Простые числа

Как уже говорилось, Гаусс ввел функции комплексного переменного, представляемые в трехмерном пространстве. Риман сделал следующий шаг и определил то, что позже станет называться комплексными функциями комплексного переменного. Проблема заключалась в том, что они требуют четырехмерного пространства и поэтому не могут быть наглядно представлены. Используя особые приемы, похожие на описанные в предыдущей главе, Риман получил трехмерное изображение нулей дзета-функции: поверхность, состоящую из регулярно повторяющихся холмов и впадин.

У этой функции есть два типа «нулей», то есть таких значений аргумента, которые при подстановке в функцию обращают ее в ноль. Первый тип — четные отрицательных числа: х = —2, х = —4, х = —6 …, называемые «тривиальными» нулями.

Другие нули совсем не тривиальные, и вычислить их очень трудно. Они образуют бесконечное множество и находятся на так называемой «критической полосе» комплексных чисел, действительная часть которых больше нуля, но меньше единицы (0 <= Re(х) <= 1). Эта полоса наиболее тесно связана с простыми числами. В 1896 г. именно этим вопросом занимались два математика, Жак Адамар и Шарль Жан Ла Валле Пуссен, независимо друг от друга доказавшие гипотезу Гаусса о распределении простых чисел.

В одной из записей и без каких-либо доказательств Риман сформулировал утверждение, что все нетривиальные нули дзета-функции имеют вид 1/2 + iy, то есть они лежат на прямой х = 1/2, которая проходит сквозь дзета-функцию.

«Все нетривиальные нули дзета-функции имеют действительную часть, равную 1/2».

Если эта гипотеза верна, то все простые числа распределены регулярно, точнее, насколько это возможно регулярно. Поясним это с помощью аналогии: представим себе функцию, характеризующую звуки скрипичного концерта — ряд синусоидальных кривых. Для простоты предположим, что играет только одна скрипка. Вместе с рядом четких подъемов и впадин мы увидим другие неопределенные формы, которые несколько нарушают гармонию кривой линии. В акустических терминах это называется «белый шум», возможными причинами которого являются статические разряды, фоновые звуки и так далее. Таким образом, гипотеза Римана утверждает, что любые отклонения в распределении простых чисел связаны с математическим «белым шумом». Это означает, что распределение простых чисел основано на определенном правиле, а не на чистой случайности. Таким образом Риману удалось навести некоторый порядок в разношерстной компании простых чисел.

* * *

ПОПРОБУЙТЕ САМИ

Если вы хотите пополнить ваши знания по теории функций комплексного переменного и рядов, то для этого существует много прекрасных учебников. Вы даже можете попытаться доказать гипотезу Римана. Если вам это удастся, то Математический институт Клэя вручит вам награду в один миллион долларов независимо от вашего возраста, пола или профессии. Однако награду вы получите не сразу: потребуется время на изучение доказательства и подтверждение его правильности. В июне 2004 г. Луи де Бранж де Бурсия, математик из Университета Пердью (штат Индиа-на, США), заявил, что сумел доказать гипотезу Римана, но его доказательство было позднее отклонено. То же самое произошло в 2008 г. с доказательством Сян-Джин Ли (Xian-Jin Li).

Луи де Бранж де Бурсия.

* * *

В 1914 г. британские математики Годфри Харолд Харди (1877–1947) и Джон Идензор Литлвуд (1885–1977) доказали, что на прямой линии существует бесконечное число нулей. Это не доказывает гипотезу Римана, зато подкрепляет мнение специалистов о ее правильности. Многие думают, что если на «критической прямой» находится бесконечное множество нулей, то все нули уже в нем учтены, но это лишь показывает типичную ошибку в восприятии бесконечности, концепция которой полна парадоксов, потому что может также существовать бесконечное количество нулей, которые не лежат на этой прямой. На сегодняшний день вычислено около десяти миллионов «нетривиальных» нулей, расположенных на этой линии.