Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике - Джон Дербишир

92 93 94 95 96 97 98 99 100 101

102 103 104 105 106 107 108 109 110 111

Теперь, начиная с 2 и сохраняя при этом саму двойку в неприкосновенности, уберем каждое второе число после 2.

2 3 . 5 . 7 . 9 . 11

. 13 . 15 . 17 . 19 . 21

. 23 . 25 . 27 . 29 . 31

. 33 . 35 . 37 . 39 . 41

. 43 . 45 . 47 . 49 . 51

. 53 . 55 . 57 . 59 . 61

. 63 . 65 . 67 . 69 . 71

. 73 . 75 . 77 . 79 . 81

. 83 . 85 . 87 . 89 . 91

. 93 . 95 . 97 . 99 . 101

. 103 . 105 . 107 . 109 . 111

Первое выжившее число после двойки — это 3. Сохраняя теперь 3 в неприкосновенности, удалим каждое третье число после 3, если оно еще не удалено. Получим

2 3 . 5 . 7 . . . 11

. 13 . . . 17 . 19 . .

. 23 . 25 . . . 29 . 31

. . . 35 . 37 . . . 41

. 43 . . . 47 . 49 . .

. 53 . 55 . . . 59 . 61

. . . 65 . 67 . . . 71

. 73 . . . 77 . 79 . .

. 83 . 85 . . . 89 . 91

. . . 95 . 97 . . . 101

. 103 . . . 107 . 109 . 111

Первое выжившее число после тройки — это 5. Сохраняя теперь 5 в неприкосновенности, удалим каждое пятое число после 5, если оно еще не удалено. Получим

2 3 . 5 . 7 . . . 11

. 13 . . . 17 . 19 . .

. 23 . . . . . 29 . 31

. . . . . 37 . . . 41

. 43 . . . 47 . 49 . .

. 53 . . . . . 59 . 61

. . . . . 67 . . . 71

. 73 . . . 77 . 79 . .

. 83 . . . . . 89 . 91

. . . . . 97 . . . 101

. 103 . . . 107 . 109 . 111

Первое выжившее число — это 7. Следующий шаг состоит в том, чтобы, сохраняя теперь 7 в неприкосновенности, удалить каждое седьмое число после 7, если его еще не удалили до этого. Первое число, которое выживает после этого, — 11. И так далее.

Если проводить эту процедуру бесконечно, то оставшимися числами будут все простые числа. В этом и состоит «решето Эратосфена». Если остановиться прямо перед тем, как пришло время обрабатывать простое число p — другими словами, прямо перед тем, как надо будет удалять каждое p-е число, если оно еще не было удалено, — то мы получим все простые числа, меньшие p². Поскольку выше мы остановились прямо перед обработкой семерки, у нас имеются все простые до 7², т.е. 49. После этого числа остаются и не простые числа, такие как 77.

III.

Решето Эратосфена — вещь достаточно простая. И ему уже 2230 лет. Как же оно перенесет нас в середину XIX века, к глубоким результатам в теории функций? А вот как.

Я собираюсь повторить только что проведенную процедуру. (Именно по этой причине мы разобрали ее столь тщательно.) Но на этот раз я применю ее к дзета-функции Римана, которую мы определили в конце главы 5. Дзета-функция от некоторого аргумента s, большего единицы, записывается как

Стоит заметить, что такая форма записи предполагает выписывание всех положительных целых чисел — в точности как в начале наших действий с решетом Эратосфена (с тем только исключением, что на сей раз включена 1).

Сделаем такое: умножим обе части равенства на. Получим

где мы пользовались 7-м правилом действий со степенями (которое говорит, например, что 2^s умножить на 7^s равно 14^s). А теперь вычтем второе из этих выражений из первого. В одну из левых частей входит ζ(s) с множителем 1, а в другую — та же ζ(s) с множителем. Вычитая, получаем

Вычитание устранило из бесконечной суммы все члены с четными числами. Остались только члены, в которые входят нечетные числа.

Вспоминая решето Эратосфена, умножим теперь обе части порченного равенства на, руководствуясь тем, что 3 — это первое выжившее число в правой части:

Теперь вычтем это выражение из того, которое мы получили ранее. При вычитании левых частей будем рассматривать как неделимую штуку, — просто как некоторое число (каковым оно, конечно, и является при любом заданном s). Вся эта штука входит в левую часть одного выражения с множителем 1, а в левую часть другого — с множителем. Вычитая, получаем