научная статья по теме БОЛЬШИЕ ЗНАЧЕНИЯ ДЗЕТА-ФУНКЦИИ РИМАНА НА КОРОТКИХ ПРОМЕЖУТКАХ КРИТИЧЕСКОЙ ПРЯМОЙ Математика

Текст научной статьи на тему «БОЛЬШИЕ ЗНАЧЕНИЯ ДЗЕТА-ФУНКЦИИ РИМАНА НА КОРОТКИХ ПРОМЕЖУТКАХ КРИТИЧЕСКОЙ ПРЯМОЙ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 460, № 6, с. 642-644

= МАТЕМАТИКА

УДК 511.331

БОЛЬШИЕ ЗНАЧЕНИЯ ДЗЕТА-ФУНКЦИИ РИМАНА НА КОРОТКИХ ПРОМЕЖУТКАХ КРИТИЧЕСКОЙ ПРЯМОЙ

© 2015 г. М. А. Королёв

Представлено академиком РАН А.Н. Паршиным 03.06.2014 г. Поступило 25.06.2014 г.

БО1: 10.7868/80869565215060067

В 2001-2006 гг. А.А. Карацубой [1-4] был получен ряд нижних оценок для максимума модуля дзета-функции Римана Z(s) в кругах малого радиуса, расположенных в критической полосе 0 < Res < 1, а также на очень коротких отрезках критической прямой Res = 0.5. Эти результаты получили дальнейшее развитие в работах [5-8].

В частности, в [4] для величины F(T; H) =

= max | Z(0.5 + it)| было получено неравенство

\t - T s h

( \

F( T; H) > lexp

5ln T

a- - 1](ch(aH) - 1)

которое справедливо при любом фиксированном а, 1 < а < я, и любом Н с условием 2 < аН < 1п1пН— — с1, где с1 > 0 — некоторая абсолютная постоянная. Из него следует, например, что при любых б > 0, Т > Т0(б) > 0 и Н > я-1(1 + б)1п1пТ — с1 величина ¥(Т; Н) оценивается снизу некоторой положительной константой

Д Т; Н) > :j^exp(-1.7б-У') > 0.

Отметим, что при 1п1пТ <§ Н < 0.1 Т имеет место оценка

F( T; H) > exp

lnH

4Vlnln H

принадлежащая Р. Баласубраманияну [9] и близкая к предполагаемой окончательной. Поэтому основной интерес в этой проблематике представляют оценки F(T; H) при 0 < H < lnlnT. А.А. Ка-рацуба поставил в [4] задачу доказать неравенство

Математический институт им. В.А. Стеклова Российской Академии наук, Москва Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: korolevma@mi.ras.ru

ДТ; Н) > 1 при Н, существенно меньших 1п1пТ а именно при Н > 1п1п1пТ.

Автором настоящего сообщения получено условное решение задачи Карацубы, а также ряд новых результатов, связанных с поведением функции Б(1) = я-1 аrg ^ (0.5 + Ы), распределением нулей дзета-функции и с так называемым "законом Гра-ма" в теории

Доказательства всех приводимых ниже теорем опираются на гипотезу Римана. Поэтому слова "если верна гипотеза Римана" в их формулировках опускаются.

Теорема 1. Для любого сколь угодно большого фиксированного числа А существуют постоянные с0 = с0(А) и Т0 = Т0(А) такие, что всякий интервал вида (Т- Н, Т + Н), Н> п-11п 1п1пТ + с0, при Т> Т0 содержит точку для которой |^(0.5 + й)|> А.

Метод доказательства теоремы 1 оказывается полезен не только в исследовании максимумов величины

1С( 0.5 + /01 = exp ( 1П |С( 0.5 + /7)|) = = exp ( Яе 1п £( 0.5 + Н)), но и при исследовании экстремумов функции

г) = £( 0.5 + /7) = я-11т 1п £( 0.5 + /7).

В частности, справедливы следующие утверждения.

Теорема 2. Существуют постоянные с0 и Т0 такие, что при любом Т> Т0 и Н> 0.41п 1п1пТ + с0 выполняются неравенства

тах (±£(/)) > 3 + 10-3.

- Т й н

Теорема 3. Для любого сколь угодно большого фиксированного числа А существуют постоянные с0, Т0 и Н такие, что при Т > Т0 и Н > я-11п 1п1пТ + с0 справедливо неравенство

тах (г + Н) - Б{г - Н)) < -А.

- Т й н

Отметим, что даже в ходе вычисления первых 200 миллиардов нулей ^(у), лежащих на критической прямой (8. Wedeniwski, 2003) не было найде-

БОЛЬШИЕ ЗНАЧЕНИЯ ДЗЕТА-ФУНКЦИИ РИМАНА

643

но ни одного значения I, для которого |Б(0| > 4, хотя известно, что функция Б^) неограничена при t —► + да.

Пусть {?„} — последовательность точек Грама, 0 < ух < у2 < ... < уп < уп + 1 ... — ординаты нулей дзета-функции, лежащих в верхней полуплоскости, упорядоченные по возрастанию (а в случае совпадения — в произвольном порядке). Известно, что "в среднем" на один промежуток Грама 0„ = _ 1,

приходится ровно одна ордината нуля £(?). Вместе с тем А. Сельберг [10] установил, что в положительной доле случаев промежуток 0„ не содержит ни одной ординаты, и в положительной же доле случаев содержит не менее двух ординат. Эти факты указывают на значительную нерегулярность в распределении нулей дзета-функции Римана.

Ничего, однако, не известно о том, как распределены промежутки Грама с "аномальным", т.е. отличным от единицы числом ординат. Следующие теоремы дают верхние оценки длины к = к({) интервала (^ t + к), заведомо содержащего "аномальные" промежутки Грама.

Теорема 4. Для любого сколь угодно малого фиксированного б > 0 существуют постоянные с0 = с0(б) и Т0 = Т0(е) такие, что при Т> Т0 и Н> я-11п 1п1пТ+ + с0 на всяком интервале (Т — Н, Т + Н) найдется

не менее N = [0.1^6 ехр((яб)-1)] промежутков Грама, не содержащих нулей £(0.5 + #).

Теорем а 5. Существуют постоянные с0 и Т0 такие, что при Т > Т0 и Н > 0.81п 1п 1пТ + с0 на всяком интервале (Т — Н, Т + Н) найдется промежуток Грама, содержащий не менее двух нулей £(0.5 +й).

Пусть уп — ордината нуля £(«). Определим по ее номеру п целое число т = т(п) так, чтобы выполнялись неравенства tm -1 < Уп < т Следуя Сельбер-гу, положим Ап = т — п. Известно, что Ап Ф 0 для "почти всех" п. Более того, можно показать (см. теорему 5 из [11] и теоремы 4—6 из [12]), что число номеров п < N, удовлетворяющих условию

А„ <

Vlnln N,

при любом х выражается формулой

(

N

1

л/2я

-0.5«

du + O

fln ln ln

л/ In In N

M =

31 (ln N + c0) ln ln ln N .5 n .

промежуток (N, N + M] содержит номера m, n, для которых Am = 3, An = —3.

Введем ряд вспомогательных обозначений: chz = , Ka(z) = exp(—a chz) (a > 0); Л(п) -

функция Мангольдта, равная lnp для простого p и n = pk, k = 1, 2, ..., и равная нулю в остальных

случаях; Л1(п) = Л (n- (n > 2); / — преобразование ln n

Фурье функцииf; ||а|| = min ({а}, 1 — {а}) — расстояние от а до ближайшего целого числа; p1 = 2, p2 = 3, p3 = 5, ... — подряд идущие простые числа, занумерованные в порядке возрастания.

Доказательства перечисленных утверждений опираются на следующее тождество, восходящее к Сельбергу [13].

Лемма 1. Если гипотеза Римана верна, то для любого вещественного t и любого a > 0 справедлива формула

| Ka (я u) ln | Z( 0.5 + i( t + u ))| du =

1 ^ Л1 (n) к flnn\ Л

- ^ 1 __ Ka [ — ) cos (tlnn ) -

П

n = 2

jn

0.5

- 2я J ReKa(n t + niv)dv.

(1)

Следующее утверждение позволяет указать для всякого достаточно большого N целое число М так, чтобы промежуток N + М] заведомо содержал номер п с условием Ап Ф 0.

Теорем а 6. Существуют постоянные с0 и N0 такие, что при N > ^ и

Быстрое убывание функции Ka(nu) при u ^ ±да позволяет заменить левую часть тождества (1) интегралом по отрезку вида |u| < h, где

h = n-1(ln ln lnt - ln(0.5a)) и оценить последний сверху величиной

h +

ц JKa (я u) du <ц J Ka (я u) du = ПKa (0) (2)

-h -да

в случае, если величина ц = max ln | Z(0.5 + i(t + u))|

|u| < h

положительна. Вместе с тем правая часть (1) может быть сделана положительной и достаточно большой за счет выбора t. Такой выбор осуществляется с помощью следующего аналога классической теоремы Дирихле о приближениях (см., например, [14, с. 349]).

Л емма 2. Для любого вектора а = (1, а1, ..., аи), компоненты которого линейно независимы над полем рациональных чисел, для произвольного набора ß1, ß2, ..., ß„ вещественных чисел и для любого б с условием 0 < б < 0.5 существует постоянная С = = С(а; б) > 0 такая, что всякий промежуток вещественной оси длины C содержит точку t, для которой выполняются неравенства

||taj + ßj <s, j = 1, 2, ..., n.

GO

0

GO

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 460 № 6 2015

2*

644

КОРОЛЁВ

Теорему 1 получим из (1), (2), полагая ау = = (2я)—11пру, ру- = 0 для] = 1, 2, ..., N в лемме 2 и подбирая должным образом по заданному числу А параметры а, N 6. Теоремы 2, 3 доказываются подобным образом, но с использованием аналога тождества (1) для мнимой части логарифма

^(0.5 + /(? + и)) и леммы 2 с ау = (2я)—11пру, Ру = ±1

для] = 1, 2, ..., N. Теоремы 4, 5 являются следствиями теоремы 3 и того факта, что количество ординат нулей ^(у), лежащих на промежутке Грама 0„ = = (¿„ -1, ?„], выражается суммой 1 + (Б(1„ + 0) — — — 1 — 0)) (см. лемму 1 из [15]). Наконец, теорема 6 является следствием теоремы 2 и леммы 2 из [12] о связи величин Аи и + 0).

Замечание. Постоянная С(а, б) в лемме 2 является неэффективной. По этой причине постоянные с0, Т0 в теоремах 1—5 и с0, N в теореме 6 также являются неэффективными. Это же обстоятельство не позволяет сделать величину А в теореме 1 растущей функцией Т.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 14—11—00433).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карацуба А.А. // ДАН. 2001. Т. 376. № 1. С. 15—16.

2. Карацуба А.А. // Мат. заметки. 2001. Т. 70. № 5. С. 796-797.

3. Карацуба А.А. // Изв. РАН. Сер. мат. 2004. Т. 68. № 6. С. 99-104.

4. Karatsuba A.A. // Funct. Approx. Comment. Math. 2006. V 35. P. 195-207.

5. Garaev M.Z. // Taiwanese J. Math. 2002. V. 6. № 4. P. 573.

6. Feng S.J. // Acta arithm. 2004. V. 114. № 3. P. 295.

7. Чанга М.Е. // Мат. заметки. 2004. V. 76. № 6. P. 922927.

8. Чанга М.Е. // УМН. 2005. Т. 60. № 3(363). С. 181182.

9. Balasubramanian R. // Hardy-Ramanujan J. 1986. V. 9. P. 1-10.

10. Selberg A. The Zeta-Function and the Riemann Hypothesis. C.R. Dixieme Congres Math. Scandinaves. Copenhagen: Jul. Gjellerups Forlag, 1947. P. 187-200.

11. Бояринов Р.Н. // ДАН. 2011. Т. 438. № 1. С. 14-16.

12. Королёв М.А. // Изв. РАН. Сер. мат. 2012. Т. 76. № 2. С. 67-102.

13. Selberg A. // Arch. Math. Naturvid. 1946. V. 48. № 5. P. 89-155.

14. Воронин С.М., Карацуба А.А. Дзета-функция Римана. М.: Физматлит, 1994.

15. Королёв М.А. // Мат. сб. 2012. Т. 203. № 12. С. 129136.

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 460 № 6 2015

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком