Чтение онлайн

на главную - закладки

Жанры

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

И еще одна корректировка. При постепенном приближении к аргументу xв пределах некоторого интервала значений функция (x)внезапно совершает прыжки. Пусть, например, xпостепенно переходит от числа 10 к числу 12. Число простых чисел, не превышающих 10, равно 4 (это 2, 3, 5 и 7), так что значение функции равно 4, когда x = 10 и, равным образом, разумеется, когда x = 10,1, 10,2, 10,3 и т.д. Но при аргументе 11 это значение внезапно совершает прыжок к 5; и для 11,1, 11,2, 11,3, … оно твердо стоит на 5. Математики называют такое «ступенчатой функцией». И здесь нам потребуется корректировка, которую используют довольно часто, когда имеют дело со ступенчатыми функциями. Ровно в той точке, где (x)совершает прыжок, присвоим ей значение, лежащее посередине между

значениями, от которого и до которого она прыгает. Так, при аргументе 10,9, или 10,99, или 10,999999 функция имеет значение 4; при аргументе 11,1, или 11,01, или 11,000001 функция имеет значение 5; но при аргументе 11 это будет 4,5. Сожалею, если это представляется вам немного необычным, но это важно для наших целей. Если мы так сделаем, то все рассуждения из этой главы и из главы 21 будут иметь силу; а если нет, то они не будут работать.

Теперь можно, наконец, продемонстрировать график функции (x)(рис. 19.1). К ступенчатым функциям не сразу привыкаешь, но с математической точки зрения они представляют собой совершенно нормальное явление. Область определения у нас сейчас — все неотрицательные числа. В этой области определения для каждого аргумента имеется единственное значение нашей функции. Дайте мне аргумент, и я скажу вам значение. В математике бывают функции и покруче.

Рисунок 19.1.Функция, считающая простые числа.

III.

Теперь введем другую функцию — также ступенчатую, но при этом слегка более хитрую, чем (x). В статье 1859 года Риман называет ее просто «функция f», но мы вслед за Хэролдом Эдвардсом будем называть ее «функцией J». Со времен Римана математики привыкли использовать fдля обозначения функции вообще: «Пусть f— произвольная функция…» — так что они могут слегка напрячься, увидев fв роли некоторой конкретной функции.

Итак, определим функцию J.Для любого неотрицательного числа xзначение функции Jравно

J(x) = (x) + 1/ 2 ( x) + 1/ 3 ( 3x ) + 1/ 4 ( 4x )+ 1/ 5 ( 5x ) +…. (19.1)

Здесь « » обозначает функцию числа простых чисел именно в том виде, как выше мы ее определили для любого вещественного числа x.

Заметим, что приведенная сумма — небесконечная. Чтобы убедиться в этом, возьмем любое фиксированное число x, скажем, x = 100. Квадратный корень из 100 равен 10; кубический корень равен 4,641588…; корень четвертой степени равен 3,162277…; корень пятой степени 2,511886…; корень шестой степени 2,154434…; корень седьмой степени 1,930697…; корень восьмой степени 1,778279…; корень девятой степени 1,668100… и корень десятой степени равен 1,584893…. Можно было бы, конечно, вычислить и корни одиннадцатой, двенадцатой, тринадцатой степени и т.д., сколько вам заблагорассудится, но в этом нет необходимости, потому что функция числа простых чисел обладает таким очень приятным свойством: если xменьше 2, то (x)равна нулю — просто потому, что нет никаких простых чисел, меньших 2! Таким образом, при вычислении корней из 100 можно было на самом деле остановиться после корня седьмой степени. Вот что мы в результате имеем:

J(100) = (100) + 1/ 2 (10) + 1/ 3 (4,64…) + 1/ 4 (3,16…) + 1/ 5 (2,51…) + 1/ 6 (2,15…) + 0 + 0 + …,

и

если теперь сосчитать число простых, то это равно

J(100) = 25 + ( 1/ 2x4) + ( 1/ 3x2) + ( 1/ 4x2) + ( 1/ 5x1) + ( 1/ 6x1),

что дает 28 8/ 15или 28,53333…. При извлечении корней из любого числа рано или поздно значения падают ниже 2, и начиная с этого места все члены в выражении для функции Jравны нулю. Поэтому для любого аргумента xзначение функции J(x)можно получить, вычисляя конечнуюсумму — существенное улучшение по сравнению с некоторыми из функций, что нам встречались!

Как уже говорилось, функция Jступенчатая. На рисунке 19.2 показано, как она выглядит при аргументах до 10. Как видно, функция Jсовершает прыжок от одного значения к другому, остается на новом значении на некоторое время, потом совершает новый прыжок. Что это за прыжки? Какой закон за ними стоит?

Рисунок 19.2.Функция J(x).

Вглядевшись очень внимательно в выражение (19.1) , мы увидим следующую закономерность. Во-первых, когда x— простое число, функция J(x)совершает прыжок на высоту 1, потому что (x)— число простых чисел, не превышающих x, — при этом увеличивается на 1. Во-вторых, когда xявляется точным квадратом простого числа (например, x = 9, что есть квадрат числа 3), J(x)совершает прыжок на одну вторую, потому что квадратный корень из xесть простое число, а значит, (x)возрастает на 1. В-третьих, когда xесть точный куб простого числа (например, x = 8, что есть куб числа 2), J(x)совершает прыжок на одну треть, потому что кубичный корень из xравен простому числу, а значит, ( 3 x)возрастает на 1, и т.д.

Попутно заметим, что функция Jобладает тем же свойством, которым мы снабдили функцию (x): в точке, где реально происходит прыжок, она принимает значение, лежащее посередине между теми значениями, от которого и до которого она прыгает.

Для полноты представления функции Jна рисунке 19.3 изображен график J(x)при аргументах до 100. Самый маленький прыжок здесь совершается при x = 64 — это число представляет собой шестую степень (64 = 2 6), так что функция Jпрыгает при x = 64 на одну шестую.

Рисунок 19.3.Еще о функции J(x).

Какую пользу может принести подобная функция? Терпение, терпение. Сначала придется совершить один из тех логических скачков, о которых я предупреждал в начале главы.

IV.

Напоминаю в который уже раз, что у математиков есть масса способов обращать соотношения. Дали нам выражение для Pчерез Q— отлично, посмотрим, не найдется ли способа выразить Qчерез P. В течение столетий в математике был развит целый инструментарий для того, чтобы совершать обращения, — он включает набор приемов для использования в самых разных условиях и обстоятельствах. Один из таких приемов носит название мебиусова обращения, и оно-то нам сейчас и нужно.

Поделиться:
Популярные книги

Дважды одаренный. Том II

Тарс Элиан
2. Дважды одаренный
Фантастика:
городское фэнтези
альтернативная история
аниме
5.00
рейтинг книги
Дважды одаренный. Том II

Измена. Тайный наследник

Лаврова Алиса
1. Тайный наследник
Фантастика:
фэнтези
5.00
рейтинг книги
Измена. Тайный наследник

Ваше Сиятельство 7

Моури Эрли
7. Ваше Сиятельство
Фантастика:
боевая фантастика
аниме
5.00
рейтинг книги
Ваше Сиятельство 7

Разбуди меня

Рам Янка
7. Серьёзные мальчики в форме
Любовные романы:
современные любовные романы
остросюжетные любовные романы
5.00
рейтинг книги
Разбуди меня

Тактик

Земляной Андрей Борисович
2. Офицер
Фантастика:
альтернативная история
7.70
рейтинг книги
Тактик

Секретарша генерального

Зайцева Мария
Любовные романы:
современные любовные романы
эро литература
короткие любовные романы
8.46
рейтинг книги
Секретарша генерального

Росток

Ланцов Михаил Алексеевич
2. Хозяин дубравы
Фантастика:
попаданцы
альтернативная история
фэнтези
7.00
рейтинг книги
Росток

Измена. Мой заклятый дракон

Марлин Юлия
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
7.50
рейтинг книги
Измена. Мой заклятый дракон

Третий. Том 3

INDIGO
Вселенная EVE Online
Фантастика:
боевая фантастика
космическая фантастика
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Третий. Том 3

Идеальный мир для Лекаря 4

Сапфир Олег
4. Лекарь
Фантастика:
фэнтези
юмористическая фантастика
аниме
5.00
рейтинг книги
Идеальный мир для Лекаря 4

Лорд Системы

Токсик Саша
1. Лорд Системы
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
рпг
4.00
рейтинг книги
Лорд Системы

Тринадцатый

NikL
1. Видящий смерть
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
6.80
рейтинг книги
Тринадцатый

Последний из рода Демидовых

Ветров Борис
Фантастика:
детективная фантастика
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Последний из рода Демидовых

Отверженный III: Вызов

Опсокополос Алексис
3. Отверженный
Фантастика:
фэнтези
альтернативная история
7.73
рейтинг книги
Отверженный III: Вызов