リーマンゼータ関数

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複素数平面におけるリーマンのゼータ関数。点 s における色が ζ(s) の値を表しており、濃いほど 0 に近い。色調はその値の偏角を表しており、例えば正の実数は赤である。s = 1 における白い点は極であり、実軸の負の部分および臨界線 Re(s) = 1/2 上の黒い点は零点である。

数学におけるリーマンゼータ関数（〜かんすう、リーマンのゼータ関数とも、Riemann's zeta function）とは、

$\zeta (s) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^s}}$

で表される関数のことをいう。素数分布の研究をはじめとした解析的数論における重要な研究対象であり、数論や力学系の研究を始め数学や物理学の様々な分野で用いられているゼータ関数とよばれる一連の関数のうち、最も歴史的に古いものである。

ガンマ関数を用いれば、リーマンゼータ関数を

$\zeta (s) = \frac{1}{\Gamma (s)}\int_0^\infty \frac{u^{s-1}}{e^u-1}du$

とも定義できる。

すでにオイラーがこの関数を考察しておもに特殊値に関する重要な発見をしていたが、のちにより重要な貢献をしたリーマンがもちいたギリシャ文字のζによる表記にちなみリーマンゼータ関数と呼ぶ。上記級数は s が 1 より大きい実部をもつ複素数のときのみ収束するが、解析接続によって1を除く複素数平面の全域で定義された有理型関数となる。s = 1のとき上の表示は調和級数となり、無限に発散する。

[編集] ゼータ関数の特殊値

ゼータ関数に整数を代入したものをゼータ定数またはゼータ関数の特殊値と言う。任意の正の偶数2nについて

$\zeta(2n) = (-1)^{n+1}\frac{B_{2n}(2\pi)^{2n}}{2(2n)!}$

と表せる。ここで、B_2nはベルヌーイ数である。また、n ≥ 1の時、

$\zeta(-n)=-\frac{B_{n+1}}{n+1}$

が成り立つ。s が負の偶数であれば ζ(s) = 0 であり（算出はフーリエ級数参照）、これらをリーマン・ゼータ関数の自明な零点とよぶ。これらの表示はオイラーによる。

具体的には、

$\zeta(0) = -\frac{1}{2},\!$
$\zeta (2) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^2}} = { \pi^2 \over 6 } = 1.6449\dots$ 　（→バーゼル問題）
$\zeta (4) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^4}} = { \pi^4 \over 90 } = 1.0823\dots$
$\zeta (6) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^6}} = { \pi^6 \over 945 } = 1.0173...\dots$
$\zeta(8) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^8}} = \frac{\pi^8}{9450} = 1.00407... \dots$
$\zeta(10) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^{10}}} = \frac{\pi^{10}}{93555} = 1.000994...\dots$
$\zeta(12) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^{12}}} = \frac{691\pi^{12}}{638512875} = 1.000246\dots$
$\zeta(14) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^{14}}} = \frac{2\pi^{14}}{18243225} = 1.0000612\dots$

が成り立つ。ここで、

$ζ(2 n) = η n π 2 n$

とおくと、

$\eta_1 = \frac{1}{6}$
$\eta_n=\sum_{\ell=1}^{n-1}(-1)^{\ell-1}\frac{\eta_{n-\ell}}{(2\ell+1)!}+(-1)^{n+1}\frac{n}{(2n+1)!}$

が成り立つ。この漸化式はベルヌーイ数の漸化式から導かれる。

s が正の奇数のときの ζ(s) を表す簡潔な表現は得られていない。それでもラマヌジャンなどは次のような表示式を得ている。

$\zeta(2n+1)=2^{2n}\pi^{2n+1}\sum^{n+1}_{k=0}(-1)^{k+1}\frac{B_{2k}}{(2k)!}\frac{B_{2n+2-2k}}{(2n+2-2k)!}-2\sum^{\infin}_{k=1}\frac{k^{-2n-1}}{e^{2\pi k}-1}$

小さい正の奇数については、

$\zeta(1) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n}} = \infty$ (→調和級数)
$\zeta(3) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^3}} = 1.20205\dots$ (アペリー定数)
$\zeta(5) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^5}} = 1.03692\dots$
$\zeta(7) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^7}} = 1.00834\dots$
$\zeta(9) = \sum^{\infin}_{n=1} { 1 \over {n^9}} = 1.002008\dots$

などが数値的に成り立っている。

これらに関して、

$\zeta(3)=\frac{\pi^2}{7} \left( 1-4\sum_{k=1}^\infty \frac {\zeta (2k)} {(2k+1)(2k+2) 2^{2k}} \right)$

$\zeta(5)=\frac{1}{294}\pi^5 -\frac{72}{35} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^5 (e^{2\pi n} -1)} -\frac{2}{35} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^5 (e^{2\pi n} +1)}$

$\zeta(5)= 12 \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^5 \sinh (\pi n)} -\frac{39}{20} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^5 (e^{2\pi n} -1)} -\frac{1}{20} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^5 (e^{2\pi n} +1)}$

$\zeta(7)=\frac{19}{56700}\pi^7 -2 \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^7 (e^{2\pi n} -1)}$

という級数が知られている。アペリーの定理によるとζ(3)は無理数である(1978年,ロジェ・アペリ)。

[編集] オイラー積

ゼータ関数と素数との最初の関連はオイラーによって示された。すべての素数 p をわたる無限積によってリーマンゼータ関数は

$\zeta(s) = \prod_{p:\mathrm{prime}} \frac {1}{1-p^{-s}}$

という表示を持つ。これをオイラー積あるいはオイラー表示という。この無限積が Re(s) > 1のときゼータ関数に絶対収束していることは、幾何級数（等比級数）の公式

$\frac{1}{1-p^{-s}} = \sum_{n=0}^{\infty} (p^{-s})^n = 1 + p^{-s} + p^{-2s} + \cdots$

が絶対収束すること（特に有限和のように分配法則が成り立つこと）に注意して、十分に大きな素数 p' を固定し、それ以下の素数 p にを亘る有限積をつくり、その p' → ∞ とした極限を考えることで示すことが出来る。この部分有限積の展開について、自然数 n の素因数分解に現れる最大の素因数が p' であれば、そこまでの有限積の中に n が含まれるため、上のようなゼータ関数のオイラー積表示が成り立っている。

[編集] ゼータ関数の表示と関数等式

ゼータ関数は次のような表示ももつ：

$\zeta(s)=\exp\left(\frac{\gamma +\log \pi}{2}s-\log 2\right) \frac{1}{s-1} \prod_{\rho}\left(1-\frac{s}{\rho}\right) \prod^{\infin}_{n=1}\left(1+ \frac{s}{2n}\right)e^{-{s/2n}}$

ここで ρ に関する積はリーマン・ゼータ関数の複素零点全体をわたるものとする。この式から、

$\zeta(s)-\frac{1}{s-1}$

は整関数であることがわかる。実際

$\zeta(s)-\frac{1}{s-1}=\gamma-\gamma_{1}(s-1)+\gamma_{2}(s-1)^{2}-...$

ここで γ はオイラーの定数、γ_i はスティルチェスの定数と呼ばれているものである。オイラーは1749年に

$\zeta(s)(1-{2^{1-s}})= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}}{n^s}.\!$

という式を推測している。

またゼータ関数は、リーマンの1859年の論文『与えられた数より小さい素数の個数について』のなかで

$\zeta(s) = 2^s\pi^{s-1}\ \sin\left(\frac{\pi s}{2}\right)\ \Gamma(1-s)\ \zeta(1-s)$

という関数方程式を持つことが示された。ここでΓはガンマ関数である。これは複素解析的関数の解析接続がはじめて明示的におこなわれた例である。

次のように修正されたゼータ関数（これは実質的にリーマンによって導入され、完備化されたゼータ関数と呼ばれる）

$\xi(s)=\pi^{-s/2}\Gamma\left(\frac{s}{2}\right)\zeta(s)$

は s と 1 - s に関する以下のような対称的な関数等式をもつ：

$ξ(s) = ξ(1 - s).$

[編集] ゼータ関数と数論的関数

ゼータ関数を適当に組み合わせることにより、様々な数論的関数を係数とするディリクレ級数の母関数を得ることができる。

たとえば、ゼータ関数の逆数はメビウス関数 μ(n) を用いて

$\frac {1}{\zeta (s)} = \sum_{n=1}^{\infin} \frac {\mu (n)}{n^s}$

と表せる。この式と ζ(2) の値から、分布が一様であるという仮定のもと、任意に取り出した二つの整数が互いに素である確率は 6/π² であることが証明できる。

自然数 n の（正の）約数の個数を d(n), すべての約数の和を σ(n) で表すとき、

${\zeta (s)}^2 = \sum_{n=1}^{\infin} \frac {d (n)}{n^s}$
${\zeta (s)}{\zeta (s-1)} = \sum_{n=1}^{\infin} \frac {\sigma (n)}{n^s}$

が成り立ち、また、n と互いに素な n 以下の自然数の個数をオイラーのφ関数 φ(n)で表すとき、

$\frac {\zeta (s-1)}{\zeta (s)} = \sum_{n=1}^{\infin} \frac {\varphi (n)}{n^s}$

なども成り立つ。

[編集] ゼータ関数と素数の個数関数

以下に素数分布、すなわち素数の個数関数 π(x) とゼータ関数との関係をのべる。

まずゼータ関数のオイラー積表示の両辺において対数をとり、テイラー展開で和の中の対数を展開する：

$\log \zeta(s) = \log \prod_{p} \frac {1}{1-p^{-s}} = \sum_{p} \log \frac {1}{1-p^{-s}} = \sum_p \sum_{n=1}^{\infin} \frac {1}{np^{ns}} = \sum_{n=1}^{\infin} \frac {1}{n} \sum_p \frac {1}{p^{ns}}$

ここで各 n ≥ 1 について

$\frac {1}{p^{ns}} = s \int^{\infin}_{p^n} x^{-s-1} dx$

と変形して、先の式に代入すると

$\log \zeta(s) = \sum_{n=1}^{\infin} \frac {1}{n} \sum_p \frac {1}{p^{ns}} = s \sum_{n=1}^{\infin} \frac {1}{n} \sum_p \int^{\infin}_{p^n} x^{-s-1} dx = s \sum_{n=1}^{\infin} {\frac {1}{n} \int^{\infin}_1 \pi (x^{1/n})} x^{-s-1} dx$

通常

$\Pi (x) = \sum_{n=1}^{\infin} \frac {1}{n} \pi (x^{1/n})$

と置いて、最終的に上式は次のように書かれる。

$\frac {\log \zeta (s)}{s} = \int^{\infin}_{1} \Pi (x) x^{-s-1} dx$

この公式に、メリン変換などと呼ばれる積分の反転公式を使うと、Π(x) を表示する公式を求めることができる。この公式は、リーマンの素数公式、あるいは明示公式（explicit formula）などと呼ばれている。なおメビウスの反転公式によって π(x) は

$\pi(x) = \sum_{n=1}^{\infin} \frac {\mu (n)}{n} \Pi (x^{1/n})$

とかけることを注意しておこう。

ゼータ関数の零点の分布に関する未解決問題であるリーマン予想は、素数公式の近似精度に関連している。この予想は純粋数学におけるもっとも重要な未解決問題であると考える数学者は多い。

[編集] 関連項目

セルバーグゼータ関数
フルヴィッツゼータ関数
局所ゼータ関数
合同ゼータ関数
デデキントゼータ関数

[編集] 外部リンク

Eric W. Weisstein. Riemann Zeta Funtion, MathWorld.（英語）
Eric W. Weisstein. Zeta Function, MathWorld.（英語）

[編集] 参考文献

Harold M. Edwards, Riemann's Zeta Function, Dover Publications, 2001. ISBN 0486417409
E. C. Titchmarsh, The Theory of the Riemann Zeta-Function, Oxford University Press: USA, 2nd ed. (rev. by D. R. Heath-Brown), 1987. ISBN 0198533691
日本数学会『岩波数学辞典（第3版）』岩波書店、1985年。ISBN 4000800167
松本耕二『リーマンのゼータ関数』朝倉書店、2005年。ISBN 4254117310

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最終更新 2009年11月9日 (月) 03:00 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
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