Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике.

Теперь вспомним ряд сэра Исаака Ньютона для функции ln (1 -  x) из главы 9.vii. Он пригоден при x, лежащем от -1 до +1, что, без сомнения, выполнено в нашем случае, поскольку sположительно. Поэтому каждый логарифм можно разложить в бесконечный ряд таким образом (19.3):

Это бесконечная сумма бесконечных сумм — с первого взгляда, я полагаю, подобное немного пугает, но в математике такие конструкции встречаются достаточно часто.

Сейчас может показаться, что мы оказались в ситуации, которая много хуже той, что была вначале. Аккуратненькое бесконечное произведение мы превратили в бесконечную сумму бесконечных сумм. Предприятие может показаться безнадежным. Да, но это если не использовать всю мощь анализа.

VI.

Возьмем какой-нибудь один из членов в этой сумме сумм. Выберем, например, . Рассмотрим функцию x ^- s-1и будем временно считать, что s— положительное число. Каков интеграл от x ^- s-1? В силу общих правил обращения со степенями, приведенных в главе 7.vii, это x ^- s/(- s), т.е. (-1/ s)x(1/ x ^s). Если мы возьмем этот интеграл при x, равном бесконечности, и вычтем из того, что получится, тот же интеграл, взятый при xравном 3 ²,то что получится? Ну, если x— очень большое число, то (-1/ s)x(1/ x ^s) — число очень маленькое, так что справедливо будет считать, что, когда xбесконечно велико, это выражение равно нулю. И из этого — из нуля — мы собираемся вычесть (-1/ s)x(1/(3 ²) ^s). Такое вычитание дает (1/ s)x(1/(3 ²) ^s). Сухой остаток таков: выбранный член в выражении (19.3)можно переписать в виде интеграла

Но зачем мы вообще все это делаем? Чтобы вернуться к функции J, вот зачем.

Дело в том, что x= 3 ²— это значение, при котором функция Jсовершает прыжок на ¹/ ₂. В голове у математика — и уж точно в голове у великого математика, каким был Риман, — приведенное выражение сразу вызывает некоторый образ. Этот образ представлен на рисунке 19.4: это функция Jс заполненной полосой. Полоса тянется от 3 ²(т.е. от 9) до бесконечности и имеет высоту одна вторая. Ясно, что вся площадь под (говорим «площадь под» — думаем «интеграл») графиком функции Jсоставлена из подобных же полосок. Полоски высотой 1, протянувшиеся от каждого простого числа до бесконечности; полоски высотой одна вторая, идущие от каждого квадрата простого числа до бесконечности; полоски высотой одна треть от каждого куба простого числа до бесконечности… Видите, как все срастается с той бесконечной суммой бесконечных сумм в выражении (19.3)?

Рисунок 19.4..

Конечно, площадь под графиком функции Jбесконечна. Нарисованная полоска уже имеет бесконечную площадь (высота ¹/ ₂, длина бесконечна, площадь ¹/ ₂x = ). Таковы же площади и всех других полосок. Все вместе они складываются в бесконечность. Но что, если я пожелаю «придавить» функцию Jсправа таким образом, чтобы площадь под графиком стала конечной? Так, чтобы каждая из этих полосок постепенно сужалась и сжималась до такой степени, чтобы площадь ее стала конечной? Как можно было бы осуществить такое «придавливание»?

Последний интеграл подсказывает как. Предположим, что мы взяли какое-нибудь число s(которое будем считать большим единицы). Для каждого аргумента xумножим J(x)на x ^- s-1. Для иллюстрации возьмем s = 1,2. Тогда x ^- s-1= x ^-2,2или, другими словами, 1/ x ^2,2. Возьмем аргумент x, скажем, равным 15. Вот, J(15) есть 7,333333…, а 15 ^-2,2равно 0,00258582…. Перемножая, получаем, что J(x)x ^- s-1имеет значение 0,018962721…. Если брать большие аргументы, то сдавливание будет выражено более ярко. При x = 100 значение выражения J(x)x ^- s-1равно 0,001135932….

На рисунке 19.5 показан график функции J(x)x ^- s-1при s = 1,2. Чтобы подчеркнуть «эффект сдавливания», там показана та же самая полоска, которая была выделена и ранее, но теперь после сдавливания. Видно, как она все более и более худеет по мере того, как аргумент устремляется на восток. Имеется вполне реальный шанс, что вся площадь окажется конечной, несмотря на свою бесконечную длину. В предположении, что так и есть и что дело обстоит таким же образом для всех полосок, спросим себя: какова же будет полная площадь под графиком этой функции? Или, выражаясь математически, каково будет значение ?

Рисунок 19.5.при s = 1,2.

Давайте посмотрим. Будем перебирать простые числа одно за одним. Для простого числа 2 до сдавливания имеем полоску высоты 1, идущую от 2 до бесконечности, далее полоску высоты идущую от 2 ²до бесконечности, затем полоску высоты идущую от 2 ³до бесконечности, и т.д. Сумма площадей сдавленных полосок — если мы рассматриваем пока только простое число 2 — равна (19.4):

Конечно, это пока только 2-полоски. Имеется аналогичная бесконечная сумма интегралов для 3-полосок (19.5):

И аналогичная сумма для 5, потом для 7 и т.д. для всех простых чисел. Бесконечная сумма бесконечных сумм интегралов! Все хуже и хуже! Да, но самый густой мрак перед рассветом.