Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике. - Дербишир Джон

Исследование простых чисел самих по себе тем временем шло своим чередом, без особенных приложений к Гипотезе, но все же с часто выражаемой надеждой, что новые результаты о распределении простых чисел прольют свет на причину, по которой Гипотеза на самом деле верна — или, если уж так случится, неверна. Ключевыми продвижениями здесь явились развитие в 1930-х годах вероятностной модели для распределения простых чисел и данное в 1949 году Сельбергом «элементарное» доказательство Теоремы о распределении простых чисел, рассмотренной в главе 8.iii.

Рассказывая об этих достижениях, я буду стараться, чтобы в каждый данный момент было ясно, какое из направлений рассматривается, хотя временами ради поддержания общей хронологии рассказа придется перескакивать с одного на другое. Начнем с небольшого вступительного замечания о «вычислительном» направлении, ибо оно проще всего для понимания нематематиками. Каковы в реальности значения — числовые значения — нетривиальных нулей дзета-функции? Как их можно вычислить? И если взять их все вместе, то каковы будут их статистические свойства?

VIII.

Первые конкретные сведения о нулях были получены датским математиком Йоргеном Грамом, вскользь упоминавшимся в главе 10. Будучи математиком-любителем, не работавшим ни в каком университете (а работавшим, подобно поэту Уоллесу Стивенсу, управляющим страховой компанией), Грам, похоже, в течение нескольких лет забавлялся с методами, позволяющими реально вычислять положения нетривиальных нулей (происходило это, понятно, задолго до эры компьютеров). В 1903 году, остановившись на достаточно эффективном методе, он опубликовал список 15 «первых» нулей — тех, которые расположены выше вещественной оси и лежат ближе всего к ней. На рисунке 12.2 грамовские нули показаны жирными точками на критической прямой. Его список, содержавший кое-какие неточности в последних из приведенных знаков после запятой, начинался как

1/2 + 14,134725i, 1/2 + 21,022040i, 1/2 + 25,010856i, ….

Рисунок 12.2. Грамовские нули.

Каждый из выписанных нулей, как видно, имеет вещественную часть, равную одной второй.[110] (А кроме того, существование каждого из корней предполагает и существование сопряженного, расположенного под вещественной осью: 1/2 − 14,134725i и т.д. Я буду считать этот факт само собой разумеющимся и не буду упоминать его специально до главы 21, когда он снова станет важным.) Поэтому в тех пределах, докуда они простираются, эти нули подтверждают справедливость Гипотезы Римана. Однако простираются они не слишком далеко. Известным фактом про число нулей — неявно содержавшимся в работе Римана 1859 года — было то, что число их бесконечно. Все ли они имеют вещественную часть, равную одной второй? Риман полагал, что дело так и обстоит — в этом-то и состояла его мощная Гипотеза. Но в тот момент никто не знал, как к этому подступиться.

После появления списка Грама математики, должно быть, взирали на него со священным ужасом. Тайна распределения простых чисел, которая удерживала на себе внимание математиков со времен легендарного Гаусса, оказалась каким-то образом заключенной в перечне чисел: 1/2 + 14,134725i, 1/2 + 21,022040i, 1/2 + 25,010856i, …. Но как?! Их вещественные части, без сомнения, равняются одной второй, как и предполагал Риман; однако мнимые части не проявляют никакого очевидного порядка или системы.

Я только что сказал: «Математики, должно быть…» Мне надо было бы сказать: «Несколько математиков в континентальной Европе, должно быть…» Одержимость Гипотезой Римана, захватившая математиков в течение XX столетия, в 1905 году только набирала силу. Во многих частях света о ней толком и не знали. В следующей исторической части нашего повествования мы с читателем отправимся в Англию, в период эдвардианского расцвета ее имперской славы. Но сначала позвольте показать вам, как же на самом деле выглядит дзета-функция.

Глава 13. Муравей Арг и муравей Знач

I.

Предположим, что, как я и пытался вас убедить, комплексные числа представляют собой простое и понятное расширение обычных вещественных чисел и подчиняются всем обычным правилам арифметики с тем единственным добавлением, что i2 = −1; кроме того, вспомним, что функции занимаются тем, что превращают числа из одной области — своей области определения — в числа из другой области; так вот, есть ли какая-нибудь причина, которая препятствует существованию функций от комплексных чисел? Никаких таких причин нет.

Функция возведения в квадрат, например, прекрасно работает для комплексных чисел в соответствии с правилами умножения. Скажем, квадрат числа −4 + 7i есть (−4 + 7i)×(−4 + 7i), что равно 16 − 28i − 28i + 49i2, т.е. −33 − 56i. В таблице 13.1 показан «моментальный снимок» функции возведения в квадрат для некоторых случайным образом выбранных комплексных чисел.[111]

z z2 −4 + 7i −33 − 56i 1 + i 2i i −1 0,174 − 1,083i −1,143 − 0,377i

Таблица 13.1. Функция возведения в квадрат.

Читателю, возможно, нелегко в это поверить, но изучение «функций комплексной переменной» представляет собой одно из наиболее элегантных и прекрасных направлений в высшей математике. Области определения всех функций, знакомых нам из школьной математики, легко расширяются на все, или почти все, комплексные числа. Например, в таблице 13.2 приведен «моментальный снимок» показательной функции для некоторых комплексных чисел.

z ez −1 + 2,141593i −0,198766 + 0,30956i 3,141593i −1 1 + 4,141593i −1,46869 − 2,28736i 2 + 5,141593i 3,07493 − 6,71885i 3 + 6,141593i 19,885 − 2,83447i

Таблица 13.2. Показательная функция.

Заметим, что, как и ранее, когда мы увеличивали аргументы «по сложению» — а сейчас, разумеется, дело обстоит таким же образом, поскольку к аргументу каждый раз прибавляется 1 + i, — значения функции изменяются «по умножению», в данном случае за счет умножения на 1,46869 + 2.28736i. Если бы мы взяли аргументы, отличающиеся друг от друга прибавлением каждый раз числа 1, то, конечно, получающиеся значения отличались бы умножением на e. Заметим еще, что в эту таблицу включено одно из самых прекрасных тождеств во всей математике:

eπi = −1.

Говорят — и я полагаю, что такое вполне могло быть, — Гаусс утверждал, что если истинность этого выражения не становится для вас очевидной сразу же, при первом взгляде на него, то вы никогда не станете первоклассным математиком.

Но как же вообще можно определить комплексную степень числа e, как, впрочем, и любого другого числа? С помощью ряда, вот как. Следующее выражение дает реальное определение того, что такое ez для вообще любого числа z, будь оно вещественным или комплексным (13.1):