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定理証明済み

ゼータ関数のオイラー積公式

内容

Re(s)>1\mathrm{Re}(s)>1 のとき、リーマンゼータ関数は ζ(s)=∑n=1∞1ns=∏p11−p−s\zeta(s)=\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^s} = \prod_p \frac{1}{1-p^{-s}} を満たす。積はすべての素数 pp にわたる。

なぜ正しいのか?

すべての正の整数は素因数に一意に分解されるので、すべての nn について 1/ns1/n^s を足し合わせることは、各素数について独立に、それが nn に何回現れるかを選ぶことと同じである ― これはまさに各素数に対して幾何級数 ∑k≥0p−ks=(1−p−s)−1\sum_{k\ge0} p^{-ks} = (1-p^{-s})^{-1} が符号化していることである。

証明の概略

各因子 (1−p−s)−1=∑k≥0p−ks(1-p^{-s})^{-1}=\sum_{k\ge0}p^{-ks} を幾何級数として展開する(Re(s)>1\mathrm{Re}(s)>1 で成立)。これらの級数をすべての素数 p≤Np\le N について掛け合わせ、素因数分解の一意性を用いると、n≤Nn\le N を満たすすべての整数は展開の中で項 n−sn^{-s} としてちょうど一度現れる。残りの項(>N>N の素因数を持つ整数、または NN を超える積によるもの)は N→∞N\to\infty で消える裾野を成し、ζ(s)=∏p(1−p−s)−1\zeta(s)=\prod_p(1-p^{-s})^{-1} が得られる。

提示者

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参考文献

  1. Leonhard Euler (1737). Variae observationes circa series infinitas
  2. Tom M. Apostol (1976). Introduction to Analytic Number Theory · DOI:10.1007/978-1-4757-5579-4