Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике.

На самом деле большое означает еще кое-что, кроме этого. Заметим, что в определении сказано «величина A».Это означает «значение Aбез учета знака». Величина числа 100 есть 100; величина числа -100 есть также 100. большое не принимает в расчет знак минус. Сказать, что некоторая функция f(x)есть большое от единицы, означает сказать, что f(x)навсегда заключена между двумя горизонтальными прямыми, одна из которых проходит выше горизонтальной оси, а другая проходит на таком же расстоянии ниже.

Как уже говорилось, очень многие функции не являются большим от единицы. Простейшая из них — это функция x, то есть функция, значения которой всегда равны ее аргументу. Ее график — диагональная прямая, покидающая рисунок в верхнем правом углу. Ясно, что она не заключена между какими бы то ни было горизонтальными прямыми. Вне зависимости оттого, сколь широко вы расположите эти горизонтальные прямые, функциях рано или поздно вырвется за их пределы. Это останется верным, если уменьшить наклон. Функции 0,1 x(показана на рисунке 15.1), 0,01 x, 0,001 xи 0,0001 xвсе в конце концов прорвутся через любые горизонтальные прямые, которые вы установите в качестве ограничения. Ни одна из них не является большим от единицы.

Рисунок 15.1.Функция 0,1 xне есть большое от единицы.

Этим иллюстрируется и еще один аспект большого. большое игнорирует не только знаки, но и множители. Если Aесть большое от B, то таковыми же будут 10 A, 100 Aи 1000 000 A; таковыми будут и одна десятая Aодна сотая Aодна миллионная A. большое не сообщает нам о точном темпе роста — для этого у нас есть производные. Она сообщает о типероста. Функция «единица» вообще не имеет никакого темпа роста — она намертво постоянная. Функция, являющаяся большим от единицы, никогда не возрастет быстрее этого. Она может выделывать всякое другое: прижиматься к нулю, колебаться без конца внутри ограничивающих ее прямых или же подходить к одной из ограничительных линий все ближе и ближе, но она никогда не взовьется внезапно вверх и не нырнет внезапно вниз, прорываясь через эти линии и оставаясь после этого снаружи.

Приведенные функции 0,1 x, 0,01 x, 0,001 xи 0,0001 x— не большое от единицы; все они — большое от x. Такова же и любая другая функция, которая остается навсегда заключенной в «куске пиццы» между прямой axи ее зеркальным отражением – ax.На рисунке 15.2 приведен пример функции, которая неостается в таких пределах. Это 0,1 x ²— квадратичная функция. Не важно, сколь широким вы сделаете этот кусок пиццы — т.е. не важно, сколь велико значение a, — график функции 0,1 x ²рано или поздно прорвется через верхнюю границу.

Рисунок 15.2.Функция 0,1 x ²не есть (х).

Теперь мы можем оценить значение результата фон Коха 1901 года. Если Гипотеза Римана верна, то при x, стремящемся к бесконечности, абсолютная разность между (x)и Li (x) — т.е. или Li (x) - (x), или (x) - Li (x), что не важно, потому что большому нет дела до знаков, — остается заключенной между двумя ограничивающими кривыми. Ограничивающие кривые — это Cx•ln xи ее зеркальное отражение, где C— некоторое число. Остаточный член может делать что хочет между этими двумя кривыми, но он никогда не выберется наружу и никогда не вырвется внезапно из-под их контроля. Разность между (x)и Li(x) есть большое от x•ln x.

На рисунке 15.3 приведен пример функции, которая есть ( x•ln x). Там показаны: 1) кривая x•ln x(верхняя половина отдаленно напоминающей параболу кривой), 2) зеркально отраженная кривая – x•ln x(нижняя половина) и 3) придуманная для иллюстрации и ничего особенно не выражающая функция, которая есть ( x•ln x). Буква m обозначает миллион, ведь вещи подобного рода интересны только для больших аргументов. Стоит отметить, что "функция Дербишира" в действительности на некоторое время вырывается за пределы ограничивающих ее кривых при аргументах, равных примерно 200 миллионам. Это не страшно, поскольку больше она никогда такого не делает.Начиная с некоторой точки — и навсегда после нее — функция остается в пределах границ. Верьте мне, что она там остается, хотя по понятным причинам я и не могу показать вам всю функцию до бесконечности. большое принимает во внимание исключения из правил при малых аргументах (а такие исключения — общее место в теории чисел, взять хотя бы утверждение «все простые числа нечетные… кроме самого первого»).

Рисунок 15.3.Функция Дербишира есть ( x•ln x).

Можно заметить еще, что, поскольку большое не принимает во внимание множители, масштаб по вертикали совершенно произволен. Важны лишь конфигурация — форма ограничивающих кривых — и тот факт, что начиная с какого-то места наша функция навсегда заключена между ними.

III.

Результат фон Коха 1901 года [135] — а именно утверждение, что, если Гипотеза Римана верна, то (x)= Li (x)+ ( x•ln x), — один из первых примеров определенного типа результатов, которыми сейчас полна теория чисел, — результатов, которые начинаются словами «Если Гипотеза Римана верна, то…». Если окажется, что Гипотеза Римана не верна, то немалую часть теории чисел придется переписывать.

135

Или не зная о книге Бахманна, или же (что более вероятно) просто решив не использовать новое обозначение с большим, фон Кох на самом деле выразил свои результат в более традиционном виде:

| f(x) -Li (x)| < K• x•ln x.

А есть ли какой-нибудь результат типа большого для остаточного члена Li (x) - (x), который не зависел бы от справедливости Гипотезы Римана? О да. Среди специалистов по аналитической теории чисел долгие годы любимым спортом был поиск все лучших и лучших формул типа большого для остаточного члена. Но ни один не может сравниться с ( x•ln x). Это абсолютно лучшее, наиболее точное ограничение на остаточный член, известное к настоящему моменту. Правда, раз оно зависит от справедливости Гипотезы, мы не можем быть полностью уверены, что оно верно. Все те оценки остаточного члена, в справедливости которых мы уверены, менее точны, чем эта. Соответствующая параболическая кривая на рисунке 15.3 несколько шире, причем различие делается все более заметным по мере того, как xуходит на бесконечность. Если же Гипотеза Римана верна, то среди всех известных оценок остаточного члена выражение ( x•ln x) является наилучшим возможным — наиболее точной формулой типа большого. Оно же и простейшее. При этом все формулы, которые были доказаны без предположения о справедливости Гипотезы, выглядят достаточно уродливо. Вот наилучшая из тех, что известны мне на данный момент:

где С— некоторое постоянное число. Ни одна из других подобных формул на вид не проще этой.

Сравним результат фон Коха 1901 года с выделенными курсивом словами в восьмой проблеме Гильберта, приведенной в главе 12.ii. Гильберт перекликался с Риманом, написавшим в своей работе 1859 года, что приближение функции (x)функцией Li (x)«верно только по порядку величины x ^1/2». Ну а xесть, конечно, попросту x ^1/2. Более того, в главе 5.iv мы видели, что ln xрастет медленнее, чем любая положительная степень x, даже самая ничтожно малая. Это можно выразить в терминах большого таким образом: для любого сколь угодно малого числа выполнено ln x = (x ). А следовательно (это, правда, не сразу очевидно, но в действительности несложно доказать), можно подставить x вместо ln xв выражение ( x•ln x); а поскольку x— это просто x ^1/2, можно сложить степени и получить ( x ^1/2+ ). Таким путем получается довольно распространенный вид результата фон Коха: (x)= Li (x)+ ( x ^1/2+ ). Символ настолько часто используется для исчезающе малых чисел, что слова «… для любого сколь угодно малого » здесь подразумеваются.

Заметим, однако, что, делая эту подстановку, мы слегка ослабили результат фон Коха. Из того, что «остаточный член есть ( x•ln x)», следует, что «остаточный член есть ( x ^1/2+ )», но обратное неверно. Эти два утверждения не являются точно эквивалентными. Такое происходит, потому что, как мы видели в главе 5.iv, не только ln xрастет медленнее, чем любая степень x, но (ln x) ^N обладает тем же свойством при любом положительном N. Так что если бы результат фон Коха утверждал, что остаточный член есть ( x•(ln x) ¹⁰⁰), то мы все равно в качестве альтернативного вида вывели бы ( x ^1/2+ )!