Дзета функция Римана (стр. 4 из 6)

(3).

Выражение

является ограниченным, так как , а функция абсолютно интегрируема на промежутке при , то есть при , . Значит, интеграл абсолютно сходится при , причём равномерно в любой конечной области, лежащей в комплексной плоскости справа от прямой . Тем самым он определяет аналитическую функцию переменной s, регулярную при . Поэтому правая часть равенства (3) представляет собой аналитическое продолжение дзета-функции на полуплоскость и имеет там лишь один простой полюс в точке с вычетом, равным единице.

Для

можно преобразовать выражение (3) дзета-функции. При имеем , значит, и . Теперь при (3) может быть записано в виде .

Немного более сложными рассуждениями можно установить, что в действительности (3) даёт аналитическое продолжение дзета-функции на полуплоскость

. Положим , а , то есть первообразная для . ограничена, так как , а интеграл и ограничен из-за того, что . Рассмотрим интеграл при x₁>x₂ и . Проинтегрируем его по частям, приняв , , тогда , а по указанному выше утверждению . Получаем . Возьмём , а . Имеем , , потому что является ограниченной функцией. Значит,

(4).

Пользуясь абсолютной сходимостью интеграла

, если , и ограниченностью функции , делаем вывод, что в левой части равенства (4) интеграл тоже сходится при . Значит формулой (3) можно продолжить дзета-функцию и на полуплоскость правее прямой .

Нетрудно установить, что для отрицательных

, поэтому из (3) имеем

(5) при .

Из теории рядов Фурье известно, что для нецелых значений x справедливо разложение в ряд

(6).

Подставим его в равенство (5) и проинтегрируем ряд почленно:

. Сделаем в полученном интеграле подстановку , отсюда следует , а , и получим далее . Известно, что , значит . Из известного соотношения для гамма-функции , по формуле дополнения , следовательно

Итак, мы получили функциональное уравнение дзета-функции Римана

(7),

которое само по себе может служить средством изучения этой функции, так как вполне характеризует её, в том смысле, что любая другая функция

, удовлетворяющая равенству (7), а также ещё некоторым естественным условиям, тождественна с .

Пока, правда, как следует из рассуждений, мы доказали формулу (7) для

. Однако правая часть этого равенства является аналитической функцией s и при . Это показывает, что дзета-функция может быть аналитически продолжена на всю комплексную плоскость, причём не имеет на ней никаких особенностей, кроме упоминавшегося полюса при .

Чтобы доказательство было строгим, мы должны ещё обосновать почленное интегрирование. Поскольку ряд (6) сходится почти всюду и его частичные суммы остаются ограниченными, почленное интегрирование на любом конечном отрезке допустимо. Ввиду

для любого , остаётся доказать, что при . Но интегрируя внутренний интеграл по частям имеем

. Отсюда без труда получается наше утверждение.

Функциональное уравнение дзета-функции (7) может быть записано многими способами. Например, заменим s на 1-s, получаем равносильное равенство