Bản mẫu:Các bài toán thiên niên kỷ

Tập tin:RiemannCriticalLine.svg
Phần thực (màu đỏ) và phần ảo (màu xanh) của hàm zeta Riemann dọc theo đường giới hạn Re(s) = 1/2. Các không điểm phi tầm thường đầu tiên tại Im(s) = ±14,135; ±21,022 và ±25,011.

Trong toán học, giả thuyết Riemann, nêu bởi Bernhard Riemann (Riemann (1859)), là một phỏng đoán về các không điểm phi tầm thường của hàm zeta Riemann tất cả đều có phần thực bằng 1/2. Tên gọi này đôi khi cũng có nghĩa tương tự cho một số giả thuyết khác như giả thuyết Riemann cho các đường cong trên trường hữu hạn.

Giả thuyết Riemann hàm ý kết quả về sự phân bố các số nguyên tố. Cùng với những dạng tổng quát hóa phù hợp, các nhà toán học coi nó là một trong những bài toán quan trọng nhất chưa được giải trong toán học thuần túy (Bombieri 2000). Giả thuyết Riemann, cùng với giả thuyết Goldbach thuộc về bài toán thứ tám của Hilbert trong danh sách 23 bài toán chưa giải được của David Hilbert; nó cũng là một trong bảy bài toán của Giải thưởng Bài toán Thiên niên kỷ do Viện Toán học Clay khởi xướng.

Hàm zeta Riemann ζ(s) là hàm với đối số s là một số phức bất kỳ khác 1, và giá trị của hàm cũng là giá trị phức. Các không điểm của hàm (nghiệm) bao gồm tại các số nguyên âm chẵn; tức là ζ(s) = 0 khi s nhận các giá trị −2, −4, −6, .... Chúng được gọi là các không điểm tầm thường. Tuy nhiên, các số nguyên âm chẵn không phải là các nghiệm duy nhất của hàm zeta; và những nghiệm này gọi là không điểm phi tầm thường hay "không điểm không tầm thường". Giả thuyết Riemann đề cập đến vị trí của các không điểm phi tầm thường này, và phát biểu rằng:

Phần thực của mọi không điểm không tầm thường của hàm zeta Riemann là bằng Trang Bản mẫu:Sfrac/styles.css không có nội dung.1/2.

Do vậy các không điểm phi tầm thường sẽ nằm trên đường giới hạn chứa các số phức Trang Bản mẫu:Sfrac/styles.css không có nội dung.1/2 + it, với tsố thựciđơn vị ảo.

Có một vài sách phổ biến về giả thuyết Riemann, như của Derbyshire (2003), Rockmore (2005), Sabbagh (2003), du Sautoy (2003). Các sách như Edwards (1974), Patterson (1988)Borwein và đồng nghiệp (2008) đưa ra nội dung toán học của nó, trong khi Titchmarsh (1986), Ivić (1985)Karatsuba & Voronin (1992) trình bày ở mức khó hơn.

Đặc điểm

Đây là một trong những bài toán thiên niên kỷ, tập hợp của những vấn đề mở quan trọng nhất trong toán học. Giải quyết được bất kỳ vấn đề nào trong đó đều được giải thưởng lên tới một triệu USD.[1]

Giả thuyết Riemann (theo tên của nhà toán học người Đức ở thế kỷ 19, Bernhard Riemann) cung cấp một sự ước đoán chính xác hơn rất nhiều về số lượng số nguyên tố nhỏ hơn một số cho trước. Tuy nhiên, cũng giống như các giả thuyết trên, dù đã được chứng minh là đúng với hàng tỷ trường hợp, nó vẫn chưa được chứng minh tổng quát.

Hàm zeta Riemann

Hàm zeta Riemann xác định đối với số phức s với phần thực lớn hơn 1 bởi chuỗi vô hạn hội tụ tuyệt đối

ζ(s)=n=11ns=11s+12s+13s+.

Leonhard Euler chứng minh được rằng chuỗi này bằng tích Euler

ζ(s)=p prime11ps=112s113s115s117s11ps

với tích vô hạn mở rộng trên mọi số nguyên tố p, và chuỗi này hội tụ đối với các số phức s với phần thực lớn hơn 1. Sự hội tụ của tích Euler chứng tỏ rằng hàm ζ(s) không có một không điểm nào trong miền này, do không có một giá trị s nào làm cho hàm bằng 0.

Giả thuyết Riemann đề cập đến các không điểm nằm ngoài miền hội tụ của chuỗi này, do vậy nó cần phải thác triển giải tích đối với mọi số phức s. Điều này có thể chứng minh khi biểu diễn nó theo hàm eta Dirichlet như sau. Nếu phần thực của s lớn hơn 1, thì hàm zeta thỏa mãn

(122s)ζ(s)=n=1(1)n+1ns=11s12s+13s.

Tuy nhiên, chuỗi bên vế phải hội tụ không những khi s lớn hơn 1, mà còn trong trường hợp s có phần thực dương. Do vậy, chuỗi thay thế này mở rộng hàm zeta từ miền Re(s) > 1 sang miền lớn hơn Re(s) > 0, ngoại trừ tại các không điểm s=1+2πin/ln(2) của 12/2s (xem hàm eta Dirichlet). Hàm zeta cũng có thể mở rộng tới những giá trị này bằng cách lấy giới hạn, sẽ thu được giá trị hữu hạn cho mọi giá trị của s với phần thực dương ngoại trừ một trường hợp khi s = 1.

Trong miền 0 < Re(s) < 1 hàm zeta thỏa mãn phương trình hàm

ζ(s)=2sπs1 sin(πs2) Γ(1s) ζ(1s).

Có thể định nghĩa ζ(s) cho mọi số phức s khác 0 còn lại bằng cách giả sử rằng phương trình này thỏa mãn cả bên ngoài miền xác định, và đặt ζ(s) bằng vế phải của phương trình khi s có phần thực không dương. Nếu s là một số nguyên âm chẵn thì ζ(s) = 0 bởi vì nhân tử sin(πs/2) bằng 0; đây là các không điểm tầm thường của hàm zeta. (Lập luận này không đúng nếu s là một số nguyên dương chẵn bởi vì giá trị 0 của sin bị triệt tiêu tại các cực của hàm gamma khi nó nhận các tham số nguyên âm.) Giá trị tại ζ(0) = −1/2 là không xác định bởi phương trình hàm, nhưng nó là giới hạn của ζ(s) khi s tiến đến 0. Phương trình hàm cũng hàm ý rằng hàm zeta không có các không điểm với phần thực âm ngoại trừ các không điểm tầm thường nêu ở trên; do đó mọi không điểm phi tầm thường nằm trong miền giới hạn với s có phần thực nằm giữa 0 và 1.

Nguồn gốc

Trang Bản mẫu:Quote/styles.css không có nội dung.

... es ist sehr wahrscheinlich, dass alle Wurzeln reell sind. Hiervon wäre allerdings ein strenger Beweis zu wünschen; ich habe indess die Aufsuchung desselben nach einigen flüchtigen vergeblichen Versuchen vorläufig bei Seite gelassen, da er für den nächsten Zweck meiner Untersuchung entbehrlich schien.

... rất có khả năng là tất cả các nghiệm đều là số thực. Tất nhiên, người ta sẽ mong muốn có một chứng minh chặt chẽ ở đây; sau một vài nỗ lực không thành công, tôi đã tạm thời gác lại việc tìm kiếm điều này, vì nó dường như không thực sự cần thiết cho mục tiêu trước mắt trong nghiên cứu của tôi.

— Phát biểu của Riemann về giả thuyết Riemann, từ (Riemann 1859). (Khi đó ông đang thảo luận về một biến thể của hàm zeta, được biến đổi sao cho đường thẳng thực được ánh xạ thành đường tới hạn.)

Động lực ban đầu của Riemann khi nghiên cứu hàm zeta và các điểm không của nó là sự xuất hiện của chúng trong công thức tường minh cho hàm đếm số nguyên tố π(x) nhỏ hơn hoặc bằng một số x cho trước, điều mà ông đã công bố trong bài báo năm 1859 của mình "Về số nguyên tố nhỏ hơn một đại lượng cho trước". Công thức của ông được biểu diễn theo một hàm số liên quan là

Π(x)=π(x)+π(x1/2)2+π(x1/3)3+π(x1/4)4+π(x1/5)5+π(x1/6)6+

đếm các số nguyên tố và lũy thừa số nguyên tố lên đến x, trong đó một lũy thừa số nguyên tố pn được tính là 1/n. Số lượng các số nguyên tố có thể được khôi phục từ hàm này bằng cách sử dụng công thức nghịch đảo Möbius:

π(x)=n=1μ(n)nΠ(x1/n)=Π(x)12Π(x1/2)13Π(x1/3)15Π(x1/5)+16Π(x1/6),

trong đó μHàm Möbius. Công thức của Riemann khi đó là

Π0(x)=li(x)ρli(xρ)log2+xdtt(t21)logt

trong đó tổng được tính trên các điểm không phi tầm thường của hàm zeta và trong đó Π0 là một phiên bản sửa đổi của Π thay thế giá trị của nó tại các điểm không liên tục bằng trung bình cộng của giới hạn trên và giới hạn dưới của nó:

Π0(x)=limε0Π(xε)+Π(x+ε)2.

Tổng trong công thức của Riemann không hội tụ tuyệt đối, nhưng có thể được tính bằng cách lấy các điểm không ρ theo thứ tự giá trị tuyệt đối của phần ảo của chúng. Hàm li xuất hiện trong số hạng đầu tiên là tích phân logarit được cho bởi giá trị chính Cauchy of của tích phân phân kỳ.

li(x)=0xdtlogt.

Các số hạng li(xρ) liên quan đến các điểm không của hàm zeta cần một số lưu ý trong định nghĩa của chúng vì li có các điểm rẽ nhánh tại 0 và 1, và được định nghĩa (với x>1) bằng cách thác triển giải tích theo biến phức ρ trên vùng Re(ρ)>0; i.e., tức là, chúng nên được coi là Ei(ρ log x). Các số hạng khác cũng tương ứng với các điểm không: số hạng chủ đạo li(x) đến từ cực điểm tại s=1, được coi là một điểm không với bội 1, và các số hạng nhỏ còn lại đến từ các điểm không tầm thường.

Công thức này nói rằng các điểm không của hàm zeta Riemann kiểm soát các sự dao động của các số nguyên tố xung quanh vị trí "kỳ vọng". Riemann đã cho rằng các điểm không phi tầm thường của hàm zeta phân bố đối xứng qua đường thẳng s=1/2+it, và ông cho rằng tất cả các điểm không phi tầm thường của nó phải nằm trong khoảng 0Re(s)1. Ông đã kiểm tra và thấy một vài điểm không nằm trên đường tới hạn với phần thực bằng 1/2 và gợi ý rằng tất cả chúng đều như vậy; đây chính là giả thuyết Riemann.

Xem thêm

Thư mục tham khảo

Tham khảo

Liên kết ngoài

Bản mẫu:Bài toán Thiên niên kỳ Bản mẫu:L-functions-footer