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素数 Zeta 函数


PrimeZeta

素数 zeta 函数

 P(s)=sum_(p)1/(p^s),
(1)

其中求和针对 素数,是 黎曼 zeta 函数 的推广

 zeta(s)=sum_(k=1)^infty1/(k^s),
(2)

其中求和针对所有正整数。换句话说,素数 zeta 函数 P(s) 在正实轴上方示出,其中虚部用黄色表示,实部用红色表示。(与 Fröberg 图中出现的符号差异可能是由于 ln(-1) 使用了不同的约定所致。)

对于此函数使用了各种术语和符号。术语“素数 zeta 函数”和符号 P(s) 由 Fröberg (1968) 使用,而 Cohen (2000) 使用符号 S_s

sigma>1 时,该级数绝对收敛,其中 s=sigma+it,可以解析延拓到条带 0<sigma<=1 (Fröberg 1968),但由于 黎曼 zeta 函数临界线 t=1/2 上的非平凡零点导致奇点沿 虚轴 聚集,因此无法延拓到直线 sigma=0 之外 (Landau and Walfisz 1920, Fröberg 1968)。

如上左图所示(其中 实部 用红色表示,虚部 用黄色表示),该函数在实轴上对于 s=1/k 具有奇点,其中 k 遍历所有无平方因子的正整数。对于 s 接近 1,P(s) 具有以下展开式

 P(1+epsilon)=-lnepsilon+C+O(epsilon),
(3)

其中 epsilon>0

C=sum_(n=2)^(infty)(mu(n))/nlnzeta(n)
(4)
=-0.315718452...
(5)

(OEIS A143524),其中 mu(k)莫比乌斯函数,而 zeta(n)黎曼 zeta 函数 (Fröberg 1968)。

PrimeZetaFunctionIm

素数 zeta 函数在上面针对 R[s]=1/2R[s]=1 绘制 (Fröberg 1968)。

PrimeZetaReIm
PrimeZetaContours

素数 zeta 函数在上面在复平面中示出。

素数 zeta 函数可以用 黎曼 zeta 函数 表示为

ln[zeta(s)]=-sum_(p>=2)ln(1-p^(-s))
(6)
=sum_(p>=2)sum_(k=1)^(infty)(p^(-ks))/k
(7)
=sum_(k=1)^(infty)1/ksum_(p>=2)p^(-ks)
(8)
=sum_(k=1)^(infty)(P(ks))/k.
(9)

反转后得到

 P(s)=sum_(k=1)^infty(mu(k))/kln[zeta(ks)]
(10)

(Glaisher 1891, Fröberg 1968, Cohen 2000)。

素数 zeta 函数在 Wolfram 语言 中实现为PrimeZetaP[s]。

合数 c_n狄利克雷生成函数 由下式给出

sum_(n=1)^(infty)1/(c_n^s)=1/(4^s)+1/(6^s)+1/(8^s)+1/(9^s)+...
(11)
=zeta(s)-1-P(s).
(12)

P(1)调和级数 的类似物,发散,但对于 n>1 的级数收敛是二次的。然而,从 P(1) 的和中删除初始项(并将 欧拉-马歇罗尼常数 gamma 添加到结果中)得到简单的 梅尔滕斯常数

B_1=gamma-sum_(n=2)^(infty)(P(n))/n
(13)
=gamma+sum_(m=2)^(infty)(mu(m))/mln[zeta(m)]
(14)
=0.2614972128...
(15)

(OEIS A077761)。

阿廷常数 C_(Artin)P(n) 通过下式关联

 lnC_(Artin)=-sum_(n=2)^infty((L_n-1)P(n))/n,
(16)

其中 L_n卢卡斯数 (Ribenboim 1998, Gourdon and Sebah)。

下表给出了前几个整数 n (从 2 开始)的 P(n) 值。Merrifield (1881) 计算了 P(n)n 高达 35 位到 15 位数字的值,Liénard (1948) 计算了 P(n) 在高达 n=167 位到 50 位数字的值 (Ribenboim 1996)。Gourdon 和 Sebah 给出了 2<=n<=8 高达 60 位数字的值。

nOEISP(n)
2A0855480.452247
3A0855410.174763
4A0859640.0769931
5A0859650.035755
6A0859660.0170701
7A0859670.00828383
8A0859680.00406141
9A0859690.00200447
100.000993604
PrimeZetaRoots

根据 Fröberg (1968) 的说法,关于根 P(s) 知之甚少。上面的图显示了复平面一部分中零点的位置(左图)以及零实部(红色)和虚部(蓝色)的等值线,根以黑点表示(右图)。


另请参阅

阿廷常数, 调和级数, 莫比乌斯函数, 素数和, 黎曼 Zeta 函数, Zeta 函数

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参考文献

Cohen, H. "High Precision Computation of Hardy-Littlewood Constants." Preprint. http://www.math.u-bordeaux.fr/~cohen/hardylw.dvi.Cohen, H. Advanced Topics in Computational Number Theory. New York: Springer-Verlag, 2000.Dahlquist, G. "On the Analytic Continuation of Eulerian Products." Arkiv för Math. 1, 533-554, 1951.Davis, H. T. Tables of the Higher Mathematical Functions, Vol. 2. Bloomington, IN: Principia Press, p. 249, 1933.Fröberg, C.-E. "On the Prime Zeta Function." BIT 8, 187-202, 1968.Glaisher, J. W. L. "On the Sums of Inverse Powers of the Prime Numbers." Quart. J. Math. 25, 347-362, 1891.Gourdon, X. and Sebah, P. "Some Constants from Number Theory." http://numbers.computation.free.fr/Constants/Miscellaneous/constantsNumTheory.html.Hardy, G. H. and Wright, E. M. An Introduction to the Theory of Numbers, 5th ed. Oxford, England: Oxford University Press, pp. 355-356, 1979.Haselgrove, C. B. and Miller, J. C. P. "Tables of the Riemann Zeta Function." Royal Society Mathematical Tables, Vol. 6. Cambridge, England: Cambridge University Press, p. 58, 1960.Landau, E. and Walfisz, A. "Über die Nichfortsetzbarkeit einiger durch Dirichletsche Reihen definierter Funktionen." Rend. Circ. Math. Palermo 44, 82-86, 1920.Liénard, R. Tables fondamentales à 50 décimales des sommes S_n, u_n, Sigma_n. Paris: Centre de Docum. Univ., 1948.Merrifield, C. W. "The Sums of the Series of Reciprocals of the Prime Numbers and of Their Powers." Proc. Roy. Soc. London 33, 4-10, 1881.Muñoz García, E. and Pérez Marco, R. "The Product Over All Primes is 4pi^2." Preprint IHES/M/03/34. May 2003. http://inc.web.ihes.fr/prepub/PREPRINTS/M03/Resu/resu-M03-34.html.Muñoz García, E. and Pérez Marco, R. "The Product Over All Primes is 4pi^2." Commun. Math. Phys. 277, 69-81, 2008.Ribenboim, P. The New Book of Prime Number Records. New York: Springer-Verlag, 1996.Sloane, N. J. A. Sequences A077761, A085541, A085548, A085964, A085965, A085966, A085967, A085968, A085969, and A143524 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

在 Wolfram|Alpha 中被引用

素数 Zeta 函数

请引用为

Weisstein, Eric W. “素数 Zeta 函数。” 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/PrimeZetaFunction.html

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