Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . ( Октябрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
В математике , в частности , теория чисел , характеры Дирихля некоторые арифметические функции , которые возникают из вполне мультипликативных символов на единицы из . Характеры Дирихле используются для определения L- функций Дирихле , которые являются мероморфными функциями с множеством интересных аналитических свойств.
Если - символ Дирихле, то его L- серию Дирихле определяют как
где s - комплексное число с вещественной частью > 1. С помощью аналитического продолжения эту функцию можно продолжить до мероморфной функции на всей комплексной плоскости . L -функции Дирихле являются обобщением дзета-функции Римана и заметно фигурируют в обобщенной гипотезе Римана .
Персонажи Дирихле названы в честь Питера Густава Лежена Дирихле . Позже они были обобщены Эрихом Гекке на персонажей Гекке (также известных как Grössencharacter).
Аксиоматическое определение [ править ]
Мы говорим, что функция от целых чисел до комплексных чисел является символом Дирихле, если она обладает следующими свойствами: [1]
- Существует натуральное число k такое, что χ ( n ) = χ ( n + k ) для всех целых n .
- Если gcd ( n , k )> 1, то χ ( n ) = 0; если gcd ( n , k ) = 1, то χ ( n ) ≠ 0.
- χ ( mn ) = χ ( m ) χ ( n ) для всех целых m и n .
Из этого определения можно вывести несколько других свойств. По свойству 3 χ (1) = χ (1 × 1) = χ (1) χ (1). Поскольку gcd (1, k ) = 1, свойство 2 говорит, что χ (1) ≠ 0, поэтому
- χ (1) = 1.
Свойства 3 и 4 показывают, что всякий характер Дирихле χ вполне мультипликативен .
Свойство 1 говорит, что символ периодичен с периодом k ; мы говорим, что это характер модуля k . Это эквивалентно тому, что
- Если a ≡ b (mod k ), то χ ( a ) = χ ( b ).
Если gcd ( a , k ) = 1, теорема Эйлера гласит, что a φ ( k ) ≡ 1 (mod k ) (где φ ( k ) - общая функция ). Следовательно, по свойствам 5 и 4 χ ( a φ ( k ) ) = χ (1) = 1, а по 3 χ ( a φ ( k ) ) = χ ( a ) φ ( k ) . Так
- Для всех а взаимно простых с K , χ ( ) является φ ( к ) -й комплекс корень из единицы , то есть для некоторого целого числа 0 ≤ г <ф ( K ).
Уникальный характер периода 1 называется тривиальным характером . [ необходима цитата ] Обратите внимание, что любой символ обращается в ноль в 0, кроме тривиального, который равен 1 для всех целых чисел.
Персонаж называется главным, если он принимает значение 1 для аргументов, взаимно простых с его модулем, и в противном случае равен 0. [2] Символ называется действительным, если все его значения действительны (т.е. χ ( n ) равно 0, 1 или - 1 для всех n ). Неглавный действительный характер также называется квадратичным . Неверный персонаж называется сложным . [3]
Знак символа зависит от его значения в -1. В частности, считается нечетным, если и даже если .
Построение через классы остатков [ править ]
Дирихле символы могут быть рассмотрены с точки зрения характеров группы из группы единиц в кольцо Z / K Z , так как расширенные символы остатков класса . [4]
Классы остатков [ править ]
Принимая во внимание целое число K , один определяет класс вычетов целого числа п как множество всех целых чисел , сравнимых с п по модулю к : То есть, остаток класс является смежным классом по п в фактор - кольца Z / K Z .
Набор единиц по модулю k образует абелеву группу порядка , где групповое умножение дается и снова обозначает фи-функцию Эйлера . Идентичность в этой группе является остатком класса и обратный класс остатка , где , то есть . Например, для k = 6 набор единиц равен, потому что 0, 2, 3 и 4 не взаимно просты с 6.
Группа символов ( Z / k ) * состоит из символов класса остатка . Характер класса вычетов θ на ( Z / k ) * является примитивным, если не существует собственного делителя d числа k, такого что θ факторизуется как отображение ( Z / k ) * → ( Z / d ) * → C * , где первый стрелка - это естественная карта "моддинг d ". [5]
Персонажи Дирихле [ править ]
Определение характера Дирихле по модулю k гарантирует, что он ограничивается характером единичной группы по модулю k : [6] гомоморфизм группы из ( Z / k Z ) * на ненулевые комплексные числа
- ,
со значениями, которые обязательно являются корнями из единицы, поскольку единицы по модулю k образуют конечную группу. В обратном направлении, учитывая гомоморфизм группы на единичной группе по модулю k , мы можем подняться до полностью мультипликативной функции на целых числах, взаимно простых с k, а затем распространить эту функцию на все целые числа, определив ее равной 0 для целых чисел, имеющих не- тривиальный фактор, общий с k . Получившаяся функция будет символом Дирихле. [7]
Главный характер по модулю k обладает свойствами [7]
- если gcd ( n , k ) = 1 и
- если gcd ( n , k )> 1.
Ассоциированный символ мультипликативной группы ( Z / k Z ) * является главным символом, который всегда принимает значение 1. [8]
Когда k равно 1, главный символ по модулю k равен 1 для всех целых чисел. Если k больше 1, главный символ по модулю k обращается в ноль в целых числах, имеющих нетривиальный общий делитель с k, и равен 1 в других целых числах.
Имеются φ ( n ) характеров Дирихле по модулю n . [7]
Эквивалентные определения [ править ]
Есть несколько способов определения символов Дирихле, основанных на других свойствах, которым удовлетворяют эти функции.
Условие Шаркози [9] [ править ]
Характер Дирихле - это полностью мультипликативная функция , удовлетворяющая линейному рекуррентному соотношению : то есть, если
для всех положительных целых чисел , где не все равны нулю и различны, то является символом Дирихле.
Состояние Чудакова [ править ]
Характер Дирихле - это полностью мультипликативная функция, удовлетворяющая следующим трем свойствам: а) принимает только конечное число значений; б) обращается в нуль только при конечном числе простых чисел; в) есть такой, для которого остаток
равномерно ограничена, так как . Это эквивалентное определение характеров Дирихле было высказано Чудаковым [10] в 1956 г. и доказано в 2017 г. Клурманом и Мангерелем. [11]
Несколько таблиц символов [ править ]
Приведенные ниже таблицы помогают проиллюстрировать природу символа Дирихле. Они представляют все характеры от модуля 1 до модуля 12. Характеры χ 0 являются главными.
Модуль 1 [ править ]
Есть символ по модулю 1:
χ \ n 0 1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (0), поскольку 0 порождает группу единиц по модулю 1.
Это банальный персонаж.
L- серия Дирихле для - это дзета-функция Римана
- .
Модуль 2 [ править ]
Есть символ по модулю 2:
χ \ n 0 1 0 1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (1), поскольку 1 порождает группу единиц по модулю 2.
L- серия Дирихле для является лямбда-функцией Дирихле (тесно связанной с эта-функцией Дирихле )
Модуль 3 [ править ]
Есть символы по модулю 3:
χ \ n 0 1 2 0 1 1 0 1 −1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (2), поскольку 2 порождает группу единиц по модулю 3.
Модуль 4 [ править ]
Есть символы по модулю 4:
χ \ n 0 1 2 3 0 1 0 1 0 1 0 −1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (3), поскольку 3 порождает группу единиц по модулю 4.
L- серия Дирихле для является лямбда-функцией Дирихле (тесно связанной с эта-функцией Дирихле )
где - дзета-функция Римана. Л -рядов для является Дирихле бета-функция
Модуль 5 [ править ]
Есть символы по модулю 5. В таблице ниже i - мнимая единица .
χ \ n 0 1 2 3 4 0 1 1 1 1 0 1 я - я −1 0 1 −1 −1 1 0 1 - я я −1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (2) и χ (3), поскольку 2 и 3 порождают группу единиц по модулю 5.
Модуль 6 [ править ]
Есть символы по модулю 6:
χ \ n 0 1 2 3 4 5 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 −1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (5), поскольку 5 порождает группу единиц по модулю 6.
Модуль 7 [ править ]
Есть символы по модулю 7. В таблице ниже
χ \ n 0 1 2 3 4 5 6 0 1 1 1 1 1 1 0 1 ω 2 ω ω ω 2 1 0 1 ω ω 2 ω 2 ω 1 0 1 1 −1 1 −1 −1 0 1 ω 2 −ω ω −ω 2 −1 0 1 ω −ω 2 ω 2 −ω −1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (3), поскольку 3 порождает группу единиц по модулю 7.
Модуль 8 [ править ]
Есть символы по модулю 8.
χ \ n 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 −1 0 −1 0 1 0 −1 0 1 0 −1 0 1 0 −1 0 −1 0 1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (3) и χ (5), поскольку 3 и 5 порождают группу единиц по модулю 8.
Модуль 9 [ править ]
Есть символы по модулю 9. В таблице ниже
χ \ n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 ω 0 ω 2 −ω 2 0 −ω −1 0 1 ω 2 0 −ω −ω 0 ω 2 1 0 1 −1 0 1 −1 0 1 −1 0 1 −ω 0 ω 2 ω 2 0 −ω 1 0 1 −ω 2 0 −ω ω 0 ω 2 −1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (2), поскольку 2 порождает группу единиц по модулю 9.
Модуль 10 [ править ]
Есть символы по модулю 10. В таблице ниже i - мнимая единица .
χ \ n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 я 0 0 0 - я 0 −1 0 1 0 −1 0 0 0 −1 0 1 0 1 0 - я 0 0 0 я 0 −1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (3), поскольку 3 порождает группу единиц по модулю 10.
Модуль 11 [ править ]
Есть символы по модулю 11. В таблице ниже
χ \ n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 ω ω 3 ω 2 ω 4 ω 4 ω 2 ω 3 ω 1 0 1 ω 2 ω ω 4 ω 3 ω 3 ω 4 ω ω 2 1 0 1 ω 3 ω 4 ω ω 2 ω 2 ω ω 4 ω 3 1 0 1 ω 4 ω 2 ω 3 ω ω ω 3 ω 2 ω 4 1 0 1 −1 1 1 1 −1 −1 −1 1 −1 0 1 −ω ω 3 ω 2 ω 4 −ω 4 −ω 2 −ω 3 ω −1 0 1 −ω 2 ω ω 4 ω 3 −ω 3 −ω 4 −ω ω 2 −1 0 1 −ω 3 ω 4 ω ω 2 −ω 2 −ω −ω 4 ω 3 −1 0 1 −ω 4 ω 2 ω 3 ω −ω −ω 3 −ω 2 ω 4 −1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (2), поскольку 2 порождает группу единиц по модулю 11.
Модуль 12 [ править ]
Есть символы по модулю 12.
χ \ n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 −1 0 0 0 −1 0 1 0 0 0 −1 0 1 0 0 0 −1 0 1 0 0 0 −1 0 −1 0 0 0 1
Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (5) и χ (7), поскольку 5 и 7 порождают группу единиц по модулю 12.
Примеры [ править ]
Если p - нечетное простое число , то функция
- где - символ Лежандра , - примитивный символ Дирихле по модулю p . [12]
В более общем смысле, если m - положительное нечетное число, функция
- где - символ Якоби , - характер Дирихле по модулю m . [12]
Это примеры реальных персонажей. В общем, все настоящие персонажи происходят от символа Кронекера .
Примитивные персонажи и дирижер [ править ]
Остатки по модулю N приводят к остаткам по модулю M для любого множителя M из N , отбрасывая некоторую информацию. Влияние на персонажах Дирихля идет в направлении , противоположном: если χ является характер по модулю М , он индуцирует характер χ * по модулю N для любого множественного N из M . Символ является примитивным, если он не индуцирован каким-либо персонажем с меньшим модулем. [3]
Если χ является характером по модулю n и d делит n , то мы говорим, что модуль d является индуцированным модулем для χ, если из взаимно простого с n и 1 mod d следует χ ( a ) = 1: [13] эквивалентно, χ ( a ) = χ ( b ) всякий раз , когда a , b конгруэнтны по модулю d и все взаимно просты с n . [14] Характер примитивен, если нет меньшего индуцированного модуля. [14]
Мы можем формализовать это иначе, определив характеры χ 1 mod N 1 и χ 2 mod N 2 для совместного обучения, если для некоторого модуля N такого, что N 1 и N 2 оба делят N, имеем χ 1 ( n ) = χ 2 ( n ) для всех n, взаимно простых с N : то есть существует некоторый характер χ *, индуцированный каждым из χ 1 и χ 2 . В этом случае существует персонаж по модулю НОД матрицы N1 и N 2 индуцируют как χ 1, так и χ 2. Это отношение эквивалентности характеров. Символ с наименьшим модулем в смысле делимости в классе эквивалентности является примитивным, и этот наименьший модуль является проводником персонажей в классе.
Импримитивность символов может привести к отсутствию факторов Эйлера в их L-функциях .
Ортогональность персонажей [ править ]
Соотношения ортогональности характеров конечной группы переходят в характеры Дирихле. [15] Если зафиксировать характер χ по модулю n, то сумма
если только χ не является главным, в этом случае сумма равна φ ( n ). Аналогичным образом, если мы зафиксируем класс вычетов a по модулю n и просуммируем по всем символам, мы получим
если только в этом случае сумма не равна φ ( n ). Мы выводим, что любая периодическая функция с периодом n с носителем на классах вычетов, простых с n, является линейной комбинацией характеров Дирихле. [16] У нас также есть отношение суммы символов, приведенное в главе 4 Давенпорта, заданное формулой
где сумма берется по всем характерам Дирихле по модулю некоторого фиксированного q, a и n фиксированы с помощью , и обозначает функцию Эйлера .
История [ править ]
Характеры Дирихле и их L- ряды были введены Петером Густавом Леженом Дирихле в 1831 году для доказательства теоремы Дирихле об арифметических прогрессиях . Он изучал L- серию только для вещественных s и особенно для s, стремящихся к 1. Распространение этих функций на комплексные s на всей комплексной плоскости было получено Бернхардом Риманом в 1859 году.
См. Также [ править ]
- Сумма символов
- Сумма Гаусса
- Мультипликативная группа целых чисел по модулю n
- Примитивный корень по модулю n
- Класс Сельберга
- Мультипликативный характер
Ссылки [ править ]
- ^ Montgomery & Vaughan (2007) pp.117-8
- ^ Montgomery & Vaughan (2007) стр.115
- ^ a b Монтгомери и Воан (2007) стр.123
- ^ Фрелиха & Taylor (1991) с.218
- ^ Фрелиха & Taylor (1991) с.215
- ↑ Апостол (1976) стр.139
- ^ а б в Апостол (1976) с.138
- ↑ Апостол (1976) с.134
- ^ Саркози, Андрас. «О мультипликативных арифметических функциях, удовлетворяющих линейной рекурсии». Studia Sci. Математика. Hung . 13 (1–2): 79–104.
- ^ Чудаков, Н.Г. "Теория характеров числовых полугрупп". J. Indian Math. Soc . 20 : 11–15.
- ^ Клурман, Алексей; Мангерель, Александр П. (2017). «Теоремы жесткости для мультипликативных функций». Математика. Энн . 372 (1): 651–697. arXiv : 1707.07817 . Bibcode : 2017arXiv170707817K . DOI : 10.1007 / s00208-018-1724-6 .
- ^ a b Монтгомери и Воган (2007) стр.295
- ↑ Апостол (1976), с.166
- ^ a b Апостол (1976) с.168
- ↑ Апостол (1976), с.140
- ^ Davenport (1967) pp.31-32
- См. Главу 6 Апостола, Том М. (1976), Введение в аналитическую теорию чисел , Тексты для студентов по математике, New York-Heidelberg: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-90163-3, Руководство по ремонту 0434929 , Zbl 0335.10001
- Апостол ТМ (1971). «Некоторые свойства полностью мультипликативных арифметических функций». Американский математический ежемесячник . 78 (3): 266–271. DOI : 10.2307 / 2317522 . JSTOR 2317522 . Руководство по ремонту 0279053 . Zbl 0209.34302 .
- Давенпорт, Гарольд (1967). Мультипликативная теория чисел . Лекции по высшей математике. 1 . Чикаго: Маркхэм. Zbl 0159.06303 .
- Хассе, Гельмут (1964). Vorlesungen über Zahlentheorie . Die Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften в Einzeldarstellungen. 59 (2-е изд. Изм.). Springer-Verlag . Руководство по ремонту 0188128 . Zbl 0123.04201 . см. главу 13.
- Матар, RJ (2010). "Таблица L-рядов Дирихле и простые дзета-функции по модулю малых модулей". arXiv : 1008,2547 [ math.NT ].
- Монтгомери, Хью Л ; Воан, Роберт С. (2007). Мультипликативная теория чисел. I. Классическая теория . Кембриджские исследования в области высшей математики. 97 . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-84903-6. Zbl 1142.11001 .
- Спира, Роберт (1969). «Вычисление L-функций Дирихле» . Математика вычислений . 23 (107): 489–497. DOI : 10.1090 / S0025-5718-1969-0247742-X . Руководство по ремонту 0247742 . Zbl 0182.07001 .
- Fröhlich, A .; Тейлор, MJ (1991). Алгебраическая теория чисел . Кембриджские исследования по высшей математике. 27 . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-36664-X. Zbl 0744.11001 .
Внешние ссылки [ править ]
- «Характер Дирихле» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
- «Персонажи Дирихле» . в LMFDB