由于一個(gè)理論模型過(guò)于頭疼,所以打算寫(xiě)點(diǎn)東西放松一下。
正好也已經(jīng)很久不寫(xiě)東西了,最近數(shù)學(xué)界又有兩件大事,所以打算寫(xiě)點(diǎn)東西。
對(duì)于黎曼Zeta函數(shù),最早接觸是在調(diào)和函數(shù)中:
這個(gè)級(jí)數(shù)當(dāng)然是發(fā)散的,不過(guò)它很有趣,因?yàn)橛幸粋€(gè)常數(shù)就和這個(gè)調(diào)和級(jí)數(shù)相關(guān):
調(diào)和級(jí)數(shù)當(dāng)然可以進(jìn)一步拓展,比如p-級(jí)數(shù):
顯然,這個(gè)無(wú)窮級(jí)數(shù)求和的收斂半徑是 ,這個(gè)級(jí)數(shù)就是收斂的,而如果
,那么級(jí)數(shù)就是發(fā)散的。
比如如果p=1,那么就是調(diào)和級(jí)數(shù),它是發(fā)散的;如果p=0,那么就是無(wú)窮個(gè)1相加,也是發(fā)散的;如果p=2,那么結(jié)果是有限的,為 。p在小于0的時(shí)候是一些有趣的無(wú)窮級(jí)數(shù)求和,比如p=-1時(shí)是所有自然數(shù)之和,p=-2時(shí)是所有自然數(shù)的平方和,等等。顯然所有這些無(wú)窮級(jí)數(shù)的和都是發(fā)散的,這點(diǎn)毫無(wú)疑問(wèn)。
但,數(shù)學(xué)上有個(gè)東西叫做“解析延拓”,它的作用就是,如果某個(gè)函數(shù)的定義域是 A,那么我們可以通過(guò)解析延拓,將其推廣到包含A的更大的范圍B中,如果能延拓的話。
比如說(shuō),大家都熟悉下面這個(gè)幾何級(jí)數(shù):
最左側(cè)的幾何級(jí)數(shù),其收斂半徑是1。而且當(dāng) 時(shí),級(jí)數(shù)發(fā)散;當(dāng)
時(shí),級(jí)數(shù)在0和1上振蕩,沒(méi)有普通定義下的求和值,但有Abel求和定義下的求和值:
。而如果
或
,那么這個(gè)級(jí)數(shù)求和顯然是發(fā)散的(但存在拉馬努金和)。
可最右側(cè)的函數(shù),只要 就有定義,從而定義域比級(jí)數(shù)求和的定義域要大得多,是級(jí)數(shù)求和的解析延拓的結(jié)果。很顯然,后者在
的區(qū)域所得到的值,并不是前者的求和值,前者的求和值依然是無(wú)窮,所以上面第二個(gè)等號(hào)雖然寫(xiě)是這么寫(xiě),但實(shí)際上并不是真的相等。
顯然并不是所有函數(shù)都可以被延拓,但上面的p-級(jí)數(shù)求和,恰恰就是可以延拓的那種。
p-級(jí)數(shù)可以寫(xiě)成積分的形式:
這里用到了 函數(shù)的性質(zhì),很容易就能推得。這個(gè)函數(shù)的定義域也是
,但和無(wú)窮級(jí)數(shù)求和不同,現(xiàn)在它已經(jīng)變成了定義域內(nèi)的解析函數(shù)。
利用 函數(shù)的性質(zhì):
,以及負(fù)實(shí)軸上的圍道積分,我們還可以將黎曼
函數(shù)進(jìn)一步解析延拓:
這里圍道積分沿著從實(shí)軸負(fù)無(wú)窮到0再回到負(fù)無(wú)窮的高度趨向0的逆時(shí)針閉合回路。這樣,就可以將函數(shù)解析延拓到 的部分了,只留下
這一個(gè)極點(diǎn)。
由此可得一個(gè)很有用的等式:
這使得我們?cè)谇笠恍? 函數(shù)值的時(shí)候可以方便很多,比如很顯然s為負(fù)偶數(shù)的時(shí)候函數(shù)值為0。
至此,我們就完成了從最開(kāi)始的p-調(diào)和級(jí)數(shù)的求和到黎曼 函數(shù)的解析延拓。
在原級(jí)數(shù)求和的定義域中,我們有 ,但在原定義域之外則沒(méi)有這個(gè)關(guān)系,這就和之前舉的幾何級(jí)數(shù)求和的例子相同。
所以,雖然我們有 ,但并不表示下面這個(gè)無(wú)窮級(jí)數(shù)求和等式成立:
因?yàn)樽筮叺那蠛筒⒉恢苯拥扔趐-級(jí)數(shù)求和的解析延拓,而后者是p-級(jí)數(shù)求和的解析延拓的結(jié)果。
這就是很多看似奇葩的求和結(jié)果的來(lái)源,一個(gè)看著明顯發(fā)散或者振蕩總之不收斂的級(jí)數(shù),都和一些意想不到的常數(shù)通過(guò)等號(hào)聯(lián)系了起來(lái),使得很多人覺(jué)得莫名其妙,但本質(zhì)上這里的等號(hào)都不是真的表示其左右的級(jí)數(shù)和常數(shù)是相等的,而是表示級(jí)數(shù)的解析延拓在給定參數(shù)下等于另一側(cè)的常數(shù)。
事實(shí)上,對(duì)于無(wú)窮級(jí)數(shù)的求和,除了通常的“加法”和“收斂極限”,還有很多不同的方法,比如對(duì)于振蕩級(jí)數(shù)的平均收斂極限,對(duì)應(yīng)的就是Abel和;或者拉馬努金由歐拉-麥克勞林公式得到的拉馬努金和。這些“求和”都與我們平常所理解的求和不同,如果不明確其定義,直接看著等式望文生義的話,往往會(huì)認(rèn)為等式結(jié)果非??尚?。
從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō),這些解析延拓與求和往往都是通過(guò)在原函數(shù)定義域之外丟掉一些無(wú)窮大來(lái)實(shí)現(xiàn)的,比如最簡(jiǎn)單的就是之前的幾何級(jí)數(shù)求和的例子,其有限部分和為:
當(dāng) 時(shí),如果
,那么
,所以結(jié)果自然得到我們之前所熟悉的分式。而當(dāng)
時(shí),
,是一個(gè)發(fā)散項(xiàng),但在
中卻將這個(gè)發(fā)散項(xiàng)給移除了,只保留有限項(xiàng)部分。當(dāng)
時(shí),我們得到的是一個(gè)模為1的不定項(xiàng),在一般級(jí)數(shù)極限的意義下將導(dǎo)致級(jí)數(shù)沒(méi)有收斂極限。
這點(diǎn)在物理上其實(shí)很常見(jiàn),我們?cè)谧隽孔訄?chǎng)論時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到各種無(wú)窮,然后在這些無(wú)窮中扣除一部分與物理無(wú)關(guān)的無(wú)窮,保留下和物理相關(guān)的有限部分,這個(gè)過(guò)程就是“正規(guī)化”(找到物理相關(guān)部分的過(guò)程是“重整化”,扣除的部分是“正規(guī)化”)(所以弦論中上述所有自然數(shù)之“和”等于-1/12的情況是有的,但那是在重整化意義上的“相等”)。在解析延拓的過(guò)程中,我們也可以認(rèn)為是做了一次正規(guī)化,當(dāng)然具體情況要具體分析。
回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)說(shuō)黎曼 函數(shù)。
前面已經(jīng)提到,,這些負(fù)偶數(shù)的零點(diǎn)(即函數(shù)值為0的點(diǎn))被稱為平凡零點(diǎn)。但
函數(shù)本身除了這些平凡零點(diǎn),還包含無(wú)數(shù)個(gè)非凡零點(diǎn),著名的“黎曼猜想”就是針對(duì)這些非凡零點(diǎn)的分布的,簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是:
黎曼猜想:黎曼
函數(shù)的所有非凡零點(diǎn)的實(shí)部分都為
。
這個(gè)猜想寫(xiě)起來(lái)非常簡(jiǎn)單,但實(shí)際上要證明卻是非常困難的。
人們已經(jīng)對(duì)大量(數(shù)十億個(gè))非凡零點(diǎn)做了研究,發(fā)現(xiàn)都滿足黎曼猜想,但這樣只能增加人們的信心,卻并不是證明了黎曼猜想,畢竟發(fā)現(xiàn)再多非凡零點(diǎn)也不過(guò)是有限個(gè),對(duì)無(wú)限個(gè)非凡零點(diǎn),證明力依然很小。
比如說(shuō),素?cái)?shù)定理告訴我們 (其中
是素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù),即小于x的素?cái)?shù)的個(gè)數(shù)),且在人們驗(yàn)證了的范圍內(nèi)都有
,但數(shù)學(xué)家們證明了在大約
左右(大約是一個(gè)316位數(shù)),這個(gè)不等式會(huì)不成立。
可見(jiàn),有限個(gè)數(shù)的驗(yàn)證對(duì)無(wú)窮來(lái)說(shuō),真的沒(méi)什么說(shuō)服力。
那么,黎曼 函數(shù)到底為什么這么重要呢?
一個(gè)最直接的作用,就是它能提供精確的素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)(也就是上面提到的 )。
我們還是從p-級(jí)數(shù)開(kāi)始看起(下面對(duì)于求和如果不另外寫(xiě)明,則對(duì)n的求和表示對(duì)所有自然數(shù),對(duì)p的求和表示對(duì)所有素?cái)?shù)):
這個(gè)等式被稱為歐拉乘積公式,其證明過(guò)程很容易,將所有自然數(shù)項(xiàng)根據(jù)素?cái)?shù)從小到大進(jìn)行篩選,在利用 時(shí)的幾何級(jí)數(shù)求和公式,就能得到。
從而,考慮解析延拓則有:。兩邊取對(duì)數(shù),再考慮泰勒展開(kāi),就有:
我們可以引入一個(gè)輔助函數(shù),稱為黎曼素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)J(x),它是一個(gè)很奇特的階躍函數(shù):
也就是說(shuō),每經(jīng)過(guò)一個(gè)素?cái)?shù)的n次方,該函數(shù)增加 ,且
。因此我們就有
、
、
、
、
、
、
、
,其中下標(biāo)+表示比該值略大(右極限),而在該點(diǎn)處的值為左右極限的平均值。
然后,我們可以使用黎曼-斯蒂爾杰斯積分(一種分區(qū)取樣求和然后取極限的積分法,是初學(xué)積分時(shí)的矩形分割法的升級(jí)版):
其中 、
,
是分片區(qū)間
中的取樣值。
由于黎曼素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù) J 是一個(gè)階躍函數(shù),所以如果取它為上述積分公式中的g,那么積分就變成了求和。而又由于階躍點(diǎn)在素?cái)?shù)的n次方,所以我們就有:
于是,我們就可以把歐拉乘積公式改寫(xiě)為積分形式:
這樣,黎曼 函數(shù)就和黎曼素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)聯(lián)系在了一起。
我們進(jìn)一步用Mellin變換,就可以將黎曼素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)用黎曼 函數(shù)表達(dá)出來(lái)了:
其中a是大于1的實(shí)數(shù)。
而黎曼素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)與素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)之間可以用逆莫比烏斯變換來(lái)聯(lián)系:
其中 是莫比烏斯函數(shù),它有如下特點(diǎn):
- 如果x能寫(xiě)成偶數(shù)個(gè)不同素?cái)?shù)的乘積,則值為1;
- 如果x能寫(xiě)成奇數(shù)個(gè)不同素?cái)?shù)的乘積,則值為-1;
- 否則為0;
- 規(guī)定
。
因此,很顯然,只要我們能得到黎曼 函數(shù)的完整信息,就能得到黎曼素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)J(x),進(jìn)而就能得到素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)
。也就是說(shuō),只要掌握了黎曼
函數(shù),就能知道素?cái)?shù)到底是怎么分布的——也就是說(shuō),我們能找到每一個(gè)素?cái)?shù)了。
而,要計(jì)算黎曼 函數(shù),我們還需要從輔助用的黎曼
函數(shù)入手:
黎曼 函數(shù)利用
函數(shù)以及開(kāi)頭的
,將原來(lái)
函數(shù)中的所有平凡零點(diǎn)和極點(diǎn)都消除了,從而是一個(gè)在整個(gè)復(fù)平面都解析的整函數(shù),并且它的零點(diǎn)就是
函數(shù)的非凡零點(diǎn)。
這個(gè)函數(shù)有兩個(gè)很獨(dú)特的性質(zhì):
以及更重要的:
這里無(wú)窮乘積是對(duì)所有黎曼 函數(shù)的零點(diǎn)求積。
這么一來(lái), 函數(shù)的對(duì)數(shù)就可以寫(xiě)為:
代入黎曼素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù),用一定技巧化簡(jiǎn)后就得到了這么一個(gè)東西:
其中, 就是前面提到的對(duì)數(shù)積分。
至此, 函數(shù)的非凡零點(diǎn)對(duì)素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)的作用終于變得顯然了(所以上述公式被稱為黎曼顯式公式),也因此,我們掌握的非凡零點(diǎn)的精確值越多,我們就能得到越精確的素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù),從而也就能得到越精確的素?cái)?shù)分布。
當(dāng)然,這里不得不說(shuō)的是,計(jì)算非凡零點(diǎn),尤其是其精確值的難度,比判斷一個(gè)數(shù)是不是素?cái)?shù)要難得多得多得多得多得多。在沒(méi)有計(jì)算機(jī)之前,手算也只能得到幾百個(gè)零點(diǎn),但找素?cái)?shù)那可以找?guī)兹f(wàn)個(gè),只要有耐心——算非凡零點(diǎn)可不是光有耐心就足夠的。
那么,黎曼猜想如果被證實(shí)了,對(duì)我們尋找素?cái)?shù)能帶來(lái)多大的影響呢?
事實(shí)上,影響并不是非常大。
我們可以看到,在黎曼素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)中出現(xiàn)了素?cái)?shù)定理中所提到的對(duì)數(shù)積分,以及由非凡零點(diǎn)調(diào)制的高階項(xiàng)(第三項(xiàng)是常數(shù),第四項(xiàng)隨著x的增大而縮小,可以認(rèn)為是高階誤差項(xiàng)),而從聯(lián)系 與
的那個(gè)逆莫比烏斯變換的公式可以看到,其中最主要的共享就來(lái)自于
,因此可以說(shuō)非凡零點(diǎn)決定了
與
之間的偏離程度。
如果黎曼猜想成立,那么這兩個(gè)函數(shù)之間的偏離基本就是 的量級(jí)。但如果黎曼猜想不成立,考慮到
函數(shù)的對(duì)稱性我們可以知道,兩者的偏離就會(huì)達(dá)到
的量級(jí),其中
。
另一方面,如果黎曼猜想成立,我們只需要集中精力在臨界線 上尋找非凡零點(diǎn)就可以了,這對(duì)我們計(jì)算來(lái)說(shuō)會(huì)帶來(lái)一定的便捷——但實(shí)際上,現(xiàn)在計(jì)算零點(diǎn)很多都是在約定黎曼猜想成立的前提下進(jìn)行的,數(shù)以千計(jì)的命題也都是建立在這個(gè)假設(shè)成立的基礎(chǔ)上,所以如果真的被證明成立,對(duì)已有內(nèi)容其實(shí)不會(huì)帶來(lái)太大的影響,最多就是讓本來(lái)就已經(jīng)很放下的心,放得更下一點(diǎn)罷了。
當(dāng)然,也還有一些很讓人出乎意料的領(lǐng)域可能會(huì)有影響,比如物理。
有一個(gè)“Hilbert-Pólya猜想”,是這么說(shuō)的:
黎曼
函數(shù)的非凡零點(diǎn)與某個(gè)厄米算符的本征值對(duì)應(yīng)。
或者簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō),就是存在一個(gè)量子系統(tǒng),其本征能態(tài) 對(duì)應(yīng)了黎曼
函數(shù)的非凡零點(diǎn)
。
事實(shí)上,我們有Montgomery-Odlyzko 定律:
黎曼
函數(shù)的非凡零點(diǎn)分布可以用任何一個(gè)典型隨機(jī)厄米矩陣的本征值分布來(lái)描述。
這次數(shù)學(xué)家Atiyah用來(lái)證明黎曼猜想的尚未公開(kāi)的方法(本文寫(xiě)于22號(hào),Atiyah將于24號(hào)公布其成果,所以寫(xiě)本文的時(shí)候方法尚未公開(kāi)),就有人相信是采用了這種“量子證明法”,構(gòu)造了可能如下形式的哈密頓量:
然后使用算子理論對(duì)其進(jìn)行譜分析所得到的結(jié)論。
總之,就個(gè)人來(lái)看,由于現(xiàn)在其實(shí)很多人都在默認(rèn)黎曼猜想成立的情況下進(jìn)行數(shù)學(xué)工作,得到了很多有意思的結(jié)論,那么進(jìn)一步證明這個(gè)猜想真的成立,也不會(huì)突然帶來(lái)巨大的進(jìn)展或改變——假如說(shuō)證明它不成立,那帶來(lái)的沖擊才叫大呢。
那么,它和RSA加密又有什么關(guān)系呢?
RSA加密的本質(zhì),其實(shí)是大素?cái)?shù)分解,即我們要在知道兩個(gè)很大的素?cái)?shù)p和q,然后使用它們的一些數(shù)論結(jié)果來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密(基本都是模運(yùn)算)。
要破解RSA加密,那本質(zhì)就是在知道p和q的乘積N的情況下,逆向找出p和q。
由于這里涉及的都是素?cái)?shù),所以自然會(huì)有人認(rèn)為如果黎曼猜想被證明成立,那么RSA就岌岌可危了。
這純粹是危言聳聽(tīng)胡說(shuō)八道。
首先,就算黎曼猜想被證明成立,我們計(jì)算非凡零點(diǎn)的進(jìn)程也依然不會(huì)有什么加速——因?yàn)?,人們?cè)缇驮谀J(rèn)黎曼猜想成立的情況下來(lái)尋找非凡零點(diǎn)了(當(dāng)然,數(shù)值驗(yàn)證猜想的人并不局限在這點(diǎn)上,然后數(shù)十億、百億的結(jié)果都支持黎曼猜想)。
其次,就算黎曼猜想的證明讓我們突然能很快地找到所有非凡零點(diǎn),從而找出素?cái)?shù)分布的精確模式,也就是俗話所說(shuō)的找到了素?cái)?shù)地圖,那么也不表示破解RSA所要的從N=pq找出p和q就會(huì)變得很快,畢竟,知道有哪些素?cái)?shù),和找出符合條件的素?cái)?shù),是兩碼事,后者的所要求的計(jì)算量依然是 級(jí)的。
這就好比說(shuō),我告訴你房間里五個(gè)開(kāi)關(guān),控制五盞燈,讓你找出哪一個(gè)開(kāi)關(guān)控制哪一盞燈,然后告訴你這五個(gè)開(kāi)關(guān)具體的位置,能降低你開(kāi)關(guān)燈的次數(shù)么?并不能。
充其量,是我們生成素?cái)?shù)的算法可以有改進(jìn)——這還是在能從黎曼猜想帶來(lái)非凡零點(diǎn)計(jì)算的加速這個(gè)假設(shè)上來(lái)的,而這個(gè)假設(shè)本身并不成立。
要攻破RSA,還是期待量子計(jì)算機(jī)吧——量子Shor算法理論上可以將大數(shù)素?cái)?shù)分解的計(jì)算復(fù)雜度降低到 的量級(jí),這才叫提速。
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