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

При выполнении суммирования южная часть критической полосы играет ключевую роль. На рисунках 21.2и 21.3были показаны лишь первые несколько нулей вдоль северной половины критической прямой. Для создания более полной картины, включающей и южную половину этой прямой, в самой левой части рисунка 21.4 показана плоскость комплексных чисел с отмеченной критической полосой от 1/ 2− 15 i до 1/ 2+ 15 i . Этого достаточно, чтобы был виден первый нуль при 1/ 2+ 14,134725 i , а также его комплексное сопряжение 1/ 2− 14,134725 i . Они отмечены буквами ρ и ρ' .

Рисунок 21.4.Критическая прямая, продолженная до первой пары нетривиальных нулей, и ее отображение сначала с помощью функции 20 z , а затем с помощью функции Li(20 z ).

Рассматривая эту плоскость как плоскость аргумента для функции 20 z , мы получаем на средней части рисунка 21.4картинку типа «сюда» в плоскости значений — окружность радиуса √20, где, как и на рисунке 21.2, отмечено 20 ρ , а наряду с этим отмечено еще и 20 ρ' . Заметим, что, когда аргументы комплексно сопряжены друг другу, сопряжены и значения функции. Такое происходит не со всеми функциями, но, по счастью, происходит с функцией 20 z. Если мы применим функцию Li, на этот раз используя в качестве ее плоскости аргумента среднюю часть рисунка 21.4, то мы увидим, что критическая прямая, которая намоталась на эту окружность бесконечное число раз под действием функции 20 z , теперь разматывается в симпатичную двойную спираль в правой части рисунка. (Рисунок 21.3представлял собой «наезд камеры» на верхнюю часть этой спирали.) И по-прежнему, когда аргументы комплексно сопряжены друг другу, сопряжены и значения.

Осталось заметить еще только одну вещь перед тем, как мы приступим к сумме ∑ ρ Li(20 ρ ). Показанная спираль — что лучше всего видно из рисунка 21.3— стремится к точке своего назначения не слишком быстро. Скорость, с которой она сходится, по сути дела гармоническая: если представить себе, что муравей Арг шагает на север по критической прямой, а на его приборчике выставлена функция Li(20 ρ ), то муравей Знач будет двигаться по спирали, постепенно приближаясь к точке πi — приближаясь на расстояние, обратно пропорциональное высоте, на которую забрался муравей Арг. Если последний вскарабкался на высоту T , то муравей Знач будет находиться от точки πi примерно на расстоянии, пропорциональном 1/ T .

Имея это в виду, мы теперь готовы взяться за сумму ∑ ρ Li(20 ρ ). Сложению подлежат комплексные числа, соответствующие всем нашим точкам на спирали, изображенной на рисунке 21.3, а также их комплексно сопряженным точкам на соответствующей южной части спирали. Поскольку для каждой точки северной спирали имеется ее зеркальное отображение на южной, все мнимые части сократят друг друга: для каждого a + bi найдется соответствующее a − bi, так что при их сложении получится просто 2a . Ну и отлично, потому что J(x) — вещественное число, и решительно не годится иметь мнимые слагаемые в правой части выражения (21.1)! Это и вправду хорошая новость, потому что она означает, что складывать надо только вещественные (т.е. западно-восточные) части точек на рисунке 21.3. Вклад южного полушария сводится просто к тому, что ответ удваивается, т.е. (a + bi) + (a − bi) = 2а.

Остальные новости похуже. Точки, раскиданные по спирали на рисунке 21.3, как уже было замечено, сходятся к числу πi — а их вещественные части, стало быть, сходятся к нулю — с гармонической скоростью. Сложение вещественных частей всех этих точек, следовательно, чревато опасностью, что мы будем складывать нечто вроде гармонического ряда, который, как мы помним из главы 1, расходится. Откуда нам знать, что сумма ∑ ρ Li(20 ρ ) сходится?

Делу помогает тот факт, что вещественные части этих точек то положительны, то отрицательны. На самом деле наша сумма похожа не на гармоническую сумму, а на ее близкого родственника, с которым мы бегло встречались в главе 9.vii:

Слагаемые здесь приближаются к нулю гармонически: 1, 1/ 2, 1/ 3, 1/ 4, 1/ 5, …, но чередующиеся знаки плюс и минус означают, что каждый следующий член до некоторой степени сокращает предыдущий, что и приводит к сходимости. Но эта сходимость, если использовать введенную в главе 9.vii терминологию, лишь условна. Она зависит от суммирования всех членов в правильном порядке.

Так же обстоит дело и с рядом ∑ ρ Li(20 ρ ). Если мы желаем обеспечить сходимость к правильному числу, то нам следует проявлять осторожность относительно порядка суммирования. Так каков же правильный порядок? Он ровно такой, как вы и подумали. Берем нули один за другим, двигаясь вверх по критической прямой, и прибавляем к каждому его комплексно-сопряженный нуль из южной части.