(ن)=(ز*μ)(ن){\displaystyle f(n)=(g\ast \mu )(n)}وبالتالي ، إذا كانت F و G هما دالتا توليد العزوم التفاضلية لـ f و g على التوالي ، فيمكننا ربط هاتين الدالتين بالصيغ التالية:

F(s)=جي(s)ζ(s)،(s)>الأعلى(σأ،و،σأ،ز).{\displaystyle F(s)={\frac {G(s)}{\zeta (s)}},\Re (s)>\max(\sigma _{a,f},\sigma _{a,g}).}

توجد صيغة معروفة للدالة الأسية لمتسلسلة ديريشليه. إذاF(s)=خبرة(جي(s)){\displaystyle F(s)=\exp(G(s))}هي دالة توليد العزوم التفاضلية لبعض العمليات الحسابية f معو(1)0{\displaystyle f(1)\neq 0}ثم يتم التعبير عن DGF G بالمجموع

جي(s)=سجل(و(1))+ن2(و*و-1)(ن)سجل(ن)نs،{\displaystyle G(s)=\log(f(1))+\sum _{n\geq 2}{\frac {(f^{\prime }\ast f^{-1})(n)}{\log(n)\cdot n^{s}}},}

أينو-1(ن){\displaystyle f^{-1}(n)}هي معكوس ديريشليه للدالة f ، حيث تُعطى المشتقة الحسابية للدالة f بالصيغة التالية:و(ن)=سجل(ن)و(ن){\displaystyle f^{\prime }(n)=\log(n)\cdot f(n)}لجميع الأعداد الطبيعيةن2{\displaystyle n\geq 2}.

الخصائص التحليلية

بالنظر إلى متتالية{أن}نشمال{\displaystyle \{a_{n}\}_{n\in \mathbb {N} }}من الأعداد المركبة نحاول أن نأخذ في الاعتبار قيمة

و(s)=ن=1أننs{\displaystyle f(s)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{n^{s}}}}

كدالة للمتغير المركب s . ولكي يكون هذا منطقياً، نحتاج إلى مراعاة خصائص تقارب المتسلسلة اللانهائية المذكورة أعلاه:

لو{أن}نشمال{\displaystyle \{a_{n}\}_{n\in \mathbb {N} }}إذا 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

أن+أن+1++أن+ك{\displaystyle a_{n}+a_{n+1}+\cdots +a_{n+k}}

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 العمومσ{\displaystyle \sigma }يمثل فاصل تقارب متسلسلة ديريشليه إذا كانت تتقارب لـ(s)>σ{\displaystyle \Re (s)>\sigma }ويختلف لـ(s)<σ.{\displaystyle \Re (s)<\sigma .}هذا 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

ن=1أننs0{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{n^{s_{0}}}}}

يتقارب لبعضs0ج،(s0)>0.{\displaystyle s_{0}\in \mathbb {C} ,\Re (s_{0})>0.}

الاقتراح 1.أ(شمال):=ن=1شمالأن=o(شمالs0).{\displaystyle A(N):=\sum _{n=1}^{N}a_{n}=o(N^{s_{0}}).}

دليل. لاحظ ما يلي:

(ن+1)s-نs=نن+1sxs-1دx=يا(نs-1).{\displaystyle (n+1)^{s}-n^{s}=\int _{n}^{n+1}sx^{s-1}\,dx={\mathcal {O}}(n^{s-1}).}

وحدد

ب(شمال)=ن=1شمالأننs0=+o(1){\displaystyle B(N)=\sum _{n=1}^{N}{\frac {a_{n}}{n^{s_{0}}}}=\ell +o(1)}

أين

=ن=1أننs0.{\displaystyle \ell =\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{n^{s_{0}}}}.}

وباستخدام طريقة التجميع بالتجزئة، نحصل على

أ(شمال)=ن=1شمالأننs0نs0=ب(شمال)شمالs0+ن=1شمال-1ب(ن)(نs0-(ن+1)s0)=(ب(شمال)-)شمالs0+ن=1شمال-1(ب(ن)-)(نs0-(ن+1)s0)=o(شمالs0)+ن=1شمال-1o(نs0-1)=o(شمالs0){\displaystyle {\begin{aligned}A(N)&=\sum _{n=1}^{N}{\frac {a_{n}}{n^{s_{0}}}}n^{s_{0}}\\&=B(N)N^{s_{0}}+\sum _{n=1}^{N-1}B(n)\left(n^{s_{0}}-(n+1)^{s_{0}}\right)\\&=(B(N)-\ell )N^{s_{0}}+\sum _{n=1}^{N-1}(B(n)-\ell )\left(n^{s_{0}}-(n+1)^{s_{0}}\right)\\&=o(N^{s_{0}})+\sum _{n=1}^{N-1}{\mathcal {o}}(n^{s_{0}-1})\\&=o(N^{s_{0}})\end{aligned}}}
الاقتراح الثاني. تعريف
ل={ن=1أنإذا كانت متقاربة0خلاف ذلك{\displaystyle L={\begin{cases}\sum _{n=1}^{\infty }a_{n}&{\text{If convergent}}\\0&{\text{otherwise}}\end{cases}}}
ثم:
σ=ليم سوبشمالln|أ(شمال)-ل|lnشمال=معلوماتσ{أ(شمال)-ل=يا(شمالσ)}{\displaystyle \sigma =\limsup _{N\to \infty }{\frac {\ln |A(N)-L|}{\ln N}}=\inf _{\sigma '}\left\{A(N)-L={\mathcal {O}}(N^{\sigma '})\right\}}
يمثل المحور السيني لتقارب متسلسلة ديريشليه.

البرهان. من التعريف،

ε>0أ(شمال)-ل=يا(شمالσ+ε){\displaystyle \forall \varepsilon >0\qquad A(N)-L={\mathcal {O}}(N^{\sigma +\varepsilon })}

لهذا السبب.

ن=1شمالأننs=أ(شمال)شمال-s+ن=1شمال-1أ(ن)(ن-s-(ن+1)-s)=(أ(شمال)-ل)شمال-s+ن=1شمال-1(أ(ن)-ل)(ن-s-(ن+1)-s)=يا(شمالσ+ε-s)+ن=1شمال-1يا(نσ+ε-s-1){\displaystyle {\begin{aligned}\sum _{n=1}^{N}{\frac {a_{n}}{n^{s}}}&=A(N)N^{-s}+\sum _{n=1}^{N-1}A(n)(n^{-s}-(n+1)^{-s})\\&=(A(N)-L)N^{-s}+\sum _{n=1}^{N-1}(A(n)-L)(n^{-s}-(n+1)^{-s})\\&={\mathcal {O}}(N^{\sigma +\varepsilon -s})+\sum _{n=1}^{N-1}{\mathcal {O}}(n^{\sigma +\varepsilon -s-1})\end{aligned}}}

والتي تتقارب عندماشمال{\displaystyle N\to \infty }حينما(s)>σ.{\displaystyle \Re (s)>\sigma .}وبالتالي، لكلs{\displaystyle s}بحيثن=1أنن-s{\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }a_{n}n^{-s}} يتباعد، لديناσ(s)،{\displaystyle \sigma \geq \Re (s),}وبهذا يكتمل البرهان.

الفرضية الثالثة. إذان=1أن{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }a_{n}}ثم يتقاربو(σ+أنات)=o(1σ){\displaystyle f(\sigma +it)=o\left({\tfrac {1}{\sigma }}\right)}مثلσ0+{\displaystyle \sigma \to 0^{+}}وحيث يكون ميرومورفياً (و(s){\displaystyle f(s)}لا توجد أعمدة(s)=0{\displaystyle \Re (s)=0}).

البرهان. لاحظ أن

ن-s-(ن+1)-s=sن-s-1+يا(ن-s-2){\displaystyle n^{-s}-(n+1)^{-s}=sn^{-s-1}+O(n^{-s-2})}

وأ(شمال)-و(0)0{\displaystyle A(N)-f(0)\to 0}لدينا عن طريق الجمع بالتجزئة، لـ(s)>0{\displaystyle \Re (s)>0}

و(s)=ليمشمالن=1شمالأننs=ليمشمالأ(شمال)شمال-s+ن=1شمال-1أ(ن)(ن-s-(ن+1)-s)=sن=1أ(ن)ن-s-1+يا(ن=1أ(ن)ن-s-2)=يا(1){\displaystyle {\begin{aligned}f(s)&=\lim _{N\to \infty }\sum _{n=1}^{N}{\frac {a_{n}}{n^{s}}}\\&=\lim _{N\to \infty }A(N)N^{-s}+\sum _{n=1}^{N-1}A(n)(n^{-s}-(n+1)^{-s})\\&=s\sum _{n=1}^{\infty }A(n)n^{-s-1}+\underbrace {{\mathcal {O}}\left(\sum _{n=1}^{\infty }A(n)n^{-s-2}\right)} _{={\mathcal {O}}(1)}\end{aligned}}}

الآن أوجد N بحيث يكون لكل n  > N ، |أ(ن)-و(0)|<ε{\displaystyle |A(n)-f(0)|<\varepsilon }

sن=1أ(ن)ن-s-1=sو(0)ζ(s+1)+sن=1شمال(أ(ن)-و(0))ن-s-1=يا(1)+sن=شمال+1(أ(ن)-و(0))ن-s-1<ε|s|شمالx-(s)-1دx{\displaystyle s\sum _{n=1}^{\infty }A(n)n^{-s-1}=\underbrace {sf(0)\zeta (s+1)+s\sum _{n=1}^{N}(A(n)-f(0))n^{-s-1}} _{={\mathcal {O}}(1)}+\underbrace {s\sum _{n=N+1}^{\infty }(A(n)-f(0))n^{-s-1}} _{<\varepsilon |s|\int _{N}^{\infty }x^{-\Re (s)-1}\,dx}}

وبالتالي، لكلε>0{\displaystyle \varepsilon >0}يوجدج{\displaystyle C}بحيث يكون لـσ>0{\displaystyle \sigma >0}: [ 2 ]

|و(σ+أنات)|<ج+ε|σ+أنات|1σ.{\displaystyle |f(\sigma +it)|<C+\varepsilon |\sigma +it|{\frac {1}{\sigma }}.}

متسلسلة ديريشليه الرسمية

ترتبط متسلسلة ديريشليه الرسمية على حلقة R بدالة a من الأعداد الصحيحة الموجبة إلى R

د(أ،s)=ن=1أ(ن)ن-s {\displaystyle D(a,s)=\sum _{n=1}^{\infty }a(n)n^{-s}\ }

مع تعريف الجمع والضرب بواسطة

د(أ،s)+د(ب،s)=ن=1(أ+ب)(ن)ن-s {\displaystyle D(a,s)+D(b,s)=\sum _{n=1}^{\infty }(a+b)(n)n^{-s}\ }
د(أ،s)د(ب،s)=ن=1(أ*ب)(ن)ن-s {\displaystyle D(a,s)\cdot D(b,s)=\sum _{n=1}^{\infty }(a*b)(n)n^{-s}\ }

أين

(أ+ب)(ن)=أ(ن)+ب(ن) {\displaystyle (a+b)(n)=a(n)+b(n)\ }

هو المجموع النقطي و

(أ*ب)(ن)=ك|نأ(ك)ب(ن/ك) {\displaystyle (a*b)(n)=\sum _{k\mid n}a(k)b(n/k)\ }

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

F(s)=ن=1و(ن)نs{\displaystyle F(s)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {f(n)}{n^{s}}}}

من الممكن إثبات ذلك

F(s)=-ن=1و(ن)سجل(ن)نs{\displaystyle F'(s)=-\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {f(n)\log(n)}{n^{s}}}}

بافتراض تقارب الطرف الأيمن. بالنسبة لدالة ضربية تمامًا f ( n )، وبافتراض تقارب المتسلسلة عندما يكون Re( s ) > σ0 ، فإنه يكون لدينا ما يلي:

F(s)F(s)=-ن=1و(ن)Λ(ن)نs{\displaystyle {\frac {F^{\prime }(s)}{F(s)}}=-\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {f(n)\Lambda (n)}{n^{s}}}}

يتقارب من أجل Re( s )  > σ 0 . حيث Λ( n ) هي دالة von Mangoldt . 

منتجات

يفترض

F(s)=ن=1و(ن)ن-s{\displaystyle F(s)=\sum _{n=1}^{\infty }f(n)n^{-s}}

و

جي(s)=ن=1ز(ن)ن-s.{\displaystyle G(s)=\sum _{n=1}^{\infty }g(n)n^{-s}.}

إذا كانت كل من F ( s ) و G ( s ) متقاربتين تقاربًا مطلقًا لـ s > a و s > فإننا نحصل على

12تي-تيتيF(أ+أنات)جي(ب-أنات)دت=ن=1و(ن)ز(ن)ن-أ-ب مثل تي.{\displaystyle {\frac {1}{2T}}\int _{-T}^{T}\,F(a+it)G(b-it)\,dt=\sum _{n=1}^{\infty }f(n)g(n)n^{-a-b}{\text{ as }}T\sim \infty .}

إذا كان a = b و f ( n ) = g ( n ) ، فإننا نحصل على

12تي-تيتي|F(أ+أنات)|2دت=ن=1[و(ن)]2ن-2أ مثل تي.{\displaystyle {\frac {1}{2T}}\int _{-T}^{T}|F(a+it)|^{2}\,dt=\sum _{n=1}^{\infty }[f(n)]^{2}n^{-2a}{\text{ as }}T\sim \infty .}

عكس المعامل (صيغة التكامل)

لجميع الأعداد الصحيحة الموجبةx1{\displaystyle x\geq 1}، الدالة f عند x ،و(x){\displaystyle f(x)}يمكن استخلاص ، من دالة توليد ديريشليه (DGF) F للدالة f (أو متسلسلة ديريشليه على f ) باستخدام الصيغة التكاملية التالية كلماσ>σأ،و{\displaystyle \sigma >\sigma _{a,f}}، فاصلة التقارب المطلق لـ DGF F [ 4 ]

و(x)=ليمتي12تي-تيتيxσ+أناتF(σ+أنات)دت.{\displaystyle f(x)=\lim _{T\rightarrow \infty }{\frac {1}{2T}}\int _{-T}^{T}x^{\sigma +it}F(\sigma +it)dt.}

من الممكن أيضًا عكس تحويل ميلين للدالة التجميعية للدالة f التي تُعرّف دالة توليد العزوم F للدالة 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 لـج،x>0{\displaystyle c,x>0}وأي شيء حقيقي(s)σ>σأ،و-ج{\displaystyle \Re (s)\equiv \sigma >\sigma _{a,f}-c}حيث نشير(s):=σ{\displaystyle \Re (s):=\sigma }:

نxو(ن)نs=12πأناج-أناج+أنادو(s+z)xzzدz.{\displaystyle {\sum _{n\leq x}}^{\prime }{\frac {f(n)}{n^{s}}}={\frac {1}{2\pi i}}\int _{c-i\infty }^{c+i\infty }D_{f}(s+z){\frac {x^{z}}{z}}dz.}

التحويلات التكاملية والمتسلسلة

يُعطى التحويل العكسي لملين لمتسلسلة ديريشليه، مقسومًا على s، بصيغة بيرون . بالإضافة إلى ذلك، إذاF(z):=ن0ونzن{\textstyle F(z):=\sum _{n\geq 0}f_{n}z^{n}}هي الدالة المولدة العادية (الرسمية) لمتتالية{ون}ن0{\displaystyle \{f_{n}\}_{n\geq 0}}ثم تمثيل تكاملي لسلسلة ديريشليه لمتتالية الدوال المولدة،{ونzن}ن0{\displaystyle \{f_{n}z^{n}\}_{n\geq 0}}، يتم تحديده بواسطة [ 5 ]

ن0ونzن(ن+1)s=(-1)s-1(s-1)!01سجلs-1(ت)F(تz)دت، s1.{\displaystyle \sum _{n\geq 0}{\frac {f_{n}z^{n}}{(n+1)^{s}}}={\frac {(-1)^{s-1}}{(s-1)!}}\int _{0}^{1}\log ^{s-1}(t)F(tz)\,dt,\ s\geq 1.}

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:

ζ(s)م=ن=1أننs{\displaystyle \zeta (s)^{m}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{n^{s}}}}

حيث أن ζ ( s ) هي دالة زيتا لريمان ، ولها دالة التوليد العادية:

ن=1أنxن=x+(م1)أ=2xأ+(م2)أ=2ب=2xأب+(م3)أ=2ب=2ج=2xأبج+(م4)أ=2ب=2ج=2د=2xأبجد+{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }a_{n}x^{n}=x+{m \choose 1}\sum _{a=2}^{\infty }x^{a}+{m \choose 2}\sum _{a=2}^{\infty }\sum _{b=2}^{\infty }x^{ab}+{m \choose 3}\sum _{a=2}^{\infty }\sum _{b=2}^{\infty }\sum _{c=2}^{\infty }x^{abc}+{m \choose 4}\sum _{a=2}^{\infty }\sum _{b=2}^{\infty }\sum _{c=2}^{\infty }\sum _{d=2}^{\infty }x^{abcd}+\cdots }

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

Sو(x):={نxو(ن)،x1؛0،0<x<1،{\displaystyle S_{f}(x):={\begin{cases}\sum _{n\leq x}f(n),&x\geq 1;\\0,&0<x<1,\end{cases}}}

عندئذٍ يمكننا التعبير عن F بتحويل ميلين للدالة التجميعية عند-s{\displaystyle -s}أي أننا نمتلك ذلك

F(s)=s1Sو(x)xs+1دx،(s)>σأ،و.{\displaystyle F(s)=s\cdot \int _{1}^{\infty }{\frac {S_{f}(x)}{x^{s+1}}}dx,\Re (s)>\sigma _{a,f}.}

لσ:=(s)>0{\displaystyle \sigma :=\Re (s)>0} وأي أعداد طبيعيةشمال1{\displaystyle N\geq 1}لدينا أيضًا تقريب لدالة توليد العزوم التفاضلية F للدالة معطى بواسطة

F(s)=نشمالو(ن)ن-s-Sو(شمال)شمالs+sشمالSو(y)ys+1دy.{\displaystyle F(s)=\sum _{n\leq N}f(n)n^{-s}-{\frac {S_{f}(N)}{N^{s}}}+s\cdot \int _{N}^{\infty }{\frac {S_{f}(y)}{y^{s+1}}}dy.}

انظر أيضاً

مراجع

  1. ترد صيغ كلتا المتسلسلتين في القسم 27.4 من دليل NIST للدوال الرياضية /
  2. هاردي، جي إتش ؛ ريز، إم. (1915). النظرية العامة لمتسلسلة ديريشليه . سلسلة كامبريدج في الرياضيات والفيزياء الرياضية. المجلد  18. مطبعة جامعة كامبريدج.
  3. 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 .   
  4. يثبت القسم 11.11 من كتاب أبوستول هذه الصيغة.
  5. 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 .
  6. 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 .
  7. شميدت، دكتور في الطب (2016). "تحويلات دالة توليد متسلسلة زيتا المتعلقة بأعداد ستيرلينغ المعممة والمجاميع الجزئية لدالة زيتا لهورويتز". arXiv : 1611.00957 [ math.CO ].