將s=-2代入黎曼zeta函數,是怎樣推出所有自然數的平方和是等於0的?

龍應淮


答:黎曼zeta函數,在自變量為負偶數(-2,-4,-6……)時,均為黎曼函數的平凡零點。


詳細的證明過程很複雜,不過我們可以藉助,早在1749年由大數學家歐拉提到的一個公式:



黎曼在1859年重新證明了這個公式,並且證明了這個公式,對解析拓延後的黎曼zeta函數也適用。

對於上面的公式,很容易看出:當s=-2時,右邊的正弦函數等於零,而2!=2,所以等式左邊的ζ(-2)=0,證畢。



其實,從以上公式,我們可以得到黎曼zeta函數的所有平凡零點。


其中,利用階乘函數有(-s)!=Γ(1-s);

當s=2k,k為整數,即s為偶數時,正弦函數恆等於零,對此情況分析討論:

(1)若s<0,階乘值(-s)!>0,ζ(1-s)>0,此時方程右邊恆等於零,即黎曼函數ζ(s)在取值負偶數時,函數值恆等於零;

(2)若s>0,階乘函數在負整數處發散,黎曼函數在實數域的s>1內收斂;如果我們深究,會發現正弦函數的零點和階乘函數的發散點相互抵消了,所以黎曼zeta函數在正偶數處取值有意義;

(3)s=0,該公式右邊的ζ(1-s)沒有定義,因為黎曼函數的定義域是s≠1;



於是,我們可以得到一個結論:黎曼zeta函數在所有負偶數處的取值都為零。


因為這些零點比較簡單,而且對素數分佈沒有貢獻,所以叫做黎曼函數的平凡零點。


而黎曼猜想真正感興趣的,是那些對素數分佈有貢獻的零點,即非平凡零點。

黎曼猜想的內容既是:那些非平凡零點的實部全是1/2。


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艾伯史密斯


s=-2,這就是黎曼猜想的其中一個平凡零點,你問得問題很好。

要回答這個問題,必須知道一個基本的常識,那就是三角函數sin(x)。

如果我問你,sin(x)=0,那麼x等於多少?

這個當然很簡單,x應該是圓周率的整數倍。

有了這個知識,就可以回答你的問題了,請看下圖:

你看我的上面的圖片,最後三行我把s=-2代入,就可以得到黎曼函數是等於0的。你仔細看看就可以明白。

我們知道,s=-2不在一開始黎曼級數的定義域中,因為這個數字代入的話整個黎曼級數等於無限大。所以我們必須做解析延拓。隨後我們就可以得到黎曼函數在整個複平面上有定義(除了s=1)。

因此,這些負偶整數是黎曼函數的平凡零點。這個事情雖然很簡單,只用到了高中裡的三角函數,但很多科普文章裡都沒有介紹過。


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