Fonction zeta de Riemann


Fonction zeta de Riemann

Fonction zêta de Riemann

En mathématiques, la fonction ζ de Riemann est une fonction analytique complexe qui est apparue essentiellement dans la théorie des nombres premiers. La position de ses zéros complexes est liée à la répartition des nombres premiers. Elle est aussi importante comme fonction modèle dans la théorie des séries de Dirichlet et se trouve au carrefour d'un grand nombre d'autres théories. Les questions qu'elle soulève sont loin d'être résolues et elle sert aussi de motivation et de fil conducteur à de nouvelles études, à l'instar du rôle joué par le grand théorème de Fermat.

Sommaire

Prologue

La théorie de la fonction ζ de Riemann est tout entière dominée par la question de la répartition de ses zéros. Comme l'explique la théorie générale des fonctions analytiques, toute fonction méromorphe s'écrit comme le produit de facteurs faisant apparaître les pôles et les zéros de cette fonction. L'hypothèse de Riemann selon laquelle tous les zéros non triviaux de la fonction ζ de Riemann sont de partie réelle égale à 1/2 renforce encore l'intérêt pour ces zéros. Aussi la théorie s'est développée dans plusieurs directions. La première est celle de l'étude des zéros eux-mêmes. On a cherché à démontrer l'hypothèse de Riemann elle-même avant de se rendre compte des difficultés. L'objectif est alors devenu plus modeste: démontrer une partie de l'hypothèse de Riemann. D'un autre côté, la communauté mathématique croit en l'hypothèse de Riemann, aussi a-t-on cherché les conséquences de l'hypothèse de Riemann en prévision de sa démonstration. Cependant chaque nouvelle conséquence de l'hypothèse de Riemann est aussi une voie nouvelle pour l'infirmer.

Par exemple, on démontre que l'on a, sous l'hypothèse de Riemann,

|\zeta(1+it)| \le C\ln \ln t.

Si l'on démontrait que l'on a, sur une suite de t tendant vers l'infini,

|\zeta(1+it)| > C\ln \ln t,\;

il en serait fini de l'hypothèse de Riemann.

Les conséquences de l'hypothèse de Riemann sont nombreuses. On a ainsi cherché à les démontrer indépendamment de cette hypothèse, ce qui s'avéra parfois possible. Et chacune de ces conséquences est devenu un objectif en lui-même. Devant la difficulté posée par la démonstration de l'hypothèse de Riemann, on a aussi énoncé des hypothèses plus faibles qu'on a également tenté de démontrer. Sans beaucoup plus de succès.

Le présent article commence par la définition de la fonction à partir de la série de Dirichlet. Cette définition est étendue au plan complexe privé de 1. On examine ensuite ce qui se passe en 1. La théorie de la fonction ζ de Riemann définit trois régions dans le plan complexe, la région de convergence \Re(s)>1, la bande critique 0 \le \Re(s) \le 1, et la région \Re(s)<0. À partir de la relation fonctionnelle, le module de la fonction est estimé dans chacune de ces régions. Cela nécessite des formules permettant d'estimer la fonction ou d'autres fonctions qui lui sont liées. Puis on étudie les zéros. La relation fonctionnelle fournit les zéros réels et également l'ordre de ces zéros : ils sont simples. Dans la bande critique, il en existe une infinité. On estime donc ce nombre N(T) dans un rectangle de hauteur T. Le théorème de Hardy en place une infinité sur l'axe 1/2. On estime, avec beaucoup de difficulté, le nombre No(T) des zéros dont la partie imaginaire est comprise entre 0 et T et dont la partie réelle est 1/2. Pour étudier la répartition des zéros, différentes quantités les faisant intervenir sont estimées. Enfin, les hypothèses classiques sont examinées: définitions, conséquences, critères équivalents.

Les recherches sur la fonction zêta constituent un domaine très technique. La plupart des preuves, nécessitant une formation spécialisée en théorie analytique des nombres, sont omises ici.

Définition par la série de Dirichlet

Article détaillé : Série de Riemann.
La fonction zêta de Riemman pour les réels s > 1

La fonction ζ de Riemann est une fonction analytique complexe méromorphe et définie, pour \Re(s)>1, par la série de Dirichlet

\zeta(s)=\sum_{n=1}^\infty{\frac1{n^s}}.

La série ne converge pas en s = 1 : on a

\sum_{k=1}^{k=m}\frac1{k}\ge \int_1^{m+1} \frac{\mathrm{d}u}{u}= \ln (m+1)

qui tend vers l'infini avec m. La valeur s = 1 est donc une singularité de la fonction.

Une seconde méthode consiste à montrer que le reste ne tend pas vers 0: Si la série converge, vers un nombre L, alors |\sum_{n \le N}\frac1{n}-L| doit tendre vers 0 quand N tend vers l'infini. Cela signifie donc que \sum_{n=N+1}^\infty\frac1{n} doit tendre vers 0. Or la série est à termes positifs et on a \sum_{n=N+1}^{n=2N} \frac1{n}\geNombre de termes \times plus petit terme =N\times\frac{1}{2N}=\frac12 donc ne tend pas vers 0.

À partir de la série de Dirichlet de ζ on démontre les formules suivantes :

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

μ est la fonction de Möbius,

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

\varphi est l'indicatrice d'Euler, et

\zeta(s) \zeta(s-a)=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sigma_{a}(n)}{n^s}
\frac{\zeta(s)\zeta(s-a)\zeta(s-b)\zeta(s-a-b)}{\zeta(2s-a-b)}
=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sigma_a(n)\sigma_b(n)}{n^s}

σa est la fonction diviseur à la puissance a :

\sigma_a(n)= \sum_{d |n} d^a\,

Liens avec les nombres premiers

Le lien entre la fonction ζ et les nombres premiers avait déjà été établi par Leonhard Euler avec la formule, valable pour \Re(s) >1 :

\zeta(s) \ = \ \prod_{p\in\mathcal{P}} \ \frac{1}{1-p^{-s}}

où le produit infini est étendu à l'ensemble \mathcal P des nombres premiers. Cette relation est une conséquence de la formule pour les suites géométriques et du théorème fondamental de l'arithmétique. On appelle parfois cette formule produit eulérien.

Un autre lien existe avec cette fois la fonction π(x) qui compte le nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux à x. On a en effet

\ln \zeta(s) = s \int_2^\infty{\frac{\pi(u)}{u(u^s-1)}\mathrm du}

valable pour \Re(s) >1.

En fait, la position des zéros de la fonction ζ de Riemann fournit la position des nombres premiers. On peut même trouver une formule exprimant chaque nombre premier en fonction des zéros de la fonction ζ de Riemann. Mais, dans l'état actuel de la théorie, cette formule n'a guère d'intérêt pratique.

Extension à ℂ-{1}

La fonction ζ admet un prolongement analytique à tout le plan complexe, sauf 1. Il existe plusieurs démonstrations, faisant appel à différentes représentations de la fonction ζ.

Par la formule d'Euler-Mac Laurin

Le module de la fonction (u,t)\mapsto\zeta(u+it) de Riemann pour 0 \le u \le 3 et 0,1 \le t \le 200. On notera la pointe due au pôle en 1 et la très grande irrégularité du module.

La formule d'Euler-MacLaurin[1], appliquée à la fonction s \mapsto x^{-s}, donne pour tout entier N :

\sum_{r=1}^N r^{-s}={{1-N^{1-s}}\over {s-1}}+{{1+N^{-s}}\over {2}}+\sum_{k=2}^NB_k\frac{s(s+1)...(s+k-2)(1-N^{-s-k+1})}{k!} -R,

avec

R={1\over {N!}}s(s+1)...(s+n-1)\int_1^N B_N(x-E(x))x^{-s-N} dx,

où les Bn(x) sont les polynômes de Bernoulli, définis par \frac{t e^{xt}}{e^t-1}= \sum_{n=0}^\infty B_n(x) \frac{t^n}{n!}, les coefficients Bn sont les nombres de Bernoulli, et où E désigne la partie entière de x.

En faisant tendre N vers l'infini et en restant dans le demi-plan \Re(s)>1, on en déduit pour tout entier n = 1,2... que

\zeta(s)={{1}\over {s-1}}+{1\over {2}}+\sum_{k=2}^nB_k\frac{s(s+1)...(s+k-2)}{k!}
 -\frac{s(s+1)...(s+n-1)}{n!}\int_1^\infty B_n(x-E(x))x^{-s-n} dx.

Les fonctions x \mapsto B_n(x-E(x)) étant périodiques restent bornées sur l'intervalle d'intégration, donc l'intégrale à droite converge si \Re(s)>1-n. Donc le membre de droite définit une fonction ζn sur \Re(s)>1-n. Une intégration par parties et les propriétés des polynômes de Bernoulli montrent facilement que les fonctions ζn et sur ζn + 1 sont identiques sur \Re(s)>1-n. Ces identités permettent donc de définir une unique fonction méromorphe sur tout le plan complexe (avec un seul pôle en 1), coïncidant avec la fonction ζ déjà définie pour \Re(s)>1 et qu'on appelle encore ζ.

Par une intégrale de contour

La fonction ζ(s) se prolonge aussi analytiquement par l'intégrale

\zeta(s)=\frac{e^{-i\pi s}\Gamma(1-s)}{2i\pi}\oint_C{\frac{u^{s-1}}{e^u-1}\mathrm du}.

C désigne un lacet longeant l'axe réel et englobant 0 parcouru de +∞ à +∞ dans le sens trigonométrique.

Une fois cette formule démontrée initialement pour \Re(s)>1, l'expression à droite restant valable pour tout valeur bornée de s définit donc une fonction analytique. D'après le théorème du prolongement analytique, elle représente le prolongement (sauf en s = 1) de la fonction ζ.

Par la formule sommatoire d'Abel

Cette formule conduit à l'expression

 \zeta(s)=\frac{s}{s-1}-s\int_1^\infty{\frac{\{u\}}{u^{1+s}}\mathrm du},

{u} désigne la partie fractionnaire de u. Comme {u} est toujours compris entre 0 et 1, l'intégrale est convergente pour \Re(s)>0.

Par la fonction êta de Dirichlet

On peut encore étendre la fonction ζ sur \Re(s)>0 à partir de la définition de la série alternée (appelée fonction êta de Dirichlet)

\eta(s)=\sum_{n=1}^\infty{\frac{(-1)^{n-1}}{n^s}}=(1-2^{1-s})\zeta(s)

Cette série est convergente pour s réel strictement positif, par application du critère des séries alternées ; il en est en fait de même pour \Re(s)>0, ce qui se démontre en utilisant le lemme d'Abel. Cela réalise ainsi le prolongement de la fonction ζ sur \Re(s)>0. Le pôle en 1 de ζ est annulé par le terme (1 − 21 − s) ; on a η(1) = ln2. À partir du prolongement pour \Re(s)>0 et en appliquant la relation fonctionnelle, on obtient le prolongement partout sauf en s = 1.

Par la formule de Landau ou celle de Ramaswami

La fonction zêta de Riemann ζ(s) dans le plan complexe. La couleur d'un point s code la valeur de ζ(s) : des couleurs vives indiquent des valeurs proches de 0 et la nuance indique l'argument de la valeur. Le point blanc pour s = 1 est le pôle ; les points noirs sur l'axe réel négatif et sur la droite critique Re(s) = 1/2 sont les zéros.

Dans les formules précédentes, il est à remarquer que le prolongement ne s'obtient que dans une portion du plan et qu'il faut utiliser la relation fonctionnelle pour avoir un prolongement au plan tout entier. Les deux formules qui suivent n'ont pas ce défaut. Ces deux autres méthodes de prolongement de ζ, sans conteste les plus simples, sont fondées, chacune, sur une formule exprimant ζ(s) en fonction de ζ(s + 1), ζ(s + 2), ...

On a ainsi la formule (due à Landau)[réf. nécessaire]

\zeta(s)-\frac1{s-1}=1-\frac{s(\zeta(s+1)-1)}{2!}-\frac{s(s+1)(\zeta(s+2)-1)}{3!}-\frac{s(s+1)(s+2)(\zeta(s+3)-1)}{4!}-\ldots

=1-\sum_{n=1}^\infty (\zeta(s+n)-1)\frac{s^{\overline{n}}}{(n+1)!}\! avec s^{\overline{n}} étant la factorielle croissante.

Ou la formule de Ramaswami

(1-2^{1-s})\zeta(s)=\frac{s \zeta(s+1)}{1!2^{s+1}}+\frac{s(s+1)\zeta(s+2)}{2!2^{s+2}}+\frac{s(s+1)(s+2)\zeta(s+3)}{3!2^{s+3}}+\ldots

Ces formules se démontrent par des manipulations classiques sur les termes des séries.

Le prolongement analytique s'effectue par bandes de largeur 1. La série de Dirichlet étant absolument convergente sur \Re(s)>1, la formule choisie prolonge sur \Re(s)>0. En appliquant à nouveau la formule, on prolonge à \Re(s)>-1, et ainsi de suite.

Au voisinage de 1. Théorème de Dirichlet. Nombres de Stieltjes

Thomas Joannes Stieltjes s'intéressa de près à la fonction ζ de Riemann. Il est l'auteur d'une tentative avortée de démonstration de l'hypothèse de Riemann à partir d'une hypothèse voisine de celle de Mertens qu'il fut incapable de démontrer.

Utilisant la Formule sommatoire d'Abel, on trouve

 \zeta(s)=\sum_1^\infty{\frac{1}{n^s}}=s\int_1^\infty{\frac{[u]}{u^{1+s}}\mathrm du}.

La partie entière [u] se décompose en u − {u}. On a alors

 \zeta(s)=\frac{s}{s-1}-s\int_1^\infty{\frac{\{u\}}{u^{1+s}}\mathrm du}.

Comme {u} est toujours compris entre 0 et 1, l'intégrale est convergente et le terme est borné. Le premier terme vaut aussi

 \frac{s}{s-1}=\frac1{s-1}+1

qui montre que la fonction ζ admet un pôle d'ordre 1 en 1 et de résidu 1. Cela constitue le théorème de Dirichlet. Le développement en série de Laurent de la fonction ζ(s) s'écrit donc

\zeta(s)=\frac{1}{s-1}+\gamma+\sum_{n=1}^\infty{(-1)^n\frac{\gamma_n}{n!}(s-1)^n}

où l'on a

 \gamma_n=\lim_{k \rightarrow \infty}{\sum_{m=1}^k{\frac{(\ln m)^n}{m}-\frac{(\ln k)^{n+1}}{n+1}}}.

Ces nombres sont appelés nombres de Stieltjes. Concernant ces nombres, Matsuoka, en 1985[2], a montré que l'on avait pour n>4

|\gamma_n| \le 10^{-4}e^{n\ln \ln n}.

On sait aussi qu'il y a asymptotiquement la moitié de ces nombres qui sont positifs.

valeur des coefficients de Stieltjes
Valeur
γ = γ0 0,57721566490153286061
γ1 -0,072815845483676724861
γ2 -0,0096903631928723184845
γ3 0,0020538344203033458662
γ4 0,0023253700654673000575
γ5 0,00079332381730106270175
γ6 -0,00023876934543019960987
γ7 -0,00052728956705775104607
γ8 -0,00035212335380303950960
γ9 -0,000034394774418088048178
γ10 0,00020533281490906479468
γ11 0,00027018443954390352667
γ12 0,00016727291210514019335
γ13 -0,000027463806603760158860
γ14 -0,00020920926205929994584
γ15 -0,00028346865532024144664


Le développement de Laurent en 1 montre que ζ est négative sur l'axe réel avant 1 (Elle est positive après 1 de manière élémentaire puisque tous les termes de la série de Dirichlet sont alors positifs). En effet, on a

(s-1)\zeta(s)=1+\gamma(s-1)+\mathcal{O}((s-1)^2)

or, en supposant (s − 1) < 0 et suffisamment petit, on a

(s-1)\zeta(s) \ge 0

donc

\zeta(s) \le 0

Équation fonctionnelle

La fonction ζ satisfait à l'équation fonctionnelle :


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

valable pour tout nombre complexe s différent de 0 et 1. Ici, Γ désigne la fonction gamma.

Une démonstration, parmi de nombreuses autres, a été donnée par Baez-Duarte en 2003. Elle est particulièrement courte. On part de la formule intégrale résultant de la formule sommatoire d'Abel (attention la borne inférieure est prise à 0, non à 1)

 \zeta(s)=-s\int_0^\infty{\frac{\{u\}}{u^{1+s}}\mathrm du}.

Cette égalité étant valable pour \Re(s) \in ]0,1[.

On a ainsi, en faisant un changement de variable dans l'intégrale, posant u = 2v,

 \zeta(s)=-s\int_0^\infty{2^{-s}\frac{\{2v\}}{v^{1+s}}\mathrm dv}.

On soustrait alors les deux quantités, après avoir sorti la puissance de 2. On a ainsi

 (2^s-1)\zeta(s)=-s\int_0^\infty{\frac{\{u\}-\{2u\}}{u^{1+s}}\mathrm du}.

On développe la partie fractionnaire en série de Fourier

 (2^s-1)\zeta(s)=-s\int_0^\infty{u^{-1-s}\sum_{n=1}^\infty{\frac{\sin(4n\pi u)-\sin(2n\pi u)}{n\pi}}\mathrm du}.

et, vérifiant les conditions habituelles pour inverser \sum et \int, on obtient

 (2^s-1)\zeta(s)=-s\sum_{n=1}^\infty\frac1{n\pi}\int_0^\infty{u^{-1-s}(\sin(4n\pi u)-\sin(2n\pi u))\mathrm du}.

qu'on peut calculer. On obtient alors

 (2^s-1)\zeta(s)=-s(2^s-1)2^s\pi^{s-1}\Gamma(-s)\sin\Big(\frac{\pi s}{2}\Big)\zeta(1-s).

dont on déduit immédiatement la relation fonctionnelle pour \Re(s) \in ]0,1[. On l'étend immédiatement à \mathbb{C}-\{0,1\} par le principe du prolongement analytique.

On obtient de la relation fonctionnelle que la fonction ζ admet une infinité de zéros dans la bande \Re(s) \in ]0,1[. Pour cela, on remarque que

 \xi(s)=\frac12 s(s-1)\pi^{-s/2}\Gamma(s/2)\zeta(s)=\xi(1-s).

On en déduit que

Ξ(s) = ξ(1 / 2 + is)

est paire. On montre que les deux fonctions ξ et Ξ sont deux fonctions entières d'ordre 1 et, comme Ξ(s) est paire, la fonction s \mapsto \Xi(\sqrt{s}) est une fonction entière d'ordre 1/2: elle admet donc, d'après la théorie générale des fonctions entières, une infinité de zéros. Ces zéros se traduisent par une infinité de zéros de ζ dans la bande \Re(s) \in ]0,1[.

Représentation sous forme de facteurs primaires

D'après le théorème de factorisation de Hadamard pour une fonction méromorphe, toute fonction méromorphe s'écrit sous forme de produits de facteurs dits primaires dans lesquels apparaissent les zéros et les pôles de la fonction. La représentation sous cette forme pour ζ prend la forme

\zeta(s) = \frac{e^{(\ln(2\pi)-1-\gamma/2)s}}{2(s-1)\Gamma(1+s/2)} \prod_\rho \left(1 - \frac{s}{\rho} \right) e^{s/\rho}

où le produit s'effectue sur les zéros ρ de ζ et γ est la constante d'Euler-Mascheroni.

Définition de ln ζ et de sa dérivée

La fonction ζ étant réelle sur l'axe réel et plus grande que 1, le logarithme de cette valeur existe et est réel. Il est donc naturel de choisir, parmi l'infinité des définitions possibles du logarithme d'une fonction analytique, celle qui prolonge le logarithme naturel sur le segment ]1, \infty[. On prolonge donc par continuité les valeurs de lnζ qui sont réelles sur ]1, \infty[.

On peut donner la présentation élémentaire suivante pour les complexes du demi plan \Re (s)>1. On part de la formule du produit eulérien, dont on sait qu'il converge pour tout s dans \Re (s)>1. On peut se limiter à considérer dans un premier temps s = σ réel. On prend le logarithme du produit. Cela a un sens puisque ζ(σ) ne s'annule pas sur σ > 1.On a alors

\ln \zeta(\sigma) = -\sum_{p\in\mathcal{P}}\ln\left(1-\frac1{p^\sigma}\right).

Il reste à développer le logarithme en série entière, ce qui est possible puisque p \ge 2 et σ > 1. Cela justifie que l'on définisse, pour tout complexe s satisfaisant \Re (s)>1 la série


D(s)=\sum_{p\in\mathcal{P}}\sum_{\nu\geq 1}\frac{1}{\nu}p^{-\nu s}.

Cette série, normalement convergente sur tout compact du demi plan \Re (s)>1, définit une fonction holomorphe sur ce demi plan. Si s = σ > 1 est réel, alors

\sum_{\nu\geq 1}\frac{1}{\nu}p^{-\nu\sigma}=-\ln\left(1-\frac{1}{p^\sigma}\right)

ln est le logarithme réel habituel. On en déduit que eD(σ) = ζ(σ). Les deux fonctions eD et ζ sont holomorphes sur \Re( s)>1 et elles coïncident sur le segment ]1,+\infty[. Par le principe de prolongement holomorphe, on a donc

eD(s) = ζ(s)

pour tout complexe s tel que \Re (s)>1. Par dérivation de l'égalité précédente, on obtient immédiatement


D'(s)=\frac{\zeta'(s)}{\zeta(s)}

En dérivant la série définissant D, on obtient


D'(s)=-\sum_{p\in\mathcal{P}}\sum_{\nu=1}\ln(p)p^{-\nu s}

de sorte que l'on a, pour \Re (s)>1 l'égalité

 D'(s)=-\sum_1^\infty{\frac{\Lambda(n)}{n^s}}

où les seules valeurs de Λ(n) non nulles sont définies par Λ(n) = lnp lorsque n = pm, p étant premier et m entier non nul, c'est la fonction de von Mangoldt. La définition de la série D se réécrit alors

 D(s)=\sum_2^\infty{\frac{\Lambda(n)}{n^s \ln n }}.

Enfin en prenant le module de eD(s) = ζ(s) on obtient e^{\Re\left(D(s)\right)}=|\zeta(s)| puis, prenant le logarithme réel on déduit

\Re\Big(D(s)\Big)=\ln |\zeta(s)|.

Pour les complexes s autres que 1 tels que \Re(s) \le 1, la définition du logarithme de ζ(s) est plus délicate. La fonction ζ ayant une infinité de zéros, lnζ admet une infinité de points de branchement. Dans les calculs, on pratique alors des coupures de la manière suivante: Une première coupure est pratiquée entre -2 et 1 (qui est aussi un point de branchement bien que ζ ne s'y annule pas). Pour les zéros triviaux, une coupure est pratiquée sur les segments [ − 4n − 4; − 4n − 6[ pour tout n \ge 0. Pour les autres zéros, encore hypothétiques, de la forme β + iγ avec \beta \in ]0,1[, ils sont répartis symétriquement par rapport à l'axe \Re(s)=1/2. On pratique donc également une coupure parallèle à l'axe réel en reliant les deux zéros symétriques par rapport à l'axe 1/2. Pour les zéros de l'axe 1/2, la coupure pratiquée relie le point à l'infini au zéro considéré par une ligne parallèle à l'axe réel. Ce faisant, la fonction \ln \,\zeta est alors uniforme sur le domaine coupé.

Le choix effectué donne

\Re\Big(\ln \zeta(s)\Big)=\ln |\zeta(s)|

Expressions en fonction des zéros non triviaux

Indépendamment de l'expression en fonction des facteurs primaires de Weierstrass, la valeur ζ(s) peut se calculer en fonction des zéros non triviaux les plus proches du point s = σ + it. On démontre que seuls les zéros à une distance de t inférieure à 1 interviennent vraiment. Le reste s'exprime dans la notation "de Landau" . Il faudra faire attention au fait que les expressions faisant intervenir une somme sur les zéros ρ = β + iγ ne sont généralement pas commutativement convergentes et que l'ordre de sommation intervient: on somme symétriquement par rapport à 1/2.

La première expression intéressante est

\frac{\zeta'(s)}{\zeta(s)}=\ln 2\pi -\frac12\gamma-1-\frac1{s-1}-\frac12\frac{\Gamma'(\frac12s+1)}{\Gamma(\frac12s+1)}+\sum_\rho\Big(\frac1{s-\rho}+\frac1{\rho}\Big).

On en déduit

\frac{\zeta'(s)}{\zeta(s)}=\sum_\rho\Big(\frac1{s-\rho}+\frac1{\rho}\Big)+\mathcal{O}(\ln |t|).

Cette formule montre alors

\frac{\zeta'(s)}{\zeta(s)}=\sum_{|t-\gamma| \le 1}\frac1{s-\rho}+\mathcal{O}(\ln |t|).

Représentation de 1 / ζ

La fonction 1 / ζ est étudiée conjointement avec la fonction ζ. On a une représentation par une série de Dirichlet sous la formule

 \frac1{\zeta(s)}=\sum_1^\infty{\frac{\mu(n)}{n^s}}

L'application de la formule sommatoire d'Abel donne également

\frac1{\zeta(s)}= \sum_1^\infty{\frac{\mu(n)}{n^s}}=s\int_1^\infty{\frac{M(u)}{u^{1+s}}\mathrm du}

M(u) = \sum_{n \le u}{\mu(n)}.

Cette formule est valable pour \Re(s)>1. On conjecture (hypothèse de Riemann) qu'elle reste vraie pour \Re(s)>1/2. On sait qu'elle est également valable pour s = 1 + it, t \neq 0.

La théorie de M est très obscure et cela probablement pour longtemps. On ne sait que démontrer l'estimation suivante:


M(u) = \mathcal{O}(u e^{-a(\ln u)^{3/5}}).

Que devient la série de Dirichlet sur l'axe 1 ?

La théorie des séries de Dirichlet montre, par le lemme d'Abel, que si la série converge en un point s0, elle converge pour tout s pour lequel \Re(s)> \Re(s_0). Le domaine de convergence est donc un demi-plan. Pour la série de Riemann, la série converge sur le demi-plan \Re(s)> 1 par suite du pôle en 1 (théorème de Dirichlet).

La série de Dirichlet converge-t-elle en dehors de 1, sur \Re(s)=1 ? La réponse est non. On a en effet (\Re(s)> 0)

\zeta(s)=\sum_{n=1}^N\frac1{n^s}+s\int_N^\infty{\frac{[u]-u+1/2}{u^{s+1}}}du + \frac{N^{1-s}}{s-1}-\frac12 N^{-s}

L'intégrale est O(t / σNσ) et le dernier terme se majore par O(N − σ). Ces deux termes tendent donc vers 0 quand N tend vers l'infini. Pour l'avant-dernier terme on a

\left|\frac{N^{1-s}}{s-1}\right|=\frac{N^{1-\sigma}}{\sqrt{(\sigma-1)^2+t^2}}

et il en résulte que lorsque N tend vers l'infini, ce terme prend des oscillations de plus en plus importantes si 0 < σ < 1: la série de Dirichlet diverge. Pour s = 1 + it, le terme devient

\left|\frac{N^{it}}{it}\right|=\frac{1}{t}.

Il ne tend pas vers 0: la série diverge mais ses oscillations restent bornées par 1 / t.

Pour les séries de Dirichlet de ζ' / ζ et 1 / ζ, l'application de la deuxième formule de Perron montre que chacune de ces séries converge sur l'axe 1 en dehors de s=1.

Presque périodicité

La fonction ζ est presque-périodique au sens de Bohr dans la région \Re(s)>1. Il en est de même de ses dérivées. La fonction 1 / ζ est également presque périodique sur \Re(s)>1 ainsi que ses dérivées. Par contre sur l'axe 1, la presque périodicité de Bohr cède sa place à la presque périodicité B2, au sens de Besicovitch.

La presque-périodicité au sens de Bohr, sur la ligne \Re(s)=\sigma_0, signifie qu'à \varepsilon près, la fonction se répète indéfiniment dans des intervalles de longueur L0,ε). Évidemment, plus \varepsilon est petit, plus L0,ε) est grand.

Estimation de la fonction dans les diverses régions du plan

Estimations dans la région \Re(s)>1

Dans le demi-plan \Re(s)=\sigma >\sigma_0>1 la fonction ζ(s) est bornée. Ses valeurs satisfont à l'inégalité

 \frac{\zeta(2\sigma)}{\zeta(\sigma)}\le|\zeta(\sigma+it)| \le \zeta(\sigma).

Elle n'a donc aucun zéro dans le demi-plan \Re(s)=\sigma >1.

Ces deux bornes sont les meilleures possibles: on montre, pour chaque valeur, qu'il existe une suite de t tendant vers l'infini ayant cette valeurs pour limite de la suite ζ(σ + it).

Charles-Jean de La Vallée Poussin démontra que pour σ > 1, on a

\zeta^3(\sigma)|\zeta(\sigma+it)|^4|\zeta(\sigma+2it)| \ge 1.

Une estimation, souvent utile, est donnée par la formule suivante pour les valeurs réelles de s supérieures à 1

\zeta(\sigma)\le \frac{\sigma}{\sigma-1}.

Elle résulte de la formule issue de la formule sommatoire d'Abel déjà donnée en remarquant que l'intégrale est toujours positive et affectée du signe -.

Estimations sur \Re(s)=1

La fonction ζ est presque périodique sur le demi plan \Re{e}(s)>1. Elle y est donc bornée sur tout demi-plan fermé strictement inclus. La présence du pôle en 1 empêche toute extension de la presque périodicité au sens de Bohr à un demi-plan plus vaste. Il est donc important de connaître le comportement de la fonction sur l'axe 1.

La méthode de Vinogradov-Korobov sur les majorations des sommes d'exponentielles permet de montrer que l'on a, pour tout t, l'inégalité

|\zeta(1+it)|< C_1 (\ln |t|)^{2/3}.\,

On connait, sans aucune hypothèse, une minoration de l'ordre des fonctions ζ(1 + it) et 1 / ζ(1 + it). On a en effet (γ = 0,577... est la constante d'Euler--Mascheroni)

 \limsup_{t \rightarrow \infty}\frac{|\zeta(1+it)|}{\ln \ln t} \ge e^\gamma

et

 \limsup_{t \rightarrow \infty}\frac{1/|\zeta(1+it)|}{\ln \ln t} \ge \frac6{\pi^2}e^\gamma

La fonction n'est donc pas bornée sur l'axe 1, même en dehors du voisinage de 1.

Estimations sur \Re(s)=0

Utilisant la formule des compléments et la relation fonctionnelle, on trouve pour t non nul

|\zeta(it)| = \sqrt{\frac{t}{\pi \sinh(\pi t)}}\sinh \left(\frac{\pi |t|}{2}\right)|\zeta(1+it)|

et de ce fait

|\zeta(it)| = \mathcal{O}\left(\sqrt{|t|}\ln^{2/3} |t|\right)

Estimations dans la région \Re(s)<0

L'application de l'équation fonctionnelle et de la formule de Stirling, et le comportement asymptotique de sin(σ + it) permet de montrer que

|\zeta(\sigma+it)| \ll \Big(\frac{t}{2\pi}\Big)^{1/2-\sigma}

pour σ < 0.

Estimation dans la bande critique

On peut estimer, uniformément dans la bande critique, ζ(s) par la formule

\zeta(\sigma+it)=\sum_{n \le t}{\frac1{n^{\sigma+it}}}+\mathcal{O}\left(|t|^{-\sigma}\right).

De la méthode de Vinogradov-Korobov on déduit la majoration suivante : il existe deux constantes c et C strictement positives telles que pour tout \sigma \in [1/2,1] et t > 3 , on ait

|\zeta(\sigma+it)| \le C t^{c(1-\sigma)^{3/2}} (\ln t)^{2/3}.

Dans l'état actuel des connaissances, d'après Ford[3], on peut prendre C = 76,2 et c = 4,45. La relation fonctionnelle permet d'estimer le module dans la bande \sigma \in [0,1/2].

Le théorème de Valiron

Quand on regarde les applications arithmétiques de la fonction ζ, on est frappé par l'usage quasi systématique des fonctions 1 / ζ, ζ' / ζ, ou lnζ mais la fonction ζ elle même apparaît rarement au numérateur. Comme la région importante est la bande critique 0 \le \Re{e}(s) \le 1, il est important de pouvoir traverser cette bande. Or la présence éventuelle de zéros sur le chemin complique singulièrement les calculs et les estimations. Le résultat suivant sert essentiellement à majorer la fonction 1 / ζ sur des chemins bien répartis.

Dans sa thèse soutenue en 1914, Georges Valiron a montré qu'il existait une infinité de valeurs de t dans tout intervalle [T,T + 1] pour lesquelles on avait la minoration

|\zeta(\sigma+it)| \ge t^{-\delta}.

pour un certain δ fixe strictement positif.

On ne connaît aucune valeur de δ qui convient. On sait seulement que 0\le \delta \le 1. Sous l'hypothèse de Riemann, on peut prendre δ aussi petit qu'on veut.

Les zéros

Les zéros triviaux

D'après la relation fonctionnelle, il existe une infinité de zéros sur l'axe réel négatif, un à chaque entier pair négatif. Exemples : -2, -4, -6, ... Ces zéros sont dits triviaux.
La relation fonctionnelle permet de plus de montrer que chacun de ces zéros est simple, et la valeur de la dérivée en − 2k est

 \zeta'(-2k)=(-1)^k\frac{(2k)!\zeta(2k+1)}{2^{2k+1}\pi^{2k}}

La bande critique et ses zéros

On appelle bande critique la bande  0 \le \Re(s) \le 1. Il existe une infinité de zéros dans la bande critique. Actuellement on ne sait pas exactement où mais l'hypothèse de Riemann affirme qu'ils sont tous de partie réelle 1/2. On a vérifié numériquement sur plus de 1 500 000 000 zéros que la partie réelle était bien 1/2 (aux incertitudes du calcul près).

Il a été démontré que l'axe \Re(s)=1/2 en avait une infinité, dont les 2/5 au moins sont simples. On sait également que la proportion des zéros de la forme β + iγ en dehors de l'axe 1/2 et tels que | γ | < T tend vers 0 quand T tend vers l'infini, cette proportion décroissant également à mesure que β s'écarte de 1/2.

On appelle traditionnellement N(T) le nombre de zéros de la fonction ζ de Riemann dans le rectangle vertical décrit par sa diagonale [0;1 + iT]. On pose également N0(T) pour le nombre de zéros se trouvant sur le segment [1 / 2;1 / 2 + iT]. On a alors les estimations suivantes :

N(T)=\frac{T}{2\pi}\ln\left(\frac{T}{2\pi e}\right)+\mathcal{O}\left(\ln T\right)

La démonstration de cette formule s'effectue par une intégration dans le rectangle considéré de ζ' / ζ qui donne la différence entre le nombre de pôles et le nombre de zéros dans le rectangle. Or il n'y a qu'un seul pôle. On a ainsi besoin des estimations de ζ sur les côtés \Re(s)=0 et \Re(s)=1.

Ces estimations permettent de donner une estimation asymptotique pour le zéro de rang n, βn + iγn sous la forme

|\gamma_n| \approx \frac{2\pi n }{\ln n}

Cette formule montre d'une part que l'ordre m(ρ) de chaque zéro ρ est majoré par

m(\rho) \le C\ln |\rho|

et d'autre part que la distance entre deux zéros tend vers 0. On a en effet

|\gamma_{n+1}-\gamma_n| = \mathcal{O}\left(1/\ln n \right).

Pour les zéros de la droite critique, on sait qu'il existe une constante C telle que, pour tout T\geq 2 on a

N_0(T)\geq C T\ln T\geq CN(T).

On ne connaît pas la valeur exacte de la constante C mais Conrey a démontré en 1989 que


\liminf_{T\to +\infty}\frac{N_0(T)}{N(T)}\geq 0,4077.

Autrement dit, plus de deux cinquièmes des zéros de ζ sont sur la droite critique \Re(s)=\frac{1}{2}.

La fonction S(t)

Une analyse plus fine de la fonction N(T) montre qu'on a

 N(T)= 1+\frac1{\pi}\arg\Big(\pi^{-it/2}\Gamma(1/4+it/2)\Big)+S(T)

où la fonction S(T) est définie par

S(T)=\frac1{\pi}\arg\Big(\zeta(1/2+it)\Big),

les arguments étant définis par variation continue depuis la valeur 0 prise en un point réel strictement supérieur à 1, le long d'un chemin menant au point considéré et composé de deux segments, l'un vertical depuis le point réel, l'autre horizontal jusqu'au point voulu.

La formule de Stirling complexe donne alors

 N(T)= \frac{T}{2\pi}\ln \frac{T}{2\pi e}+\frac78+S(T)+\mathcal{O}\left(1/T\right).

On connaît relativement peu de chose sur S(T) sans aucune hypothèse. On a l'estimation

 S(T)= \mathcal{O}\left(\ln T\right)

déjà ancienne et qu'on n'arrive pas à améliorer.

Sous l'hypothèse de Riemann, on a

 S(T)= \mathcal{O}\left(\ln T/\ln \ln  T\right).

Dans les recherches sur S(T), on a réussi à avoir quelques précisions supplémentaires sur le comportement de S(T) qui reste mystérieux:

 \int_0^T S(u)du = \mathcal{O}\left(\ln T\right)

dont on déduit que la moyenne de S(T) est égale à zéro.

Cependant Selberg a montré que S(T) était minoré par une quantité tendant vers l'infini pour une infinité de valeurs de T. Sur ces valeurs de T, on a

S(T) > A(lnT)1 / 3(lnlnT) − 7 / 3.

Selberg a également montré que

 \int_0^T S^2(u)du = \frac1{2\pi^2}T\ln \ln T (1+o(1))

qui montre que la moyenne de S2(T) sur [0,T] est (1 / 2π2)lnlnT.

Titchmarsh a montré d'autre part que S(T) changeait de signes une infinité de fois.

La théorie de la fonction mu

Graphe de la fonction μ en fonction de σ. En noir, la partie connue. En jaune la partie supposée conformément à l'hypothèse de Lindelöf. En rouge la majoration par la convexité.

L'estimation de ζ dans la partie \Re(s)<0 montre que la fonction est d'ordre fini: elle est majorée par une puissance de t. Dans la région \Re(s)>\sigma_0>1, la majoration est celle d'une constante. La théorie des séries de Dirichlet montre que dans la bande critique, la fonction est encore d'ordre fini sauf en s = 1. La question qui se pose alors est celle de l'estimation de cet exposant. On appelle traditionnellement μ(σ) le plus petit exposant μ tel que |\zeta(\sigma+it)| \ll t^\mu.

La théorie générale montre que la fonction μ est une fonction convexe décroissante de σ.

On a de plus \mu(\sigma) = \frac12-\sigma pour σ < 0 et μ(σ) = 0 pour σ > 1.

La propriété de convexité impose, dans la bande critique

\mu(\sigma) \le \frac12-\frac12 \sigma

mais on ignore la valeur exacte de μ(σ) pour 0 < σ < 1.

On sait que \mu(1/2) \le 139/858=0,162004 d'après Kolesnik. La convexité donne \mu(1/2) \le 1/4=0,25 et la relation fonctionnelle approchée \mu(1/2) \le 1/6 < 0,16667.

On conjecture que le graphe de μ est composé des deux seules demi-droites indiquées, qui se rejoignent en σ = 1 / 2 à la valeur 0. Ceci constitue l'hypothèse de Lindelöf, encore indémontrée.

Les grandes conjectures

L'hypothèse de Riemann

Représentation en bleu de la partie réelle et en rouge de la partie imaginaire de la fonction ζ(1 / 2 + ix) sur l'intervalle [0;100], où l'on voit clairement apparaître les premiers zéros non-triviaux.

Cette hypothèse reste pour l'instant non démontrée. Elle exprime que tous les zéros qui se trouvent dans la bande critique sont de partie réelle égale à 1/2. Elle ne dit rien sur la multiplicité des zéros.

Cette hypothèse, formulée dès 1859 par Bernhard Riemann, a de très grandes conséquences dans le comportement asymptotique de nombreuses fonctions arithmétiques qui se trouvent liées à ζ.

Les conséquences sur le comportement de la fonction ζ sont nombreuses. On en donne quelques unes dans ce qui suit.

  • L'hypothèse de Riemann entraine que l'on a δ = 0 dans le théorème de Valiron. En fait, on montre bien mieux, la fonction lnζ étant analytique régulière dans le demi-plan \Re(s)>1/2.
  • Sous l'hypothèse de Riemann, on a, uniformément pour tout σ tel que 1/2<\sigma_0 \le \sigma \le 1
 \ln \zeta(\sigma+it) = \mathcal{O}\Big((\ln t)^{2-2\sigma+\epsilon}\Big)

et même plus précisément, si l'on suppose 1/2+
1/\ln \ln t \le \sigma \le 1, on a

 \ln \zeta(\sigma+it) = \mathcal{O}\Big(\ln \ln t(\ln t)^{2-2\sigma}\Big).
  • De cela on déduit, pour tout σ > 1 / 2, car l'exposant dans la formule précédente est inférieur à 1,
     \zeta(\sigma+it) = \mathcal{O}\Big(t^\epsilon\Big)
    et
     \frac1{\zeta(\sigma+it)} = \mathcal{O}\Big(t^\epsilon\Big).

Autrement dit, l'hypothèse de Riemann implique l'hypothèse de Lindelöf.

  • Il en résulte également l'estimation
 \lim_{T \rightarrow \infty}\frac1{T}\int_1^T\frac{dt}{ |\zeta(\sigma+it)|^2} = \frac{\zeta(2\sigma)}{\zeta(4\sigma)}.
  • On peut développer, sous l'hypothèse de Riemann, une théorie voisine de celle de la fonction μ(σ) qui concernait ζ. Supposant σ > 1 / 2 et appelant ν(σ) le plus petit exposant α pour lequel on a \ln \zeta(\sigma+it)=\mathcal{O}\Big((\ln t)^\alpha\Big), on montre que ν(σ) est une fonction convexe décroissante de σ satisfaisant aux inégalités 1-\sigma \le  \nu(\sigma) \le 2(1-\sigma). On montre aussi que la fonction ν(σ) de ζ'(σ + it) / ζ(σ + it) est la même fonction ν(σ) que celle de lnζ(σ + it). Mais on ignore encore la valeur de ν(σ) pour tout \sigma \in ]1/2, 1[. Pour \sigma \ge 1, ν(σ) = 0.
  • On avait sans l'hypothèse de Riemann la formule
    \frac{\zeta'(s)}{\zeta(s)}=\sum_{|t-\gamma| \le 1}\frac1{s-\rho}+\mathcal{O}(\ln |t|).
    Avec l'hypothèse de Riemann, la sommation peut être considérablement diminuée. On a
\frac{\zeta'(s)}{\zeta(s)}=\sum_{|t-\gamma| \le 1/\ln \ln t}\frac1{s-\rho}+\mathcal{O}(\ln |t|).
  • On connait, sous l'hypothèse de Riemann, l'ordre exact des fonctions ζ(1 + it) et 1 / ζ(1 + it).

On a en effet (γ = 0,577... est la constante d'Euler)

e^\gamma\le \limsup_{t \rightarrow \infty}\frac{|\zeta(1+it)|}{\ln \ln t} \le e^{2\gamma}

et

\frac6{\pi^2}e^\gamma\le \limsup_{t \rightarrow \infty}\frac{1/|\zeta(1+it)|}{\ln \ln t} \le \frac{12}{\pi^2}e^{2\gamma}
  • La question de la position des zéros de la dérivée ζ' est liée également à l'hypothèse de Riemann. Littlewood démontra le théorème
« Ou la fonction ζ, ou bien la fonction ζ' a une infinité de zéros dans le demi-plan 1 − δ < σ < 1, δ étant une quantité positive arbitrairement petite. »

et Speiser démontra que

« L'hypothèse de Riemann est équivalente à l'absence de zéro non trivial de la dérivée ζ' dans le demi-plan σ < 1 / 2. »

De même, Yildirim[4] démontra que

« L'hypothèse de Riemann implique que ζ''(s) et ζ'''(s) ne s'annulent pas dans la bande 0 < \Re(s)<1/2. »

L'hypothèse de Lindelöf

Elle s'exprime dans la propriété, encore conjecturale, suivante :

pour tout \varepsilon>0 on a

|\zeta(1/2+it)| \le t^\varepsilon.

Cela a en autre pour immédiate conséquence que μ(1 / 2) = 0. On connaît donc la valeur exacte de la fonction μ. Son graphe est constitué de deux demi-droites.

  • Cette hypothèse a de nombreuses formulations équivalentes intéressantes. En voici quelques unes
    • Pour tout k \ge 1, on a
\frac1{T}\int_1^T{|\zeta(1/2+iu)|^{2k}du} = \mathcal{O}(T^\epsilon)
    • Pour tout k \ge 1, et tout σ > 1 / 2 on a
\frac1{T}\int_1^T{|\zeta(\sigma+iu)|^{2k}du} = \mathcal{O}(T^\epsilon)


  • L'hypothèse de Lindelöf a pour conséquence la raréfaction des zéros à mesure qu'on s'écarte de l'axe 1/2. Cette dernière propriété est appelée "hypothèse de densité" quand on la considère par elle-même.

Appelant N(σ,T) le nombre de zéros sur la droite \Re(s)=\sigma et dont la partie imaginaire reste inférieure ou égale à T, on a, sous l'hypothèse de Lindelöf,

N(\sigma,T) \le \mathcal{O}(T^{2(1-\sigma)+\epsilon})
  • Par contre, on ignore si l'hypothèse de Lindelöf, qui a comme on vient de voir une influence sur la position des zéros, implique ou non l'hypothèse de Riemann.

Les hypothèses de Mertens

Sur une table numérique allant jusqu'à 10 000 de la fonction de Mertens M(x), Mertens en 1897 conjectura que l'on a

|M(x)| \le \sqrt{x}.

Cette conjecture a été réfutée en 1985 par Odlysko et Te Riele. Cependant, la conjecture généralisée de Mertens, qui s'exprime sous la forme

|M(x)| \le A\sqrt{x}

pour un certain A > 1, n'est pas réfutée.

Une troisième formulation est la forme affaiblie:

\int_1^x{\frac{M^2(u)}{u^2}du}=\mathcal{O}(\ln x).

La forme généralisée implique la forme affaiblie. La forme affaiblie implique l'hypothèse de Riemann (et donc l'hypothèse de Lindelöf) et la simplicité des zéros.

La conjecture des paires corrélées

La conjecture (faible) des paires corrélées exprime que, pour un nombre α > 0,

\sum_{0<\gamma,\gamma'<T, 0<\gamma-\gamma'< \frac{2\pi\alpha}{\ln T}}1=\frac{T\ln T}{2\pi}(1+o(1))\int_0^\alpha 1-\left(\frac{\sin(\pi u)}{\pi u}\right)^2 du.

Cette dernière conjecture fait le lien avec la théorie des matrices aléatoires.

La conjecture de Hilbert-Polya

Hilbert et Polya ont suggéré que la conjecture de Riemann serait démontrée si l'on pouvait trouver un opérateur hermitien \hat{H} dont les valeurs propres (nécessairement réelles) soient exactement les parties imaginaires Ek des zéros non triviaux :

\ \hat{H} \ \psi_k \ = \ E_k \ \psi_k

Un tel opérateur hermitien n'a pas encore été trouvé explicitement à ce jour. Néanmoins, cette équation aux valeurs propres suggère un lien avec un problème de mécanique quantique non relativiste qui est précisé dans le paragraphe suivant.

Propriétés statistiques des zéros non triviaux et chaos quantique

Les propriétés statistiques des zéros non triviaux de la fonction ζ ressemblent asymptotiquement à celle des valeurs propres d'un grand ensemble de matrices aléatoires unitaires gaussiennes de l'ensemble GUE. Cette conjecture est basée sur de nombreux résultats numériques, et fortement supportée par un théorème rigoureux de Montgomery[5]. Ceci a conduit le physicien théoricien Michael Berry à conjecturer que les parties imaginaires Ek des zéros non triviaux pouvaient s'interpréter comme les valeurs propres d'un opérateur hamiltonien décrivant un système quantique non relativiste qui serait classiquement chaotique, et dont les orbites classiques ne possèdent pas la symétrie de renversement du temps[6],[7],[8]. Mieux, un opérateur hamiltonien semblant posséder les bonnes propriétés a été récemment exhibé par Berry et Keating[9],[10].

Les propriétés statistiques des zéros non triviaux continuent d'être l'objet d'intenses recherches, tant numériques qu'analytiques[11]. On pourra lire également : Philippe Biane ; La fonction zêta de Riemann et les probabilités, Journées X-UPS (2003), texte au format pdf.

La relation fonctionnelle approchée

Comme on a vu, il est possible de calculer la fonction ζ dans la bande critique en utilisant une somme partielle de la série de Dirichlet. La relation fonctionnelle se traduit alors dans une relation approchée reliant les séries de Dirichlet partielles pour les exposants s et 1 − s. C'est la relation fonctionnelle approchée:

Pour 0 < σ < 1 et xy = t avec x > h > 0, y > h > 0, on a

\zeta(s)=\sum_{n \le x}\frac1{n^s}+\chi(s)\sum_{n \le y}\frac1{n^{1-s}}+\mathcal{O}(x^{-\sigma}\ln |t|)+\mathcal{O}(|t|^{1/2-\sigma}y^{\sigma-1})

avec

\chi(s)=\frac{2^{s-1}\pi^s}{\Gamma(s)} \sec\left(\frac12 s\pi\right)

On peut, avec elle, obtenir une première estimation de | ζ(1 / 2 + it) | , l'objectif étant de démontrer l'hypothèse de Lindelöf.

La région sans zéro

La région la plus grande asymptotiquement qui ne contient aucun zéro de la fonction ζ est donnée par la formule suivante :

\Re(s) > 1 - \frac{c}{(\ln t)^{2/3}(\ln \ln t)^{1/3}}

Le problème des moments

Malgré quelques progrès, on n'a pas réussi à résoudre la question de l'ordre de ζ dans la bande critique. Le problème de l'ordre moyen est lui, partiellement résolu. Il prend la forme de l'estimation de l'expression

\int_1^T|\zeta(\sigma+it)|^2 \mathrm dt.

Cette estimation est donnée par un théorème général sur les séries de Dirichlet:

« Soient f(s)=\sum_{n=1}^\infty{\frac{a_n}{n^s}} et g(s)=\sum_{n=1}^\infty{\frac{b_n}{n^s}} deux séries de Dirichlet absolument convergentes, la première pour \Re(s) > \sigma_0 et la seconde pour \Re(s) > \sigma_1.

Alors, pour α > σ0 et β > σ0, on a

\lim_{T \rightarrow \infty}\frac1{2T}\int_{-T}^T f(\alpha+it)g(\beta-it) \mathrm dt=\sum_{n=1}^\infty{\frac{a_n b_n}{n^{\alpha+\beta}}}.
 »

En l'appliquant à la fonction ζ, on trouve immédiatement, pour σ > 1

\lim_{T \rightarrow \infty}\frac1{2T}\int_{-T}^T|\zeta(\sigma+it)|^2 \mathrm dt=\zeta(2\sigma)

et

\lim_{T \rightarrow \infty}\frac1{2T}\int_{-T}^T|\zeta(\sigma+it)|^4 \mathrm dt=\frac{\zeta^4(2\sigma)}{\zeta(4\sigma)}.

On a donc cherché à étendre ces formules pour \sigma \le 1.

Le problème général des moments est donc l'évaluation des intégrales dépendantes de k, pour \sigma \ge 1/2

\lim_{T \rightarrow \infty}\frac1{T}\int_1^T|\zeta(\sigma+it)|^{2k} \mathrm dt.

Les résultats, désormais classiques, sont les suivants:

  • Pour le moment d'ordre 2 en σ = 1 / 2
\int_0^T|\zeta(1/2+it)|^{2} \mathrm dt=T \ln T+(2\gamma-1-\ln 2\pi)T+\mathcal{O}\Big(\sqrt{T}\ln T\Big).
  • Pour le moment d'ordre 2 en σ > 1 / 2
\lim_{T \rightarrow \infty}\frac1{T}\int_1^T|\zeta(\sigma+it)|^2 \mathrm dt=\zeta(2\sigma)


  • Pour le moment d'ordre 4 en σ = 1 / 2
\int_1^T|\zeta(1/2+it)|^4 \mathrm dt=\frac1{2\pi^2}T (\ln T)^4+\mathcal{O}\Big(T(\ln T)^3\Big).
  • Pour le moment d'ordre 4 en σ > 1 / 2
\lim_{T \rightarrow \infty}\frac1{T}\int_1^T|\zeta(\sigma+it)|^4 \mathrm dt=\frac{\zeta^4(2\sigma)}{\zeta(4\sigma)}.
  • Carlson a montré que, si l'on appelle σk la borne inférieure des σ pour lesquels on a
\lim_{T \rightarrow \infty}\frac1{T}\int_1^T|\zeta(\sigma+it)|^{2k}\mathrm dt=\mathcal{O}(1)

alors

\sigma_k \le \max\Big(1-\frac{1-\alpha}{1+\mu_k(\alpha)},\frac12,\alpha\Big)

pour 0 < α < 1. La quantité μk(α) étant l'équivalent de la fonction μ de ζ pour la fonction ζk.

  • Les moments d'ordre supérieur à 4 font encore l'objet d'intenses recherches. On sait qu'il existe une constante C(k) telle que
\int_0^T|\zeta(1/2+it)|^{2k} \mathrm dt \ll T^{(k+2)/4}(\ln T)^{C(k)}

pour 2 \le k \le 6 et on conjecture qu'il en est ainsi pour les k supérieurs à 6, en particulier 8.

L'importance du problème des moments est liée à l'hypothèse de Lindelöf.

Applications diverses

Calcul d'intégrales

  • On a pour \Re(s)>0
\zeta(s)=\frac1{(1-2^{1-s})\Gamma(s)}\int_0^1 \frac{|\ln u|^{s-1}}{1+u} \mathrm du.


Suite de Farey

Fonction de comptage des nombres premiers

La fonction de comptage des nombres premiers est définie par

\pi(x)=\sum_{p \in \mathcal{P}, p\le x} 1.

La non annulation de la fonction ζ sur \Re(s)=1 a pour conséquence la véracité de la conjecture de Legendre-Gauss

\pi(x)=\Big(1+o(1)\Big)\int_2^x{\frac{\mathrm du}{\ln u}}

La région sans zéro permet ensuite de majorer le reste:

\pi(x)=\int_2^x{\frac{du}{\ln u}}+\mathcal{O}\Big(x\exp(-c(\ln x)^{3/5}(\ln \ln x)^{-1/5})\Big)

Ce qui est encore bien loin de ce qu'on sait démontrer si l'hypothèse de Riemann est vraie

\pi(x)=\int_2^x{\frac{du}{\ln u}}+\mathcal{O}(\sqrt{x}\ln x).

Le nombre premier de rang n

Grâce à une étude numérique de la fonction ζ, Rosser et Schoenfeld ont montré que

n\Big(\ln n + \ln \ln n -\frac32\Big) < p_n < n\Big(\ln n + \ln \ln n -\frac12\Big).

La borne inférieure a été améliorée par Dusart en 1999 qui montra, pour n >1,

n\Big(\ln n + \ln \ln n -1\Big) < p_n .

Historique

Propriétés

Valeurs numériques particulières

Euler était capable de calculer la valeur de la fonction ζ pour les entiers positifs pairs en utilisant la formule :

 \zeta(2k) \ = \ \frac{(-1)^{k-1} \, B_{2k} \ (2\pi)^{2k}} {2 \, (2k)!}

valable pour tout entier positif k, où les B2k sont les nombres de Bernoulli. De là, nous voyons que :

\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6} \quad ;  \quad
\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90} \quad ; \quad
\zeta(6) = \frac{\pi^6}{945}\quad ; \quad
\zeta(8) = \frac{\pi^8}{9450} \quad ; \quad \dots

Nous obtenons les célèbres séries infinies permettant de calculer les puissances paires de π. Pour les entiers impairs, le cas n'est pas si simple. Ramanujan a beaucoup travaillé sur ces séries et Apéry a démontré en 1979 que ζ(3), qui vaut environ 1,2020569... est irrationnel (voir constante d'Apéry). En 2000, Tanguy Rivoal a démontré qu'il existe une infinité de nombres irrationnels parmi les valeurs aux entiers impairs. On conjecture que toutes les valeurs aux entiers impairs sont irrationnelles et même transcendantes.

Notes et références

  1. Voir P. Cartier, « An Introduction to Zeta-Functions », in Michel Waldschmidt, P. Moussa, J.-M. Luck, C. Itzykson (éds.), From Number Theory to Physics [détail des éditions] , p. 5-12, et surtout 11-12, suivi ici.
  2. Matsuoka,Generalized Euler Constants Associated with the Riemann Zeta Function.,Number Theory and Combinatorics,p279-295,World Scientific,1985
  3. Ford, Vinogradov's integral and bounds for the Riemann zeta Function,Proceedings of the London Mathematical Society, 2002, T85,p565-633
  4. Yildirim, A note on Zeta(s) and Zeta'(s), Proceedings of the american mathematical society, V124 N°8, août 1996
  5. H. L. Montgomery, The pair correlation of zeros of the zeta function, Analytic number theory (Proceedings of Symposium in Pure Mathemathics, Vol. 24 (St. Louis Univ., St. Louis, Mo., 1972), American Mathematical Society (Providence, R.I., 1973), pp. 181–193.
  6. Michael V. Berry ; Riemann's zeta function : a model for quantum chaos?, dans : T H Seligman and H Nishioka (eds.) ; Quantum chaos and statistical nuclear physics, Springer Lecture Notes in Physics No. 263, Springer-Verlag (1986) 1-17. Texte complet disponible au format pdf.
  7. Michael V. Berry ; Semiclassical formula for the number variance of the Riemann zeros, Nonlinearity 1 (1988) 399-407. Texte complet disponible au format pdf.
  8. Michael V. Berry ; Quantum mechanics, chaos and the Riemann zeros, dans : A O Barut, I D Feranchuk, Ya M Shnir and L M Tomil ‘chik (eds.) ; Quantum systems : new trends and methods, World Scientifc (1995) 387-392. Texte complet disponible au format pdf.
  9. Michael V. Berry & Jonathan P. Keating ; H = xp and the Riemann zeros, dans : I V Lerner et J P Keating (eds.) ; Supersymmetry and trace formulae : chaos and disorder, Plenum Press (New York — 1999), 355-367. Texte complet disponible au format pdf.
  10. Michael V. Berry & Jonathan P. Keating ; The Riemann Zeros and Eigenvalue Asymptotics, SIAM Review 41 (1999), 236-266. Texte complet disponible au format pdf.
  11. Propriétés statistiques de la fonction zêta :
    • Eugene B Bogomolny & Jonathan P. Keating ; Random matrix theory and the Riemann zeros I : three- and four-point correlations, Nonlinearity 8 (1995) 1115-1131.
    • Eugene B Bogomolny & Jonathan P. Keating ; Random matrix theory and the Riemann zeros II : n-point correlations, Nonlinearity 9 (1996), 911-935.
    • Oriol Bohigas, Patricio Lebœuf et M.-J. Sanchez ; Spectral spacing correlations for chaotic and disordered systems, Foundations of Physics 31 (2001) 489-517. Texte complet disponible sur l'ArXiv : nlin.CD/0012049.
    • Francesco Mezzadri ; Random matrix theory and the zeros of zeta'(s), Journal of Physics A : Mathematical ans General Vol. 36 (2003), 2945-2962. Texte complet disponible sur l'ArXiv : math-ph/0207044.
    • Jonathan P. Keating ; Random matrices and the Riemann zeta-function – a review, Applied Mathematics Entering the 21st Century : Invited Talks from the ICIAM 2003 Congress ; editors, James M. Hill and Ross Moore (SIAM) (2004), 210-225.
    • Eugene Bogomolny, Oriol Bohigas, Patricio Lebœuf & A. G. Monastra ; On the spacing distribution of the Riemann zeros : corrections to the asymptotic result, math/0602270.

Bibliographie

Traités généraux

  • Blanchard ; Introduction à la théorie analytique des nombres
  • Jean-Benoît Bost, Pierre Colmez et Philippe Biane ; La Fonction Zêta, Éditions de l'École polytechnique (Paris — 2002), ISBN 2-7302-1011-3. (Suite d'articles sur différents points de la théorie analytique des nombres et de la fonction zêta. N'est pas destiné à une étude systématique de la fonction zêta de Riemann)
  • Ellison et Mendès France, Les nombres premiers, Hermann, Paris, 1975, ISBN 2-7056-1366-8 (malgré son titre, il s'agit essentiellement de l'étude de la fonction zêta de Riemann. On y trouvera aussi une preuve élémentaire du théorème de Hadamard-De La Vallée Poussin, une preuve du théorème de Dirichlet et la démonstration de la région sans zéro de Vinogradov-Korobov. À lire pour commencer. Il a aussi l'avantage d'être en français.)
  • Favard, Leçons sur les fonctions presque-périodiques, Gauthier-Villars, Paris, 1933. (pour comprendre la théorie de Bohr des séries de Dirichlet dont la fonction zêta fait partie puisqu'elle est presque périodique au sens de Bohr dans le demi-plan à droit du pôle 1)
  • Eberhard Freitag et Rolf Busam : "Complex Analysis", Springer, (2e édition — 2009), ISBN 978-3540257240 (la théorie analytique des nombres,de la définition des nombres complexes aux formes modulaires en passant par zeta)
  • Aleksandar Ivic ; The Riemann Zeta-Function, John Wiley & Sons, 1985, ISBN 0-471-80634-X (Concurrent du traité de Titchmarsh, un peu plus récent)
  • Karatsuba, Basic analytic number theory, Springer-Verlag, 1993, ISBN 0-387-53345-1 (très bon traité)
  • E. C. Titchmarsh et D. R. Heath-Brown ; The Theory of the Riemann Zeta-Function, Oxford University Press (2e édition — 1987), ISBN 0-19-853369-1. (La bible sur la fonction zêta jusqu'à une époque récente, disons 1990. Reste irremplaçable sur certains sujets. La première édition de 1951 n'a pas beaucoup été complétée par la seconde de 1986. Heath-Brown s'est contenté d'indiquer pour chaque chapitre l'état des connaissances en 1986 sans démonstration en deux ou trois pages.)
  • Gérald Tenebaum ; "Introduction à la théorie analytique et probabiliste des nombres", Belin (3e édition augmentée — 2008), ISBN 978-2-7011-4750-5.
  • S. J. Patterson ; An Introduction to the Theory of the Riemann Zeta-Function, Cambridge Studies in Advanced Mathematics (No. 14), Cambridge University Press (1995), ISBN 0-521-49905-4.

Articles de revue

  • Nicholas M. Katz & Peter Sarnak ; Zeroes of zeta functions and symmetry, Bulletin of the American Mathematical Society 36 (1999), 1-26. Texte disponible en ligne.
  • Philippe Biane, Jim Pitman & Marc Yor ; Probability laws related to the Jacobi theta and Riemann zeta functions, and Brownian excursions, Bulletin of the American Mathematical Society 38 (2001), 435-465. Texte disponible en ligne.
  • Stephen S. Gelbart & Stephen D. Miller ; Riemann's zeta function and beyond, Bulletin of the American Mathematical Society 41(1) (2004), 59-112. Texte disponible en ligne.

Voir aussi

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