Riemannin hypoteesi

Riemannin hypoteesi on Bernhard Riemannin vuonna 1859 esittämä hypoteesi Riemannin zeeta-funktion nollakohtien esiintymisestä.

Riemannin zeeta-funktion reaaliosa (punainen käyrä) ja imaginaariosa (sininen käyrä) kriittisellä suoralla Re(s) = 1/2. Ensimmäiset ei-triviaalit nollakohdat ovat 1/2  ± 14,135 i, 1/2 ± 21,022 i ja 1/2 ± 25,011 i.

Hypoteesi on yksi tärkeimmistä avoimista ongelmista matematiikassa. Vuonna 1900 David Hilbert nimesi sen numero kahdeksaksi kuuluisalle listalleen 23:sta tärkeimmästä ratkaisemattomasta ongelmasta. Hilbert sanoi, että jos hän heräisi tuhat vuotta kestäneen unen jälkeen, hän kysyisi ensimmäisenä, onko Riemannin hypoteesi todistettu. Clay Mathematics Institute on luvannut hypoteesin todistamisesta miljoonan Yhdysvaltain dollarin palkinnon.

Hypoteesi on kytköksissä alkulukujen ominaisuuksiin. Riemannin hypoteesi ja sitä vastaavat väittämät ovat erittäin tehokkaita lukuteorian työkaluja. Suuri joukko lukuteorian keskeisistä tuloksista onkin todistettu sillä oletuksella, että Riemannin hypoteesi pitää paikkansa. Lukuteoreettisten artikkelien yhteydessä onkin lähes lentäväksi lauseeksi muodostunut teksti "Under the assumption of Riemann hypothesis..." eli suomeksi "Olettaen Riemannin hypoteesin...".

Hypoteesin väite

Olkoon $s=\sigma +it$ kompleksiluku, jossa $\sigma$ ja $t$ ovat reaalilukuja.

Tällöin Riemannin zeeta-funktion

$\zeta (s)=1+2^{-s}+3^{-s}+\dots =\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}$

kaikki aidosti kompleksiset nollakohdat ovat hypoteesin mukaan kompleksitason suoralla

$\sigma ={\frac {1}{2}}$.

Vaikkakin yllä oleva määritelmä Riemannin zeeta-funktiolle pätee vain kun s:n reaaliosa on suurempi kuin 1, on funktio analyyttisen jatkamisen kautta määritelty kaikille kompleksiluvuille s ≠ 1. Voidaan todistaa, että analyyttinen jatke on uniikki, koska Riemannin zeeta-funktio on meromorfinen funktio. Niinpä analyyttisen jatkeen saamia arvoja voidaan kutsua yksinkertaisesti Riemannin zeeta-funktion arvoiksi. Riemannin hypoteesille on esitetty lukuisia yhtäpitäviä väittämiä. Luonnollisesti yhtään näistäkään ei ole onnistuttu todistamaan.

Zeeta-funktion nollakohtien sijainti

Riemannin zeeta-funktion kaikki ei-triviaalit nollakohdat sijaitsevat varmasti reaaliakselin arvojen 0 ja 1 välillä. Lisäksi aluetta voidaan supistaa kuvassa näkyväksi valkeaksi alueeksi. Nollakohtien täytyy myös sijaita symmetrisesti reaaliakselin ja suoran $\sigma =1/2$ suhteen. Mikäli Riemannin hypoteesi pitää paikkansa, ovat kaikki nämä nollakohdat kuvaan katkoviivalla merkityllä suoralla.

Riemannin zeeta-funktio saa arvon nolla kaikilla negatiivisilla parillisilla kokonaislukuarvoilla­ kuten –2, –4, –6 jne. Näitä sanotaan sen triviaaleiksi nollakohdiksi. Näin ollen hypoteesin mukaan funktion kaikkien ei-triviaalien nollakohtien reaaliosa on 1⁄2. On todistettu, että kaikki ei-triviaalit nollakohdat sijaitsevat niin sanotulla kriittisellä kaistalla, jolla s:n reaaliosa on välillä $0\leq \sigma \leq 1$. Riemannin hypoteesin todistaminen siis vaatisi tämän kaistaleen kaventamisen yhdeksi ainoaksi suoraksi, eli kriittiseksi suoraksi.

Tietokoneita apuna käyttäen on Riemannin zeeta-funktiolle laskettu miljardeja nollakohtia. Kaikkien näiden on havaittu toteuttavan Riemannin hypoteesin. Vaikka hypoteesia ei ole onnistuttu todistamaan, sen paikkansapitävyyden puolesta puhuu siis erittäin vahva "numeerinen todistusaineisto".

Yhteys alkulukuihin

Leonhard Euler löysi vuonna 1737 yhteyden Riemannin zeeta-funktion ja alkulukujen välillä.

$\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}=\prod _{p{\text{ alkuluku}}}{\frac {1}{1-p^{-s}}}$

Tässä kaavassa vasen puoli on Riemannin zeeta-funktio ja oikea puoli on ääretön tulo, jossa $p$ käy läpi kaikki alkuluvut:

$\prod _{p{\text{ alkuluku}}}{\frac {1}{1-p^{-s}}}={\frac {1}{1-2^{-s}}}\cdot {\frac {1}{1-3^{-s}}}\cdot {\frac {1}{1-5^{-s}}}\cdot {\frac {1}{1-7^{-s}}}\cdot \,\dots$

Tämä kaava linkittää Riemannin zeeta-funktion alkulukuihin, ja sitä myötä valtavaan määrään lukuteorian ongelmia. Riemannin zeeta-funktio liittyy esimerkiksi kysymykseen siitä, montako jotakin lukua N pienempää alkulukua on olemassa. Riemannin hypoteesin paikkansapitävyys antaisi paljon nykyistä tiukemmat virherajat alkulukufunktion antamalle arviolle lukua N pienempien alkulukujen määrästä.

Katso myös

• Yleistetty Riemannin hypoteesi

Kirjallisuutta

• Derbyshire, John: Alkulukujen lumoissa: Bernhard Riemann ja matematiikan suurin ratkaisematon ongelma. (Alkuteos: Prime Obsession: Bernhard Riemann and the Greatest Unsolved Problem in Mathematics, 2003.) Suomentanut Juha Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita, 2006. ISBN 952-5202-75-5

Clay-instituutin seitsemän Millennium-ongelmaa

• P=NP
• Hodgen otaksuma
• Poincarén otaksuma (ratkaistu)
• Riemannin hypoteesi

• Yangin–Millsin olemassaolo
• Navierin–Stokesin yhtälöt
• Birchin ja Swinnerton-Dyerin konjektuuri

Hilbertin ongelmat

• I
• II
• III
• IV
• V
• VI
• VII
• VIII
• IX
• X
• XI
• XII
• XIII
• XIV
• XV
• XVI
• XVII
• XVIII
• XIX
• XX
• XXI
• XXII
• XXIII