就說這個猜想跟素數的分布有關,而素數的重要性被奉為萬數之基。
一句話定義黎曼猜想:
黎曼zeta函數只在下面兩種點上為0值:第一種是負偶數第二種是實部為1/2的復數。
用二維坐標系表示復平面,那么取零值的點只在下面兩條橫縱直線上:

前一種稱為平凡零點,不怎么受人關注,后一種叫“非平凡零點”,據說跟素數的分布有某種神秘的聯系,下面研究看看。
上面的定義看完只能理解表層的數學定義,但是這個東西跟素數有什么關系,背后有什么深意,則完全是一頭霧水,也就是說,只看這個定義,只是相當於該知識的冰山一角。我完全不能滿意,那么下面我將嘗試展開該問題,以求獲得問題的全貌,這是一個困擾人類一百多年至今仍懸而未決的數學難題,我這輩子估計是不可能解出來的,不過解不出來,嘗試理解一下問題本身總可以吧?為了對得起自己的學歷,下面嘗試展開對這個問題做一些分析。
上面的定義中,黎曼zeta函數是什么?代表了什么含義?
黎曼zeta函數用無窮級數定義如下:

重點在於s是復數,且僅在s的實部大於1的情況下,該級數才收斂。
但是黎曼這個神人做了一個“解析拓延”,這是這里面的重中之重,比如上面的級數最初的定義域是在大於1的自然數上定義的,但后來逐步拓展到大於一的實數,然后最終拓展到復平面。總之這里解析拓延是黎曼猜想的重中之重,也是水很深的地方,我只能做這么個粗淺解釋,有興趣可以自己研究 。
用積分形式的定義如下:

看上面的積分形式定義,問題又來了,這個分母中的函數是個什么鬼?怎么念?

這個函數的定義如下:

其實就是個階乘函數,但是偏移掉最大的一個數。
歐拉證明素數無限的方法,:
- If Q is prime, you’ve found a prime that was not in your “list of all the primes”.
- If Q is not prime, it is composite, i.e made up of prime numbers, one of which, p, would divide Q (since all composite numbers are products of prime numbers). Every prime p that makes up P obviously divides P. If p divides both P and Q, then it would have to also divide the difference between the two, which is 1. No prime number divides 1, and so the number p cannot be on your list, another contradiction that your list contains all prime numbers.
求在給定正整數范圍內有多少素數,是一個很有用的函數,記為π(x), 容易理解這個函數是個階梯函數,每當x為素數時階躍1,來看一眼這個函數的圖像,大概也能感覺到素數分布之規律難尋:
素數定理:
用python畫了一下分母的這個函數x/ln(x)的趨勢,如下圖:
把黎曼zeta函數跟素數發生關系的一個公式:歐拉乘積公式(Euler product formula)
右邊的p是所有的素數。
這個結論乍看起來一頭霧水,這樣一個無窮級數怎么能跟素數的某種形式的練乘掛上鈎呢?下面就做一個簡單的證明:
首先對zeta函數(級數形式)兩邊都乘以第二項
然后跟原始的等式按如下方式做差:
其結果就是右邊的項中分母中底數為2的倍數的項都沒了。
再來做類似的操作,等式兩邊乘以右邊第二項:
然后再跟之前的等式兩邊同時做差。得到下式:
說白了這里不過是一些處理無窮級數項的小技巧而已,沒什么復雜的,但是通過不斷地做以上的操作,類推下去,最終會把右邊的項,全部干掉,只剩下1:
然后左邊的項,看剩下的分母中的底數,為2,3,5,7 。。。等,全是素數。為什么會全是素數呢?其實如果知道埃拉托斯特尼篩法,自然就能理解了,原理大概就是例如求100以內的所有素數,只要把2的倍數全部剔除,再把3的倍數全部剔除,順序往下,把沒剔除的數的倍數全部剔除,直到沒得剔了,那么剩下的數就是素數,很直觀的一種方法。
至此,證畢,起碼到此為止的成就是,把素數跟Zeta函數掛上鈎了。但是zeta函數的那些非平凡零點又意味着什么,暫時還不知道。
又仔細研究了下,得到的結論大概是這樣:zeta函數在復平面上的非平凡零點跟素數分布有着緊密聯系,具體怎么聯系的,體現在類似素數定理的誤差項,已經證明的是非平凡零點的實部在0到1的條狀帶內,而黎曼猜想的標書則更強,直接定位在實部等於1/2處,這樣相當於獲得了更強的素數計數函數的誤差項:
那么如果證明出來里面函數會有什么影響?答案我的理解是這樣,考慮到黎曼猜想在結論層面,已經很多人默認它為真並基於它去做一些具體的事了,那么如果最終被證明,對這些已經默認它為真的事情理應是沒啥影響,考慮到現在已經找到的大量的零點都符合黎曼猜想,這個猜想的成立的概率還是挺大的,於是在現實應用層面,證明了更不應該會有什么影響,倒是如果被證偽了,影響會比較大,但在現實應用層面(例如密碼學)影響也有限,不會是顛覆性的。
但是可能的大的影響是來自證明過程的,例如素數定理本身就是研究黎曼猜想的過程中引出來的,那么如果真正證明出黎曼猜想,大概率其過程中會有新的一些重要發現。
牽涉到的一些數學概念:
素數定理, 解析延拓,虛數指數函數的意義, 連續統