Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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]

  1. Существует натуральное число k такое, что χ ( n ) = χ ( n  +  k ) для всех целых n .
  2. Если gcd ( n ,  k )> 1, то χ ( n ) = 0; если gcd ( n ,  k ) = 1, то χ ( n ) ≠ 0.
  3. 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

  1. 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

  1. Если ab (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

  1. 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:

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:

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:

Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (2), поскольку 2 порождает группу единиц по модулю 3.

Модуль 4 [ править ]

Есть символы по модулю 4:

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 .

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:

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

Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (3), поскольку 3 порождает группу единиц по модулю 7.

Модуль 8 [ править ]

Есть символы по модулю 8.

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

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 .

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

Обратите внимание, что χ полностью определяется χ (2), поскольку 2 порождает группу единиц по модулю 11.


Модуль 12 [ править ]

Есть символы по модулю 12.

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 ]

  1. ^ Montgomery & Vaughan (2007) pp.117-8
  2. ^ Montgomery & Vaughan (2007) стр.115
  3. ^ a b Монтгомери и Воан (2007) стр.123
  4. ^ Фрелиха & Taylor (1991) с.218
  5. ^ Фрелиха & Taylor (1991) с.215
  6. Апостол (1976) стр.139
  7. ^ а б в Апостол (1976) с.138
  8. Апостол (1976) с.134
  9. ^ Саркози, Андрас. «О мультипликативных арифметических функциях, удовлетворяющих линейной рекурсии». Studia Sci. Математика. Hung . 13 (1–2): 79–104.
  10. ^ Чудаков, Н.Г. "Теория характеров числовых полугрупп". J. Indian Math. Soc . 20 : 11–15.
  11. ^ 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 .
  12. ^ a b Монтгомери и Воган (2007) стр.295
  13. Апостол (1976), с.166
  14. ^ a b Апостол (1976) с.168
  15. Апостол (1976), с.140
  16. ^ 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