Теорема Дирихле

Содержание

Введение. 2

1. Характеры.. 3

1.1 Определение характера. Основные свойства характеров. 3

1.2 Суммы характеров. Соотношение ортогональности. 6

1.3 Характеры Дирихле. 8

2. L-функция Дирихле. 13

3. Доказательство теоремы Дирихле. 29

Введение

Простые числа расположены в натуральном ряде весьма неравномерно.

Целью данной работы является доказательство следующей теоремы о простых числах в арифметической прогрессии.

Теорема Дирихле. Если разность и первый член арифметической прогрессии есть взаимно простые натуральные числа, то она содержит бесконечное множество простых чисел.

Пусть

Mn + l, n = 1,2, …,

Прогрессия, удовлетворяющая условию теоремы.

Условие (m, l )=1, наложенные на числа m и e в формулировке теоремы, естественно, поскольку в случае, когда d =(m, l )>1, все члены прогрессии делятся на d и поэтому не являются простыми числами.

Сформулированная теория была впервые высказана Л. Эйлером в 1783 г. В 1798 г. А. Лежандр опубликовал доказательство для четных m, использовавшее, как выяснилось позднее, одну ошибочную лемму.

Полностью доказал теорему в 1837-1839 гг. Петер Густав Лежен-Дирихле (1805-1859), немецкий математик, автор трудов по аналитической теории чисел, теории функций, математической физике.

В 1837 г. вышли две работы Дирихле, посвященные теореме о простых числах в арифметической прогрессии. Они содержали формулировку теоремы в общем виде, однако доказательство приводилось только для случая, когда разность прогрессии есть простое число. В конце второй работы содержится построение характеров для произвольного модуля и некоторые утверждения о том, как можно доказать утверждение L (1,χ)¹0 для неглавных характеров x в одном случае. В 1839 г. Дилихле опубликовал полное доказательство теоремы о простых числах в арифметической прогрессии. С тех пор она носит его имя.

1. Характеры 1.1 Определение характера. Основные свойства характеров

Характером (от греческого хараæτήp-признак, особенность) χ конечной абелевой группы G называется не равная тождественно нулю комплекснозначная функция, определенная на этой группе и обладающая тем свойством, что если, АÎG и BÎG

χ (АВ)= χ (А) χ(В).

Обозначим через Е единичные элементы в группе G и через А-1 обратный элемент для АÎG

Характеры группы G обладают следующими свойствами :

1 . Если Е-единица группы, то для каждого характера χ

χ (Е)=1 (1.1)

Доказательство. Пусть для каждого элемента АÎG справедливо неравенство

C1 (А)=c(АЕ)= c(А) χ (Е)

Из этого равенства получим, что c (Е)¹0. Теперь из равенства

C (Е)= c (ЕЕ)= c (Е) c (Е)=1

Следует равенство (1.1)

2 . c (А) ¹0 для каждого АÎG

Действительно, если бы χ (А) =0 для некоторого АÎG, то

C (А) χ (А-1 )= c (АА-1 )= χ (Е)=0,

А это противоречит свойству 1.

3 . Если группа G имеет порядок h, то Аh =Е для каждого элемента АÎG Следовательно,

1= χ (Е)= χ (Аh )= χ (А)h,

То есть χ (А) есть некоторый корень степени h из единицы.

Характер χ1, обладающий свойством χ1 (А)=1 для каждого элемента АÎG, называется главным характером группы G. Остальные характеры называются неглавными.

Лемма 1. Пусть Н подгруппа конечной абелевой группы G, причем G / H – циклическая порядка n, тогда для каждого характера χH – подгруппы Н существует ровно n характеров.

Доказательство. Рассмотрим группу G = Gk H, причем gn H=H, gn ÎH и gn =h1 =1.

Для каждого элемента XÎG существует и притом единственное к=кх и hх =h такое, что если 0£ кх <n, то X= gkх hх =gk h. Возьмем еще один элемент группы G, Y= gm hy, где 0£m<n. Перемножим эти два элемента

ХY= gк+m hhy.

Определим характер χ (X).

χ (X)= χ (gк h)= χ (gк ) χ (n)= χ к (g) χH (h).

В данном выражении неизвестным является χ (g).

χn (g)= χ (gn )= χ (h1 )= χH (h1 ) – данное число.

χ ( g )= – n корней из 1,

То есть ξјn =χn (g)= χH (h1 ), получаем xk (g)= ξјn. Следовательно, x(g)= ξ1 , …, ξn

Из полученных равенств получаем:

χ (X)= χk (g) χH (hx )= ξjkx χH (hx )

χ (Y)= χm (g) χH (hy )= ξjky χH (hy )

Определим умножение характеров

χ (X) χ (Y)= ξjky χH (hy ) ξjk-x χH (hx )= ξjkx+ky χH (hx ) χH (hy )= jk+m χH (hhy )

Для того чтобы определение выполнялось, необходимо рассмотреть степень gkx+kx. Возможны два случая:

1) Если 0£ кх + ky <n, то

Кх + ky = kxy, ; hx hy = hxy.

В этом случае определение выполняется.

2) Если n£ кх + ky <2n-1, то получим

Кх + ky = n + kxy. .

Тогда

XY= gkx+ky hx hy =gh gkx+ky-n hx hy =gkx+ky-n h1 hx hy

В свою очередь 0£ кх + ky – n£n-1 Þkx +ky – n=kxy, h1 hx hy = hxy.

χ (XY) = ξjkх+kу χн (hxу) = ξjkх + kу – n χн (h1 ) χн (hx ) χн (hy ) = ξjкх ξj ку ξj – n χн (h1 ) χн (hx ) χн (hy ) = ξj кх χн (h1х ) – ξj ку χн (hy ) = χ (X) χ(Y).

Лемма доказана.

5. Характеры конечной мультипликативной абелевой группы G образуют конечную мультипликативную абелевую группу Ĝ.

Под произведением двух характеров χ’ и х χ” группы G будем понимать характер х, определяемый следующим свойством:

χ (AB) = χ’ (A) χ” (В)

Для любого элемента АÎG, имеем:

χ (АВ) = χ’ (АВ) χ” (АВ) = χ’ (А) χ’ (В) – χ” (А) χ” (В) = χ(А) χ(В)

Таким образом, получаем χ ‘ χ ” действительно является характером.

Роль единичного элемента группы G играет главный характер χ1

Обратным элементом G является:

χ2 (g1 g2 ) = == = χ2 (g1 ) χ2 (g1 )

1.2 Суммы характеров. Соотношение ортогональности

Пусть G – конечная мультипликативная абелева группа порядка h. Рассмотрим сумму:

S = ,

Где А пробегает все элементы G, и сумму

Т =

Где c пробегает все элементы группы характеров Ĝ.

Рассмотрим чему равна каждая из сумм.

А) Если В-фиксированный элемент группы G и А пробегает все элементы G, то АВ также пробегает все элементы группы G. Следовательно,

S-c (В) = C (В) = = = S.

Получили Sc (В) = S, откуда следует, что (c (В) – 1)-S = 0. Следовательно, возможны два варианта:

1) S = 0, то c (В) – негативный характер

2) S≠0, то c (В) = 1 для каждого элемента В€Gи в этом случае c (В)= c1 (В) есть главный характер и сумма S равна порядку h группы G. Таким образом,

S = = {(1.2)

Б) Если мы умножим сумму Т на некоторый характер c’ группы Ĝ, то аналогичным образом получим

C’ (А) Т = C’ (А) = = Т,

Следовательно,

1) или Т = 0, то А ≠Е

2) или Т ≠ 0, то c’ (А) = 1 для каждого характера c’€ G. В этом случае согласно свойству 3§ 1, имеем А=Е. И тогда Т=h. Таким образом,

Т = = {

1.3 Характеры Дирихле

Пусть m – положительное целое число. Определим числовые характеры по модулю m. Мы знаем, что j(m) приведенных классов вычетов по модулю m образуют мультипликативную абелеву группу порядка h=j(m). Мы можем, следовательно, рассмотреть характер этой группы. Но определение характера для приведенных классов вычета по модулю mможно перенести на множество целых чисел следующим образом. Положим

C(а)= c(А), если аÎА,

Где А – приведенный класс вычетов по модулю m. Тогда очевидно, c(а)= c(b) (modm), и c(ab)= c(а) c(b), если (а, m)=(b, m)=1. Поскольку c(А)¹0 для каждого приведенного класса вычетов А, то c(а)¹0, если (a, m)=1.

Это определение применимо только к целым числам а, которые взаимно просты с m.

Мы можем рассмотреть его на все целые числа, положив

C(а)=0, если (a, m)>1.

Следовательно, характер по модулю m есть арифметическая функция c, обладающая следующими свойствами:

C(а)= c(b), если с=b (modm)

C(ab)= c(a) c(b) для всех целых a и b

C(а)=0, если (a, m)>1

C(а)¹0, если (a, m)=1

Имеется точно j(m) – количество характеров по модулю m, где j(m) – количество положительных целых чисел, не превосходящих m и взаимно простых с m. Они образуют мультипликативную абелеву группу приведенных классов вычета по modm. Единичным элементом этой группы будет главный характер c1, то есть такой характер, что c1 (а)=1, если (а, m)=1. Далее имеем следующее соотношение ортогональности:

= {

= {

Пусть m – положительное целое число. Определим числовые характеры по модулю m. Комплекснозначная функция, определенная для всех целых чисел n, называется числовым характером или характером Дирихле по модулю m, она удовлетворяет следующим условиям:

А) c (n) = 0 тогда и только тогда, когда (n, m) ≠ 1

Б) c (n) периодична с периодом m

В) для любых чисел а и b

C (аb) = c (а) c (b)

Функция

C1 (n) = {

Является числовым характером и называется главным характером. Остальные числовые характеры по модулю m называются неглавными.

Имеет место следующее утверждение о числовых характерах.

Теорема 1 Существует равно φ(m) числовых характеров по модулю m. Если c = c (n) – числовой характер по модулю m, то:

1) для n, взаимно простых с модулем m, значения c (n) есть корень из 1 степени φ(m).

2) для всех n выполняется неравенство /c (n)/ ≤1

3) Имеет место равенство

{

4) Для каждого целого числа n

= {

Доказательство. Пусть c (n) – некоторый числовой характер по модулю m. Из пункта б) определения следует, что c (n) задает некоторую функцию c'() = c (n) на мультипликативной группе Классов вычетов по модулю m, взаимно простых с m, а именно

C'() = c (n)

Здесь обозначает класс вычетов по модулю m, содержащий n. Так как c(1) ≠ 0, то c'() не равняется тождественно нулю, а из пункта в) определения числового характера следует, что c'() = c'() = c’ (ab ) = c (a ) c (b ) = c'()c'().

Таким образом, c'() есть характер модультипликативной группы Gm.

Обратно, по каждому характеру c'() группы Gm можно построить числовой характер c (n) по модулю m, положив

{

Установленное соответствие является взаимнооднозначным. И все утверждения теоремы 1 следуют из доказанного выше для групповых характеров применительно к группе Gm, если учесть, что порядок группы Gm равен φ(m), где φ(m) – функция Эйлера.

В дальнейшем требуется еще одно утверждение с числовых характерах. Обозначим для каждого c, c ≥ 1

Где суммирование ведется по всем натуральным числам n, не превосходящим c.

Лемма 2. Пусть c (n) – неглавный характер. Тогда для каждого c, c ≥ 1 справедливо неравенство

/S(x)/<m

Доказательство. Функция c (n) периодична с периодом m и по теореме з

0, так как c≠ c1

Поэтому, представив [c] – целую часть числа c – в виде [c]=m1+z, 0£z£m, будет иметь

S(c) =S([c])=q

В виду равенства /c(n)/£1 отсюда получили S(c)£z£m

2. L-функция Дирихле

Пусть х(п) – произвольный характер по модулю m. Рассмотрим ряд

, (2.1)

Члены которого являются функциями комплексного переменного S. В области сходимости он определяет функцию, которая называется L-функцией Дирихле, соответствующей характеру c(n), и обозначается L (s, c).

Лемма 3

1. Если c¹c1 , то ряд (1) сходится в области ReS > 0 и определяемая им функция L (s, c) является аналитической в этой области.

2. Ряд, определяющий L (S, c1 ), сходится в области ReS >1. Функция L(S, c1 ) является аналитической в области ReS > 1.

Доказательство.

Пусть c(n) – произвольный характер по модулю m, а б – некоторое положительное число. Так как /c(n)/ £ 1, то в области ReS > 1 + б справедливо неравенство

Следовательно, ряд (1) равномерно сходится в области ReS > 1 + б. Определяемая им функция L (S, c) по теореме Вейерштрасса о сумме равномерно сходящегося ряда аналитических функций является аналитической в этой области. Ввиду произвольности 6 это доказывает второе утверждение Леммы.

Для неглавных характеров c(n) потребуется более сложное исследование ряда (1).

Лемма 4 (преобразование Абеля).

Пусть an, n=1,2,…, – последовательность комплексных чисел, c>1,

А(c)=

А q(t) – комплекснозначная функция, непрерывно дифференцируемая на множестве 1£t£¥

Тогда

(2.2)

Если же

То

(2.3)

При условии, что ряд в левой части равенства сходится.

Доказательство. Положим А(0)=0 и В(х) равным левой части равенства (2.2). Тогда при любом натуральном N

Так как А(0)=0. Далее

Поскольку функция А(х) постоянна на каждом полуинтервале n£t<n+1. Следовательно, равенство (2.2) доказано при целых значениях х.

Пусть х³1 – произвольное число. Положим N=[x]; значит, N£x£N+1. Тогда А(х)=А(N), B(x)=B(N), а

Следовательно,

Тем самым доказано, что равенство (2.2) верно и для нецелых чисел значений х.

Равенство (2.3) получаем из равенства (2.2) переходом к пределу при х®¥. Лемма доказана.

Воспользовавшись леммой 4, получим следующее равенство

(2.4)

Где

Функция, введенная Лемме 4.

Для s = p+it из области ReS = s, где s – некоторое положительное число, пользуясь леммой 4, находим

Поэтому интеграл

Сходится в области ReS > s. Поскольку в этой области выполняется неравенство

То из равенства (2) следует, что ряд (1), определяющий функцию L (S, x), сходится в области ReS > s. Эти рассуждения справедливы для любого положительного числа s. Значит, ряд (1) сходится в полуплоскости ReS> 0.

Из равенства (2) следует, что в этой полуплоскости для L-функции, соответствующей неглавному характеру c(n), справедливо представление

(2.5)

Так как

Интеграл, стоящий в правой части равенства (2.5), можно также представить в виде

(2.6)

Члены ряда (2.6) являются аналитическими функциями в области ReS >s, что следует из равенств

При этом использовано, что на полуинтервале n£х< n+1 функция S(х) принимает значение S(n). Поскольку

То ряд (2.6) равномерно сходится в области ReS >s. Отсюда, как и выше, получаем, что сумма его, т. е.

Является аналитической функцией (по теореме Вейерштраса) в области ReS >s.

Из представления (2.5) следует теперь, что L (S, x) есть аналитическая функция в полуплоскости ReS >s, а ввиду произвольности S – s и b полуплоскости ReS > 0.

Следствие. Пусть c (n) – произвольный характер. Тогда в области ReS > 1 справедливо равенство

(2.7)

Это следует из того, что ряд (2.1) по доказанному равномерию сходится в области ReS>1+s, где s>0. Следовательно, по теореме Вейштрасса о равномерно сходящихся рядах аналитических функций в этой области ряд (2.1) можно почленно дифференцировать

Поэтому в полуплоскости ReS>1+s выполняется равенство (2.7). Так как в этом рассуждении s-любое положительное число, то равенство (2.7) будет справедливо в полуплоскости ReS>1.

Для L-функций имеет место представление в виде бесконечного произведения по простым числам, аналогичное тождеству Эйлера. Рассмотрим вспомогательную Лемму.

Лемма 5. Пусть функция f(n) вполне мультипликативна и ряд

(2.8)

Абсолютно сходится. Тогда выполняется равенство

(2.9)

Доказательство. Отметим прежде всего, что /f(n)/<1 при любом натуральном n>1. В противном случае при каждом mÎN

/f(n)m /=/f(n)/m ³1,

Что противоречит сходимости ряда (2.6). Поэтому при каждом простом р ряд

Абсолютно сходится, и его сумма как сумма бесконечно убивающей геометрической прогрессии равна (1-f(р))-1. Кроме этого, в силу абсолютной сходимости, ряды можно перемножить. Перемножая конечное число таких рядов и используя то, что f(n) есть вполне мультипликативная функция, получим

Где ne = pa… pa s и в сумме в правой части равенства содержатся такие и только такие слагаемые f(ne ), что все просты делители ne не превосходят х. Следовательно, в разности

Остаются те и только те слагаемые f(me ), для которых у числа me имеется хотя бы один простой делитель р>x. Тогда оценим разность

/S-S(x)/£

И из абсолютной сходимости ряда (2.8) следует, что

Это доказывает, что бесконечное произведение (2.7) сходится и выполняется утверждение Леммы.

Лемма 6. Для каждого характера c(n) в области ReS > 1 справедливо представление

Доказательство. Эта лемма является следствием Леммы 5, поскольку функция c(n) вполне мультипликативна, то есть c(АВ)= c(А) c(В), и выполняется неравенство /c(n)/£ 1 по теореме 1.

Следствие 1. В области ReS > 1 для главного характера c1 (n) по модулю m справедливо равенство

(2.10)

И поэтому функция L (S, c1 ) может быть аналитически продолжена в область ReS> 0, где она имеет единственный полюс (первого порядка) в точке S=1.

Действительно, по определению главного характера c1 (n) имеет место равенство

Поэтому

Пользуясь теперь тождеством Эйлера для дзета-функции Римана получаем равенство (2.10). Остальные утверждения легко следуют из этого равенства, поскольку дзета-функция является аналитической в области ReS > 0 с единственным полюсом первого порядка в точке S = 1.

Следствие 2. Для каждого характера c функция L (S, x) не обращается в нуль в области ReS > 1.

Доказательство.

Если s = ReS > 1. то

Пользуясь неравенством для дзета-функции Римана, находим

Получаем:

L(S, c) ≥ > 0

Теперь докажем утверждения, что L – функция, соответствующая неглавному характеру c, точке S =1 отлична от нуля.

Теорема 2. Если c – неглавный характер, то L(1, c)≠0

Для доказательства рассмотрим 2 случая

1. Пусть характер c – комплексное число, не является действительным. Тогда характер c2 (n) не является главным. В этом случае доказательство теоремы будет основываться на тех же идеях, что и доказательство отсутствия нулей дзета – функции на прямой ReS=1.

Лемма7. Пусть 0<ч< 1, а х – действительное число, тогда выполняется неравенство /(1 – ч )3 (1 – че ix )4 (1 – че2 ix )/-1 ≥ 1

Доказательство.

Для всех z из круга /z/<1 имеет место расположение

– ln (1 – z) =(2.11)

Так как ln(t) = Relnt, то обозначая М (ч φ), левую часть неравенства (2.11), получим

LnM(ч φ) = 3ln(1 – ч ) – 4 ln (1 – че i 4 ) – ln (1 – че2 i 4 ) = – 3ln(1-ч ) – 4Reln/1 – че i 4 / – Reln/1 – че2 i 4 /=Rc(3+4e)inl /1-rei4 /= (3+4cosnl+2cos2nl)= (2+4cosa+1+cos2a)=1 (1+cosa)2 ³0

Ln=M(r, l)=³0

Следовательно, M(r, l)=³1 доказана.

Из леммы 7 следует, сто при любом действительном S>1 выполняется равенство:

| L 3 (8, c1 ) L 4 ( S, c) 4 ( S, c4 ) 1 = П (1- )3 (1- )4 (1- )|-1 (2.12)

Получая в лемме ч = р – s, т. е.

0< ч = c1 (р) <1

0< р – s <1

C (р) р – s = че i 4 , в силу того что c (р) – комплексное

C (р) р – s = че2 i 4

Получаем, что каждый сомножитель в правой части равенства (f) не меньше 1 и, следовательно, при любом S>1 выполняется равенство:

|L3 (Sc1 ) – L4 (Sc) L(Sc2 )| ≥ 1 (2.13)

Допустим, что для некоторого характера c (c2 ≠c1 ) выполняется равенство

L (1, c) = 0 (2.14)

Оценим сверху левую часть неравенства. Из оценки дзета-функции Римана

ξ(S) ≤ , следует, что при S € R, S>1 выполняется неравенство

А) 0 < 4 (S, c1 ) =

Получили 0<L(S, c1 )≤

Б) Функция L(S, c) разложим в ряд Тейлора

L (S, c) = Cp + C1 (S – 1) + C2 (S – 1)2 +… + Cn (S – 1)n +…

Предположим, что у нее есть нуль L(1, c) = 1; тогда С0 = 0

Перепишем разложение L – функции в ряд

L(Sc ) = Cк (S – 1)к + Ск+1 (S – 1)к+1 = (S – 1)1 (Cк + Ск+1 (S -1)+….), гдек≥1, Ск ≤ 0, т. к. S>1

| L (S, c)| = |S – 1|k | Ck + Ck+1 (S – 1) +….| ≤ 2 Ck |S – 1)k, при |S – | < r

Функция L (S, c2 ) в точке S = 1 не имеет полюса, следовательно не имеет особенности. Это в силу того, что c комплексное и c2 ≠c1

Получаем неравенство:

L(S, c2 ) ≤ C,

При условии | S – 1|< δ

Учитывая все неравенства и оценки

| L3 (S, c) L4 (S, c) L (S, c2 )| = ()3 – 24 |Ck |4 (S – 1)4k – C≥1

Следовательно, это неравенство становится противоречивым, если перейти к пределу при S→1+0. Полученное противоречие показывает, что равенство (2.14) не выполняется.

2. Рассмотрим c – вещественный характер, т. е. принимающий только вещественные значения, несовпадающий с главным характером

Лемма 8. Пусть c – вещественный характер.

Рассмотрим функцию

F(S) = ξ(S) L(S, x) (2.15)

Докажем, что если ReS>1, то

(2.16)

Представляется рядом Дирихле, которого справедливы следующие утверждения:

1) Все коэффициенты а n ≥ 0

2) при n=k2 , k € / N(N)/ а n ≥1

3) В области ReS<1 можно почленно дифференцировать, то есть

F(k) (S)= (-1)k (lnn)kK=1,2…; (2.17)

4) Ряд (1) в точке S=1/2 расходится.

Доказательство. В области ReS > 1 ряды, определяющие функции S(S) и L(S, c), абсолютно сходятся, поэтому их можно перемножить:

Где

(2.19)

Пусть – расположение числа n в произведение простых сомножителей. Тогда все натуральные делители l числа n имеют вид

Поэтому из равенства (14) находим, что

Гдеani = 1+ c (pi )+ … +cLi (pi ), i=1,…, m (2.21)

Так как c – вещественный характер, то он может принимать только три значения: 0, 1, -1. Из равенства (2.21) следует, что

(2.22)

Во всех случаях числа ani ³0, а значит, и an =an 1 … anm ³0

Если же число п является полным квадратом, то

N=k2 =p/2g… pm2g,

И из равенств (2.20) и (2.22) следует, что аn ³1

При любом s > 0 в области ReS> 1 +s выполняется неравенство

Ряд (2.18) сходится в области ReS > 1. Поэтому по признаку Вейерштрасса ряд (2.16) сходится равномерно в области ReS > 1 + s, а по теореме Вейерштрасса его можно в этой области почленно дифференцировать любое число раз. Следовательно, в области ReS > 1 +s выполняется равенство (2. 17), а в силу произвольности s оно выполняется и в области ReS > 1.

Однако ряд (39) расходится, так как по второму утверждению леммы

Ряд (2.16) при S = имеет неотрицательные члены. Поэтому, если бы он сходился, то также сходился бы ряд

(2.23)

Следовательно, ряд (2.23) расходится. Лемма доказана.

Переходим непоредственно к доказательству второго случая теоремы. Допустим, что L (1,c) = 0. Тогда полюс дзета-функции будет компенсироваться в произведении S(S) L (S, c) нулем функции L (S, c).

Поэтому функция (2.15) F(S) будет аналитической в области ReS > 0 так как в точке S=1 у F(z) – устраненная особая точка. Следовательно, ее можно разложить в ряд Тейлора в точке S = 2:

(2. 24)

Радиус сходимости которого не меньше 2 R³2/

Из равенств (2.17), в частности S=2, находим

(2.25)

В радиусе сходимости будет брать не все S, а только вещественные ReS=sS=sÎ(0,2). Пользуясь разложениями (18) и (19), находим

Члены двойного ряда неотрицательны, поэтому он сходится абсолютно, и в нем можно поменять порядок суммирования. Тогда

Следовательно, ряд (2.16) сходится во всех точках, s < (, 0, 2), и в точке , а это противоречит четвертому утверждению леммы. Поэтому L(S, c)¹0/

Этим завершается доказательство теоремы

По следствию 2 леммы 2 функция является аналитической в области ReS > 1. Для дальнейшего доказательства теоремы Дирихле нам будет необходимо представление этой функции в виде ряда, аналогичного ряда (2.16).

Лемма. Для каждого характера c(n) в области ReS > 1 справедливо равенство

(2.26)

Доказательство.

Так как S=s+it имеет место неравенство

Получаем, что ряд стоящий в правой части равенства (2.26), абсолютно сходится в области s>1. Умножим этот ряд на ряд определяющий L (S, c). Получили

Предпоследнее равенство имеет место ввиду равенства ), а последнее – по следствию из леммы 3, равенство 2.7.

3. Доказательство теоремы Дирихле

Теорема. Если разность и первый член арифметической прогрессии есть взаимно простые натуральные числа, то она содержит бесконечное множество простых чисел.

Доказательство.

Рассмотрим равенство (2.26), которое справедливое по Лемме в области ReS > 1. Поскольку (n) = 0 для всех n, не являющихся степенями простых чисел, то все отличные от нуля члены ряда в правой части (2.26) имеют вид

Где р – простое и k – натуральное числа. Ряд (2.26) абсолютно сходится, следовательно, его можно представить в виде двойного ряда) и, значит, в области ReS > 1

(3.1)

Второе слагаемое в правой части этого равенства равномерно ограничено по s в области ReS³3/4. Действительно, если S=p+it, p³3/4, то

Следовательно, при S®1+0 для каждого характера c имеет место равенство

(3.2)

Здесь и в дальнейшем s ® 1 + o обозначает, что S стремится к 1 по действительной оси справа.

Пусть u – некоторое натуральное число, удовлетворяющее сравнению

(3.3)

Умножим обе части равенства (3.2) на c(u) и просуммируем получившиеся равенства по всем числовым характерам c. Тогда получим

(3.3)

Если простое число р удовлетворяет сравнению р ºl (mod m), то pu ≠ 1 (mod m), и по теореме 1

Если же p≠l (modm), то pu≠ 1 и по той же теореме

Таким образом, равенство (3.3) можно переписать в виде

(3.4)

По лемме 3 и теореме 2 для неглавного характера c функция является аналитической в точке S = 1. Поэтому для таких характеров при S®1 + 0 имеем

(3.5)

По следствию 1 леммы 4 функция L(S, c1 ) имеет в точке S=1 полюс первого порядка. Значит, при S®1+0

(3/6)

Учитывая равенства (3.5) и (3.6.) из равенства (26) получаем, что

Так как число u удовлетворяет сравнению (3.3), то (u, m) = 1 и c0 (u)=1. Итак, при S®1+0

(3.7)

Правая часть равенства а (3.7) при S®1+0 имеет бесконечный предел. Значит, сумма, стоящая в левой части этого равенства, имеет бесконечное множество слагаемых. Поэтому существует бесконечное множество простых чисел, удовлетворяющих сравнению

Pºe (modm)

Теорема Дирихле доказана.


Теорема Дирихле