二,可以通过解析延拓,让ζ(s)在s小于1的地方也获得定义。
三,通过对ζ(s)的研究,可以对小于等于某个数的质数的个数,给出一个明确的表达式,在这个表达式中唯一未知的就是ζ(s)的零点的位置。
四,黎曼猜测ζ(s)的零点都位于某些地方。
由此可见,黎曼在欧拉ζ函数上的研究上,显然是比欧拉更进一步的。
他在加入解析延拓之后,使得ζ(s)在s小于1的地方获得定义。
由此,欧拉ζ函数也就升级成了黎曼ζ函数。
解析延拓又是什么呢?
解析延拓就是扩大一个函数的定义域,使得该函数在一些原本没有定义的地方也有了定义,而在原本有定义的地方还跟原来一样。
例如,在-1,1的区间里定义了一个函数y=x,它的函数图像是一条线段,从(-1,-1)连到(1,1)。将这条线段向两边延伸,而且可以延伸得任意远,这么一来,这个函数的定义域就从区间(-1,1)扩展到了整个数轴。
全体自然数之和等于-1/12的结果,正是黎曼在解析延拓的计算中得来的。
正确的表达方式应该是这样的,——ζ(-1)=-1/12。
黎曼将黎曼ζ函数变形之后,写出了由一个阶梯函数、两个对数积分函数和一个质数计量函数组成的等式,并将这个结果发表了名为《论小于给定数值的质数个数》的论文,等式左边的阶梯函数表示一个质数的n次方等于1/n个质数。
这意味着,这个函数是和质数的分布是相关的。
等式另一边,其中一个是对数积分函数,其自变量取的是黎曼ζ函数的非平凡零点。
从公式中不难看出,质数的全部信息都包含在黎曼ζ函数的非平凡零点之中。
黎曼ζ函数的非平凡零点的位置又在哪呢?
一个非平凡零点p的实部和虚部经常被记为σ和t,即p=σ+it。黎曼很快就证明了,p不可能出现在σ大于1或者σ小于0的地方。也就是说,非平凡零点只可能出现在0≤σ≤1的区域里。
在复平面上,这对应于一条宽度为1的竖直条带,人们把它称为临界带。
而根据黎曼ζ函数的形式,很容易发现零点对于实轴是对称的。
如果σ+it是一个零点,那么它的共轭复数σ-it也是一个零点。
因此,非平凡零点总是上下成对出现的。
再根据黎曼的函数方程,即ζ(s)与ζ(1-s)之间的联系,很容易发现非平凡零点对于σ=1/2这条竖线是对称的。
也就是说,如果σ+it是一个零点,那么1-σ+it也是一个零点。
黎曼计算了几个非平凡零点的位置,发现它们的实部都等于1/2。例如第一、二、三个非平凡零点,实部都等于1/2,而虚部分别约等于141347、210220和250109。
随后他就做出了一个大胆的猜想,——黎曼ζ函数所有的非平凡零点,实部都等于1/2。
而这,就是黎曼猜想。