黎曼猜想原始论文中文译注《论小于某给定值的素数的个数》.docVIP

论小于某给定值的素数的个数 （黎曼提出黎曼猜想的原始论文） 黎曼（Riemann）原稿 谢国芳（Roy Xie）译注 Email:roixie@163.com 承蒙（柏林）科学院接纳我为通讯院士，我想表达被赐予这份殊荣的感谢之情的最好方式是立即利用由此得到的许可向其通报一项关于素数分布密度的研究，考虑到高斯和狄利克雷曾长期对此问题抱有浓厚的兴趣，它似乎并不是完全配不上这样性质的一个报告。 我以欧拉的发现、即下面这个等式作为本研究的起点： 其中等式左边的取遍所有质数，等式右边的取遍所有自然数，我将用表记由上面这两个级数（当它们收敛时）表示的复变量的函数。 {注1： 即定义复变函数 } 上面这两个级数只有当的实部大于1时才收敛，但很容易找到一个（对任意）总是有效的函数的表达式。 {注2：用现代数学语言讲，即要对复变函数进行解析延拓，而解析延拓的最好方法是寻找一个该函数的更广泛有效的表示如积分表示或适当的函数方程。} 利用等式 {注3：是高斯引入的伽玛函数记号，现在一般把伽玛函数记作，，，令积分号中的哑变量即可导出上式。} 可得 {注4： } 现在考虑积分 {注5：按现代数学记号，该积分应记成 或（考虑到一般用z表示复数）， 其中的积分路径C如下面的图1所示。} 积分路径沿从到、包含值0但不包含被积函数的任何其他奇点的区域的正向边界进行。 {注6：参见下面的图1。} 图1 易得该积分的值为 其中我们约定在多值函数中，的取值对于负的为实数。由此即得 {注7： （注意复变量的三角函数的定义由欧拉公式给出），按现代数学记号应记成（参见注5），其中的积分路径C如上面图1所示。关于上式的详细推导参见/My%20Writings/Reply1.htm } 其中的积分由上面所给出的方式定义。现在这一等式对于任意复变量都给出了函数的值，并表明它是单值解析的，并且对于所有有限的（除了1之外）都取有限值，当等于一个负偶数时取零值。 {注8：实际上可证上面等式的右边是一个整函数（请读者思考如何证明），故左边也是一个整函数，注意（参见注3），而在的一级极点和的零点抵消。} 当的实部为负时，上面的积分可以不沿正向围绕给定值的区域进行，而是沿负向包含所有剩下的复数值的区域进行， {注9：参见下面的图2，其中的大圆C’的半径趋向无穷大，从而包含被积函数的所有极点即分母的所有零点 2nπi（n为整数），接下来的计算用现代术语说就是应用柯西的留数定理。} 因为该积分的值对于模无限大的复数为无限小，而在该区域内部，被积函数只有当等于的整数倍时才有奇点，于是该积分即等于负向围绕这些值的积分之和，但围绕值的积分等于， {注10：被积函数在（n≠0）的留数等于 } 于是我们得到 它揭示了一个和之间的关系，利用函数的已知性质，也可以将它表述为： 在变换下不变。 {注11：“的已知性质”即伽玛函数的余元公式和勒让德公式。上述结果的推导参见[注11补]。} 该函数的这一性质诱导我在级数的一般项中引入而不是，由此我们能得到函数的一个很方便的表达式，事实上我们有 {注12： （从笛卡尔开始直到黎曼的时代，一个变量的平方一般用叠写该变量表示，虽然其他次数的方幂都用指数表示）。为了推导上式，只需在中作替换即可。} 因此，如果记 即得 又因为 （雅可比《椭圆函数论新基础》S卷第184页） {注13：黎曼引入的这个函数本质上即雅可比theta函数： 易见 上述恒等式即theta函数的变换公式： 它最早由柯西用傅立叶分析得到，后来雅可比又用椭圆函数给出了证明，详见[注13补]。} 我们又有 {注14：注意在上面的最后一个等式中，我们可以明显看出 在变换下不变。 （ ∵ 和 都在下不变 ） 这样黎曼就再次推导出了的函数方程（这比前面用围道积分和留数定理的推导更简单）。若引入辅助函数 函数方程可以简洁地写为 ，但更方便的做法是在中添加因子（这正是黎曼接下来做的），即令（为了和黎曼的记号保持一致引入数字因子1/2） 因为因子消去了在处的一阶极点，因子消去了在处的极点，而的平凡零点 -2，-4，-6,....和的其余极点抵消，因此是一个整函数，且仅以的非平凡零点为零点。注意到因子显然在下不变，所以仍有函数方程 .} 现在设 , 于是可得 或 {注15：黎曼定义的这个函数和现在通常使用的函数（参见上注）本质上完全相同（注意 ，参见注3），仅有的差别是黎曼以为自变量，而现在通常使用的仍以为自变量，和差一个线性变换： ，即一个90°旋转加1/2的平移。 这样一来，平面中的直线 就对应于平面中的实轴，zeta函数在临界直线上的零点就对应于函数的实根。 注意在黎曼的记号中，函数方程（见上注）就变成了