Fungsi zeta Riemann

Fungsi zeta Riemann ζ(z) digambarkan dengan pewarnaan domain.

Pole di $z=1$ dan dua akar di garis kritis.

Fungsi zeta Riemann atau fungsi zeta Euler–Riemann adalah fungsi variabel kompleks, dilambangkan dengan huruf Yunani $\zeta$ (zeta), yang dirumuskan sebagai berikut

$\zeta (s)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}=1+{\frac {1}{2^{s}}}+{\frac {1}{3^{s}}}+\cdots$, jika $\operatorname {Re} (s)>1$, dan melalui pengontinuan analitik jika $\mathrm {Re} (s)\leq 1$ .

Fungsi ini memiliki peranan yang krusial pada teori bilangan analitik dan juga memiliki aplikasi pada fisika, teori probabilitas, dan statistika terapan.

Fungsi ini pertama kali diperkenalkan oleh Leonhard Euler, namun awalnya ia memperkenalkan fungsi ini sebagai fungsi real pada abad ke-18. Kemudian, pada 1859, Bernhard Riemann memperluas definisi yang diberikan oleh Euler, menjadikan fungsi ini sebagai fungsi kompleks yang meromorfik, memberikan persamaan fungsional untuk fungsi ini dan memaparkan hubungan antara nol dari fungsi ini dan distribusi bilangan prima, melalui artikelnya yang berjudul "On the Number of Primes Less Than a Given Magnitude". Artikel ini juga memuat hipotesis Riemann, suatu konjektur tentang distribusi nol kompleks dari fungsi zeta Riemann. Banyak matematikawan berpandangan bahwa hipotesis ini merupakan salah satu masalah terpenting di bidang matematika murni.

Nilai dari fungsi zeta Riemann pada bilangan genap positif telah ditemukan oleh Euler. Nilai $\zeta (2)$, khususnya, menyelesaikan permasalahan Basel. Pada 1979, Roger Apéry membuktikan bahwa $\zeta (3)$ bernilai irasional. Euler juga menemukan nilai fungsi zeta Riemann pada bilangan bulat negatif yang merupakan bilangan rasional dan memiliki peranan penting pada bentuk modular. Fungsi zeta Riemann juga memiliki perumuman, seperti deret Dirichlet, fungsi-L Dirichlet, dan fungsi-L.

Definisi

Fungsi zeta Riemann $\zeta (s)$ adalah fungsi variabel kompleks $s=\sigma +it$. (Penggunaan notasi $s,\sigma ,$ dan $t$ di sini mengikuti notasi yang awalnya digunakan Riemann untuk memelajari fungsi $\zeta$). Jika $\mathrm {Re} (s)=\sigma >1$, fungsi ini dapat dituliskan sebagai deret atau integral konvergen berikut:$$\zeta (s)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}={\frac {1}{\Gamma (s)}}\int _{0}^{\infty }{\frac {x^{s-1}}{e^{x}-1}}dx,$$dengan$$\Gamma (s)=\int _{0}^{\infty }x^{s-1}e^{x}dx$$adalah fungsi Gamma. Untuk nilai kompleks lainnya, fungsi zeta Riemann didefinisikan melalui pengontinuan analitik dari fungsi yang telah didefinisikan untuk $\mathrm {Re} (s)=\sigma >1$.

Leonhard Euler menggunakan definisi deret di atas untuk bilangan bulat positif $s$ pada 1740, dan kemudian Chebyshev memperluas definisi ini untuk $\sigma >1$.

Deret di atas merupakan prototipe dari deret Dirichlet yang konvergen mutlak ke suatu fungsi analitik untuk $s$ dengan $\sigma >1$ dan divergen untuk nilai $s$ lainnya. Riemann menunjukkan bahwa fungsi yang didefinisikan oleh deret yang konvergen hanya pada setengah bidang kompleks memiliki pengontinuan analitik ke seluruh nilai kompleks $s\neq 1$. Untuk $s=1$, deret di atas adalah deret harmonik yang divergen menuju $+\infty$, dan$$\lim _{s\rightarrow 1}(s-1)\zeta (s)=1.$$

Dengan demikian, fungsi zeta Riemann merupakan fungsi meromorfik pada bidang kompleks , yang holomorfik di mana-mana, kecuali di $s=1$ yang merupakan kutub sederhana dengan residu 1.

Identitas darab Euler

Pada 1737, hubungan antara fungsi zeta dan bilangan prima ditemukan oleh Euler, yang membuktikan membuktikan identitas berikut.

$\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}=\prod _{p{\text{ prima}}}{\frac {1}{1-p^{-s}}},$

dengan bentuk matematika pada ruas kiri adalah ζ(s) dari definisi dan pada ruas kanan adalah darab (perkalian) tak hingga yang menjangkau seluruh bilangan prima p (bentuk demikian disebut darab Euler):

$\prod _{p{\text{ prima}}}{\frac {1}{1-p^{-s}}}={\frac {1}{1-2^{-s}}}\cdot {\frac {1}{1-3^{-s}}}\cdot {\frac {1}{1-5^{-s}}}\cdot {\frac {1}{1-7^{-s}}}\cdot {\frac {1}{1-11^{-s}}}\cdots {\frac {1}{1-p^{-s}}}\cdots$

Kedua ruas pada identitas darab Euler konvergen jika Re(s) > 1. Identitas Euler di atas dapat dibuktikan dengan hanya menggunakan deret geometri dan teorema dasar aritmetika. Karena deret harmonik, yang diperoleh dengan mensubstitusi s = 1 pada ekspresi matematika di atas, divergen, identitas Euler (yang menjadi Π_p pp − 1) memberikan bukti bahwa banyaknya bilangan prima adalah tak hingga. Karena logaritma dari pp − 1 mendekati 1p, identitas ini dapat digunakan untuk membuktikan hasil yang lebih kuat bahwa deret resiprokal bilangan prima divergen menuju tak hingga. Di sisi lain, hasil ini dan tapis Erasthothenes memperlihatkan bahwa kepadatan himpunan bilangan prima dalam himpunan bilangan bulat positif adalah nol.

Identitas darab Euler dapat digunakan untuk menghitung peluang asimtotik terpilihnya s bilangan bulat positif yang membentuk himpunan yang koprima pada pengambilan s bilangan bulat positif secara acak. Secara intituitif, peluang sebuah bilangan habis dibagi suatu bilangan prima (atau sembarang bilangan bulat positif) p adalah 1p. Akibatnya, peluang semua s bilangan yang terpilih habis dibagi bilangan p adalah 1p^s, dan peluang setidaknya ada satu bilangan yang tidak habis dibagi p adalah 1 − 1p^s. Untuk sembarang prima yang berbeda, kejadian keterbagian ini saling bebas, sebab kandidat pembaginya (yaitu bilangan-bilangan prima) saling koprima. Dengan demikian, peluang asimtotik terpilihnya s bilangan bulat positif yang membentuk himpunan yang koprima diberikan oleh darab berikut yang menjangkau seluruh bilangan prima,

$\prod _{p{\text{ prima}}}\left(1-{\frac {1}{p^{s}}}\right)=\left(\prod _{p{\text{ prima}}}{\frac {1}{1-p^{-s}}}\right)^{-1}={\frac {1}{\zeta (s)}}.$

Persamaan fungsional Riemann

Fungsi zeta memenuhi persamaan fungsional$$\zeta (s)=2^{s}\pi ^{s-1}\ \sin \left({\frac {\pi s}{2}}\right)\ \Gamma (1-s)\ \zeta (1-s),$$dengan Γ(s) adalah fungsi Gamma. Ini adalah persamaan fungsi meromorfik yang valid di seluruh bidang kompleks. Persamaan ini menghubungkan nilai dari fungsi zeta Riemann di titik s dan 1 − s, khususnya mengaitkan nilai fungsi ini di titik bilangan bulat positif dengan titik bilangan ganjil negatif. Karena fungsi sinus di persamaan memiliki nol sederhana di setiap bilangan bulat, persamaan fungsional ini menunjukkan bahwa ζ(s) memiliki nol sederhana di setiap bilangan bulat negatif s = −2n, yang dikenal sebagai nol trivial dari ζ(s). Di sisi lain, jika s adalah bilangan genap positif, hasi kali sin(πs2)Γ(1 − s) pada ruas kanan bernilai tidak nol karena Γ(1 − s) memiliki kutub sederhana, yang dapat dicoret dengan nol sederhana dari fungsi sinus.

Bukti persamaan fungsional Riemann —

Bukti dari persamaan fungsional Riemann adalah sebagai berikut: Perhatikan bahwa jika $\sigma >0$, berlaku $$\int _{0}^{\infty }x^{{1 \over 2}{s}-1}e^{-n^{2}\pi x}\,dx={\Gamma \left({s \over 2}\right) \over {n^{s}\pi ^{s \over 2}}}.$$

Akibatnya, jika $\sigma >1$ maka $${\frac {\Gamma \left({\frac {s}{2}}\right)\zeta (s)}{\pi ^{\frac {s}{2}}}}=\sum _{n=1}^{\infty }\int _{0}^{\infty }x^{{s \over 2}-1}e^{-n^{2}\pi x}\,dx=\int _{0}^{\infty }x^{{s \over 2}-1}\sum _{n=1}^{\infty }e^{-n^{2}\pi x}\,dx,$$ Perhatikan bahwa penukaran deret dan integral valid dari konvergensi mutlak (oleh karenanya syarat pada $\sigma$ diperketat).

Untuk memudahkan, misalkan $$\psi (x):=\sum _{n=1}^{\infty }e^{-n^{2}\pi x}.$$

Maka $$\zeta (s)={\pi ^{s \over 2} \over \Gamma ({s \over 2})}\int _{0}^{\infty }x^{{1 \over 2}{s}-1}\psi (x)\,dx.$$

Dari Identitas deret Poisson, berlaku $$\sum _{n=-\infty }^{\infty }{e^{-n^{2}\pi x}}={1 \over {\sqrt {x}}}\sum _{n=-\infty }^{\infty }{e^{-n^{2}\pi \over x}},$$

sehingga $$2\psi (x)+1={1 \over {\sqrt {x}}}\left\{2\psi \left({1 \over x}\right)+1\right\}.$$

Akibatnya, $$\pi ^{-{s \over 2}}\Gamma \left({s \over 2}\right)\zeta (s)=\int _{0}^{1}x^{{s \over 2}-1}\psi (x)\,dx+\int _{1}^{\infty }x^{{s \over 2}-1}\psi (x)\,dx,$$

yang ekuivalen dengan $$\int _{0}^{1}x^{{s \over 2}-1}\left\{{1 \over {\sqrt {x}}}\psi \left({1 \over x}\right)+{1 \over 2{\sqrt {x}}}-{1 \over 2}\right\}\,dx+\int _{1}^{\infty }x^{{s \over 2}-1}\psi (x)\,dx$$ atau $${1 \over {s-1}}-{1 \over s}+\int _{0}^{1}x^{{s \over 2}-{3 \over 2}}\psi \left({1 \over x}\right)\,dx+\int _{1}^{\infty }x^{{s \over 2}-1}\psi (x)\,dx.$$

Sekarang, $$\pi ^{-{s \over 2}}\Gamma \left({s \over 2}\right)\zeta (s)={1 \over {s({s-1})}}+\int _{1}^{\infty }\left({x^{-{{s} \over 2}-{1 \over 2}}+x^{{{s} \over 2}-1}}\right)\psi (x)\,dx$$

yang konvergen untuk setiap s, sehingga identitas ini berlaku dari pengontinuan analitik. Lebih lanjut lagi, ruas sebelah kanan juga tidak berubah jika s diganti menjadi 1 − s, sehingga $$\pi ^{-{s \over 2}}\Gamma \left({s \over 2}\right)\zeta (s)=\pi ^{-{1 \over 2}+{s \over 2}}\Gamma \left({1 \over 2}-{s \over 2}\right)\zeta (1-s)$$ yang merupakan persamaan fungsional di atas. E. C. Titchmarsh (1986). The Theory of the Riemann Zeta-function (edisi ke-2nd). Oxford: Oxford Science Publications. hlm. 21–22. ISBN 0-19-853369-1.  Attributed to Bernhard Riemann.

Persamaan fungsional ini dibuktikan oleh Riemann pada tahun 1859 di artikelnya berjudul "On the Number of Primes Less Than a Given Magnitude". Dia menggunakan persamaan ini untuk mengkonstruksi pengontinuan analitik dari fungsi zeta yang awalnya didefinisikan hanya untuk $\sigma >1$. Pada 1749, Euler sebenarnya telah membuat suatu konjektur yang ekuivalen dengan persamaan fungsional Riemann. Konjektur ini memberikan identitas fungsi eta Dirichlet (fungsi zeta ganti tanda):$$\eta (s)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n^{s}}}=\left(1-{2^{1-s}}\right)\zeta (s).$$Ternyata, hubungan ini dapat digunakan untuk menghitung ζ(s) pada daerah 0 < Re(s) < 1, i.e.$$\zeta (s)={\frac {1}{1-{2^{1-s}}}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n^{s}}}$$dengan deret pada fungsi η konvergen (walaupun tidak secara mutlak) pada bidang kompleks dengan bagian real s > 0 (untuk survei yang lebih mendetail mengenai sejarah persamaan fungsional Riemann, lihat Blagouchine).

Riemann juga menemukan versi simetris dari persamaan fungsional dengan menerapkannya ke fungsi-xi:$$\xi (s)={\frac {1}{2}}\pi ^{-{\frac {s}{2}}}s(s-1)\Gamma \left({\frac {s}{2}}\right)\zeta (s),$$yang memenuhi:$$\xi (s)=\xi (1-s).$$(Fungsi awal ξ(t) versi Riemann awalnya didefinisikan sedikit berbeda dengan versi sekarang)

Semasa Riemann, faktor $\pi ^{-s/2}\Gamma (s/2)$ pada persamaan fungsional Riemann tidak begitu dipahami, sampai John Tate (1950) membahasnya pada tesisnya. Ia menunjukkan bahwa "faktor Gamma" ini adalah faktor-L lokal yang berpadanan dengan tempat Archimedes (Archimedean places), sedangkan faktor lainnya pada ekspansi darab Euler adalah faktor-L lokal dari tempat nonArchimedes.

Nol, garis kritis, dan hipotesis Riemann

Artikel utama: Hipotesis Riemann

Fungsi zeta Riemann tidak memiliki nol nontrivial di sebelah kanan garis σ = 1 ataupun di sebelah kiri garis σ = 0 (begitupula di daerah yang cukup dekat dengan salah satu dari kedua garis ini). Selain itu, the nol fungsi zeta Riemann yang nontrivial bersifat simetris terhadap sumbu real dan garis σ = 12 dan, menurut hipotesis Riemann, semua nol nontrivial fungsi zeta Riemann terdapat pada garis σ = 12.

Gambar ini memberikan grafik fungsi Riemann zeta pada garis kritis untuk nilai real t bergerak dari 0 ke 34. Lima nol pertama pada pita kritis terlihat sebagai titik pada spiral yang melalui titik asal.

Bagian real (merah) dan bagian imajiner (biru) dari fungsi zeta Riemann pada garis kritis Re(s) = 1/2. Nol nontrivial pertama dapat dilihat pada Im(s) = ±14.135, ±21.022 and ±25.011.

Persamaan fungsional Riemann menunjukkan bahwa fungsi zeta Riemann memiliki nol pada −2, −4,.... Semua nol tersebut dikenal sebagai nol trivial, karena eksistensi semua nol ini relatif lebih mudah untuk dibuktikan, misalnya dari sin πs2 bernilai 0 pada persamaan fungsional. Nol nontrivial lebih menarik perhatian, karena tidak hanya distribusinya yang tidak begitu dipahami, namun utamanya karena nol nontrivial dari fungsi ini memiliki konsekuensi mengenai bilangan prima dan objek terkait pada teori bilangan. Hasil sejauh ini telah menunjukkan bahwa nol nontrivial fungsi zeta Riemann terdapat pada pita terbuka $\{s\in \mathbb {C} :0<\operatorname {Re} (s)<1\}$, yang disebut pita kritis. Himpunan$\{s\in \mathbb {C} :\operatorname {Re} (s)=1/2\}$ disebut garis kritis. Hipotesis Riemann, salah satu masalah matematika belum terpecahkan yang paling sulit, mengklaim bahwa semua nol nontrivial terdapat pada garis kritis. Pada 1989, Conrey membuktikan bahwa lebih dari 40% nol nontrivial dari fungsi Riemann zeta terdapat pada garis kritis.

Untuk fungsi zeta Riemann pada garis kritis, lihat Z-function.

Lima nol nontrivial pertama

Nol
1/2 ± 14.134725 i
1/2 ± 21.022040 i
1/2 ± 25.010858 i
1/2 ± 30.424876 i
1/2 ± 32.935062 i
1/2 ± 37.586178 i

Banyak nol pada pita kritis

Misalkan $N(T)$ adalah banyaknya nol dari $\zeta (s)$ pada pita kritis $0<\operatorname {Re} (s)<1$, yang bagian imajinernya berada pada selang $0<\operatorname {Im} (s)<T$. Trudgian membuktikan bahwa, jika $T>e$, maka

$|N(T)-{\frac {T}{2\pi }}\log {\frac {T}{2\pi e}}|\leq 0.112\log T+0.278\log \log T+3.385+{\frac {0.2}{T}}$.

Konjektur Hardy–Littlewood

Pada 1914, Godfrey Harold Hardy membuktikan bahwa banyaknya nol real dari ζ (12 + it) adalah tak hingga.

Hardy dan John Edensor Littlewood merumuskan dua konjektur mengenai kepadatan dan jarak antara nol-nol dari ζ (12 + it) pada selang di antara dua bilangan real positif yang cukup besar. Kali ini, misalkan N(T) adalah banyaknya nol real dan N₀(T) adalah banyaknya nol dari fungsi ζ (12 + it) pada interval (0, T] yang memiliki orde ganjil.

1. Untuk setiap ε > 0, terdapat T₀(ε) > 0 sedemikian sehingga jika

   $T\geq T_{0}(\varepsilon )\quad {\text{ and }}\quad H=T^{{\frac {1}{4}}+\varepsilon },$

   interval (T, T + H] memuat nol dengan orde ganjil.
2. Untuk setiap ε > 0, terdapat T₀(ε) > 0 dan c_ε > 0 sedemikian sehingga pertidaksamaan

   $N_{0}(T+H)-N_{0}(T)\geq c_{\varepsilon }H$

   berlaku jika

   $T\geq T_{0}(\varepsilon )\quad {\text{ dan }}\quad H=T^{{\frac {1}{2}}+\varepsilon }.$

Kedua konjektur ini memberikan pendekatan baru dalam menyelidiki fungsi zeta Riemann.