משפט דיריכלה

משפט דיריכלה הוא משפט מתמטי, הקובע כי יש אינסוף מספרים ראשוניים בסדרה חשבונית שבסיסה זר להפרשה. גרסאות חזקות יותר של המשפט קובעות את הצפיפות היחסית של המספרים הראשוניים בסדרות חשבוניות. את המשפט הוכיח המתמטיקאי הגרמני יוהאן פטר גוסטב לז'ן דיריכלה בשנת 1837.

יוהאן פטר גוסטב לז'ן דיריכלה. הוכיח את המשפט בשנת 1837.

סטטיסטיקה המדגימה את משפט דיריכלה כאשר $m=60$. בתמונה פרוסים כל המספרים הראשוניים עד 1800 על פי השארית שלהם מודולו 60. כל עמודה מייצגת סדרה חשבונית. בעמודות שמספרם זר ל-60, הראשוניים מפולגים באופן שנראה הומוגני אם כי מדלל ככול שעולים בערך המספר. בעמודות 2, 3 ו-5 יש ראשוני אחד. ביתר העמודות אין ראשוניים כלל.

עוד מימי אוקלידס ידוע שקיימים אינסוף מספרים ראשוניים. הוכחות דומות לזו של אוקלידס מאפשרות להראות גם שקיימים אינסוף ראשוניים מן הצורות $4n\pm 1,6n\pm 1$, וידועות גם תוצאות כלליות יותר. דיריכלה היה הראשון שהראה שבכל סדרה חשבונית שבה הדבר אפשרי (כלומר סדרה מהצורה $a,a+m,a+2m,a+3m\ldots$ שבה $a,m$ זרים), קיימים אינסוף ראשוניים.

דיריכלה הוכיח שלקבוצת המספרים הראשוניים השקולים ל-$a$ מודולו $m$ יש צפיפות דיריכלה ביחס לקבוצת כל הראשוניים, והיא שווה ל-${\frac {1}{\phi (m)}}$, כאשר $\phi$ היא פונקציית אוילר. ההוכחה מבוססת על התמרת פורייה דיסקרטית על חבורת אוילר המאפשרת לבטא את הצפיפות היחסית באמצעות סיכום משוקלל של לוגריתמים של פונקציות L של דיריכלה – וריאנטים על פונקציית זטא של רימן התלויים בקרקטר כפליים מודולו $m$.

ההוכחה של דיריכלה נחשבת פורצת דרך, שכן היא עירבה לראשונה שימוש מרובה באנליזה מתמטית לא טריוויאלית כדי להשיג תוצאה בתורת המספרים. הוכחת המשפט נחשבת להולדת תורת המספרים האנליטית, כמו כן ההוכחה השפיעה על התפתחות תורת המספרים האלגברית ותורת ההצגות.

ב-1896, יחד עם הוכחת משפט המספרים הראשוניים, הראו ז'אק אדמר ושארל דה לה ואלה פוסן שהטענה נכונה גם אם מחליפים את צפיפות דיריכלה בצפיפות הטבעית.

גרסאות של המשפט

יהי $m$ מספר טבעי. הגרסה הבסיסית של משפט דיריכלה אומרת:

לכל $a$ זר ל-$m$, יש אינסוף מספרים ראשוניים שהשארית שלהם בחלוקה ל-$m$ היא $a$.

כל ההוכחות הידועות למשפט (התקפות באופן כללי) מוכיחות גם חסם כמותי לצפיפות הראשוניים במובן זה או אחר. הוכחתו המקורית של דיריכלה הוכיחה גם את המשפט הבא:

הטור $\sum _{p\,\equiv \,a\!{\pmod {\!m}}}{\frac {1}{p}}$ מתבדר, כאשר הסכום הוא על מספרים ראשוניים.

המקרה $a=m=1$ הוכח על ידי אוילר עוד במאה ה-18. לכן גרסה זאת נובעת מהגרסה הבאה שגם אותה הוכיח דיריכלה:

צפיפות דיריכלה של קבוצת המספרים הראשוניים הסדרה החשבונית $a+m\mathbb {N}$ ביחס לקבוצת המספרים הראשוניים שווה ל-${\frac {1}{\varphi (m)}}$ כאשר $\varphi$ היא פונקציית אוילר. זאת אומרת כי:

$$\lim _{s\to 1^{+}}{\frac {\sum \limits _{p\,\equiv \,a\!{\pmod {\!m}}}{\frac {1}{p^{s}}}}{\sum \limits _{p}{\frac {1}{p^{s}}}}}={\frac {1}{\varphi (m)}}$$

הטורים המוזכרים מעלה מהווים מדד עקיף לצפיפות קבוצת הראשוניים בסדרה חשבונית. משפט המספרים הראשוניים מספק מדד ישיר ומדויק יותר לצפיפות קבוצת המספרים הראשוניים. יחד עם הוכחת משפט המספרים הראשוניים, שילבו ז'אק אדמר ושארל דה לה ואלה פוסן בין הוכחת משפט המספרים הראשוניים והוכחת משפט דיריכלה וקיבלו את המשפט הבא:

$$\lim _{x\to \infty }{\frac {\#\{p:p=a+mk;p<x\}}{\frac {x}{\ln(x)}}}={\frac {1}{\varphi (m)}}$$

המקרה $a=m=1$ הוא משפט המספרים הראשוניים, כך שבהינתן משפט המספרים הראשוניים, ניסוח זה שקול לניסוח הבא:

הצפיפות הטבעית של קבוצת המספרים הראשוניים הסדרה החשבונית $a+m\mathbb {N}$ ביחס לקבוצת המספרים הראשוניים שווה ל ${\frac {1}{\varphi (m)}}$. זאת אומרת כי:

$$\lim _{x\to \infty }{\frac {\#\{p:p=a+mk;p<x\}}{\#\{p:p<x\}}}={\frac {1}{\varphi (m)}}$$

היסטוריה

מספרים ראשוניים בעת העתיקה

אוקלידס וארטוסתנס, מתמטיקאים יוונים במאות השלישית והרבעית לפני הספירה, אבות המחקר על מספרים ראשוניים.

ערכים מורחבים – קיומם של אינסוף מספרים ראשוניים, הנפה של ארטוסתנס

העובדה שישנם אינסוף מספרים ראשוניים הייתה ידועה עוד ביוון העתיקה. ההוכחה הראשונה הידועה שלה מופיעה בספר "יסודות" של אוקלידס עוד במאה השלישית לפני הספירה.

מספר עשורים לאחר מכן פיתח ארטוסתנס את הנפה של ארטוסתנס, שהיאשיטה יעילה ליצירת טבלאות ראשוניים, באמצעותה ניתן היה להבחין בתבניות הקשורות להתפלגות המספרים הראשוניים.

משוואת פל

פייר דה פרמה – פתר את משוואת פל בשנת 1657. ההוכחה הראשונה של משפט דיריכלה השתמשה בפתרון משוואת פל למקרים בהם ל-$m$ יש גורמים ראשוניים המשאירים שארית 3 בחלוקה ל-$4$.

ערך מורחב – משוואת פל

המשוואה $x^{2}-my^{2}=1$ (כאשר $m$ הוא פרמטר טבעי ו- $x,y$ הם נעלמים שלמים) נחקרה עוד בעת העתיקה. במאה ה-12 המתמטיקאי ההודי בהסקארא השני הציג פתרון כללי למשוואה. אולם פתרון זה לא הגיע לאירופה. כ-500 שנה מאוחר יותר פייר דה פרמה פתר משוואה זאת מחדש, והפתרון נודע באירופה.אוילר כינה משוואה זו משוואת פל, מכיוון שייחס את הפתרון בטעות לג'ון פל, ומאז התקבע השם.

ההוכחה הראשונה של משפט דיריכלה השתמשה בפתרון משוואת פל למקרים בהם ל-$m$ יש גורמים ראשוניים המשאירים שארית 3 בחלוקה ל-4. עבור שאר המקרים, את מקומה של משוואת פל מחליפה המשוואה $x^{2}+my^{2}=1$, והיא פשוטה מאוד.

אנליזה מתמטית וקשריה עם תורת המספרים

אייזק ניוטון וגוטפריד וילהלם לייבניץ, מתמטיקאים אירופיים מהמאות ה-17–18, אבות האנליזה המתמטית. אחד החידושים בהוכחתו של דיריכלה הוא שימוש מרכזי באנליזה מתקדמת כדי לקבל תוצאות בתורת המספרים.

ערך מורחב – אנליזה מתמטית

האנליזה המתמטית פותחה במאה ה-17 על-ידי אייזק ניוטון וגוטפריד וילהלם לייבניץ (אף שניצניה הופיעו מאות רבות קודם לכן, החל לפחות בעבודותיו של ארכימדס). האנליזה המתמטית פותחה לצורך מחקר הפיזיקה, מתמטיקאים רבים הוסיפו לפתח את האנליזה המתמטית ובמרוצת השנים היא נהייתה שימושית מאוד במגוון תחומים במתמטיקה ובמדעים אחרים.

האנליזה המתמטית איפשרה לטפל באופן שיטתי בסכומים אינסופיים. סכומים כאלה נקראים טורים. לאונרד אוילר פיתח מאוד את תורת הטורים והשתמש בה (ובכלים נוספים מהאנליזה) לטובת תורת המספרים. אפשר לראות בעבודותיו אלה של אוילר את לידתה של תורת המספרים האנליטית, אולם השימוש של אנליזה בתורת המספרים אצל אוילר היה הרבה פחות מובהק מאשר בהוכחה של משפט דיריכלה. לכן רבים ראים בהוכחה של משפט דיריכלה כנקודת לידתה של תורת המספרים האנליטית המודרנית.

האנליזה המתמטית פותחה תחילה ללא הגדרות והוכחות ריגורוזיות. במשך השנים היא קיבלה צורה מתמטית ריגורוזית. בתהליך השתתטפו מתמטיקאים רבים והוא הושלם רק לקראת סוף המאה ה-19, אולם כבר בתחילת המאה ה-19 הכלים האנליטיים שבהם השתמש דיריכלה בהוכחתו היו ריגורוזיים למדי, כך שהוכחתו נחשבת למלאה גם בסטנדרטים מודרניים.

עבודותיו של אוילר

לאונרד אוילר, מתמטיקאי אירופאי מהמאה ה-18. לעבודותיו בתורת המספרים ובתורת הטורים, ובראשן נוסחת המכפלה של אוילר, היה תפקיד מרכזי בהוכחה של משפט דיריכלה.

ערכים מורחבים – מכפלת אוילר, טור ההופכיים של המספרים הראשוניים, חבורת אוילר

במאה ה-18 חקר לאונרד אוילר את התפלגותם של מספרים ראשוניים. הוא חקר את הפונקציה שלימים הורחבה על ידי רימן ונקראה פונקציית זטא של רימן. פונקציה זאת היא ארכיטיפוס של משפחה רחבה של פונקציות הנקראות פונקציות L. לפוקציות אלה (כמו גם לפונקציית זטא של רימן) היה תפקיד מכריע בהוכחה של דיריכלה.

אוילר פיתח את נוסחת המכפלה של אוילר עבור פונקציית זטא של רימן, נוסחה זאת הפכה לימים כלי מרכזי בתורת המספרים האנליטית בכלל ובהוכחת משפט דיריכלה בפרט. באמצעות נוסחה זאת הוכיח אוילר (בשנת 1737) כי טור ההופכיים של המספרים הראשוניים מתבדר.

אוילר גם העלה את ההשערה (בשנת 1785) שמשפט דיריכלה תקף עבור סדרות חשבוניות מהסוג $n=1\mod m$.

בנוסף, עבודתיו של אוילר על חבורת המספרים ההפיכים מודולו $n$ התבררו לימים חיוניות להוכחה.

ניסוח המשפט

אדריאן-מארי לז'נדר – ניסח את משפט דיריכלה בשנת 1798 אך לא הצליח להוכיחו

בשנת 1798 ניסח אדריאן-מארי לז'נדר את משפט דיריכלה ואף הציג הוכחה לו, אולם הוכחה זאת הייתה שגויה. הוא השתמש בטענה טכנית מסוימת וכתב שקל להוכיח אותה. אולם לא כך היה הדבר. טענה זאת הופרכה בשנת 1858 על-ידי אתאנאס דופרה . עם זאת לז'נדר נתן הוכחה נכונה למספר מקרים פרטיים.

תבניות ריבועיות

קרל פרידריך גאוס – פיתח בסוף המאה ה-18 את התורה של תבניות ריבועיות משני משתנים שלמים. לתורה זאת היה תפקיד חשוב בהוכחה המקורית של דיריכלה, אולם חלק מההוכחות המאוחרות יותר לא משתמשות בה.

ערך מורחב – תבנית ריבועית

בשנת 1801 פרסם קרל פרידריך גאוס את הספר "מחקרים אריתמטיים", שבנוסף לידע שהיה קיים אז בתורת המספרים, הכיל גם עבודות חדשות של גאוס על תבניות ריבועיות. בעבודותיו אלה חקר את השאלה איזה מספרים שלמים אפשר לבטא בצורה $ax^{2}+bxy+cy^{2}$ כאשר $a,b,c$ שלמים נתונים ו-$x,y$ משתנים שלמים. במחקריו של גאוס הופיע אינווריאנט הנקרא מספר המחלקה של תבנית ריבועית. כמו כן, כלל גאוס בספר זה את ההוכחות הראשונות (שלו) להדדיות הריבועית. לההדדיות הריבועית ולמספר המחלקה היה תפקיד חשוב בהוכחתו של דיריכלה, אם כי חלק מההוכחות המאוחרות יותר לא משתמשות בהם.

טור פורייה

ז'אן-בטיסט ז'וזף פורייה, מורו של דיריכלה, פיתח בתחילת המאה ה-19 את טור פורייה. לגרסה דיסקרטית של קונספט זה היה תפקיד מכריע בהוכחת משפט דיריכלה.

ערכים מורחבים – טור פורייה, התמרת פורייה דיסקרטית

בתחילת המאה ה-19 פיתח ז'וזף פורייה שיטה לקרב כל פונקציה מחזורית על ידי קומבינציה של פונקציות טריגונומטריות. שיטה זאת היא אנליטית מטבעה ועוסקת באובייקטים רציפים. עד היום מרבית השימושים בשיטה הם אנליטיים ורציפים. אולם לימים התברר שגרסה דיסקרטית של השיטה היא בעלת תפקיד מפתח בהוכחת משפט דיריכלה.

הוכחת המשפט

יוהאן פטר גוסטב לז'ן דיריכלה. הוכיח את המשפט בשנים 1837–1839.

בשנים 1837–1839 הוכיח יוהאן פטר גוסטב לז'ן דיריכלה את המשפט בסדרת מאמרים. בשנת 1837 דיריכלה הצהיר על כך שהוכיח את המשפט ופרסם את ההוכחה עבור $m$ ראשוני. הוא גם הצביע על הטעות בהוכחתו של לז'נדר. את ההוכחה למקרה הכללי פרסם דיריכלה ב-1839.

הוכחתו של דיריכלה מתבססת על התמרת פורייה דיסקרטית על חבורת אוילר ועל משפחת פונקציות שהוא הגדיר הנקראת כיום פונקציות L של דיריכלה המהוות הכללה של פונקציית זטא של רימן. השלב הראשון בהוכחתו של דיריכלה מהווה רדוקציה לאי-התאפסות של פונקציות $L$ בנקודה 1. שלב זה הופיע במאמרים מ-1837 למקרה הכללי. דיריכלה גם נתן במאמרים אלו נוסחה מפורשת לערך של פונקציות $L$ בנקודה 1 והצליח להוכיח מנוסחה זאת את אי-ההתאפסות עבור $m$ ראשוני. במאמרים משנת 1839 הציג דיריכלה נוסחה אחרת לערך של פונקציות $L$ בנקודה 1 הקושרת בין ערך זה לאינווריאנט מסוים של תבנית ריבועית הנקרא מספר המחלקה שלה. נוסחה זאת נקראת נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה והוכחתה מתבססת על עבודותיו של גאוס על תבניות ריבועיות. הנוסחה גוררת באופן מידי את אי-ההתאפסות של פונקציות $L$ בנקודה 1 ובכך משלימה את ההוכחה.

הוכחתו של דיריכלה נותנת גם מידע כמותי על התפלגות הראשוניים בסדרה חשבונית: היא מוכיחה שצפיפות דיריכלה שלהם מבין כל הראשוניים היא חיובית. אולם היא לא נותנת מידע על הצפיפות הטבעית של קבוצת הראשוניים בסדרה חשבונית.

הוכחות מאוחרות יותר

כאמור ההוכחה של משפט דיריכלה מחולקת לשני חלקים:

1. רדוקציה לאי-התאפסות של פונקציית $L$ בנקודה 1.
2. הוכחת אי-התאפסות זאת.

החלק הראשון כמעט ולא השתנה עם השנים. ישנן מספר גרסאות לחלק זה, אך הן דומות למדי. הדרכים המודרניות להציג את ההוכחה שונות במקצת מההצגה המקורית.

לעומת זאת, במרוצת השנים, מתמטיקאים רבים מצאו גרסאות רבות ושונות לחלק השני של ההוכחה. ישנן גם הוכחות מועטות למשפט דיריכלה שאינן עוברות דרך פונקציית $L$ כלל.

עבודותיו של דדקינד על תרת המספרים האלגברית

ריכרד דדקינד – שיכתב במחצית השנייה של המאה ה-19 את הוכחתו של דיריכלה בשפה מודרנית, ומצא מספר הוכחות נוספות המתבססות על כלים מתקדמים בתורת המספרים האלגברית שפיתח.

במחצית השנייה של המאה ה-19 כתב ריכרד דדקינד את הספר הרצאות בתורת המספרים (Vorlesungen über Zahlentheorie). הספר סיכם את עבודותיו של דיריכלה והכיל מספר תוספות של דדקינד. בספר זה הוא ניסח מחדש את הוכחתו של דיריכלה בצורה מודרנית וקונספטואלית יותר. בגרסאות המאוחרות של הספר, הוא פיתח את התורה של חוגי השלמים בשדות מספרים והאידיאלים שלהם. תורה זאת מאפשרת ניסוח מחדש של המושג מספר המחלקה במונחים של הרחבות ריבועיות של $\mathbb {Q}$ במקום תבניות ריבועיות. בכך היא מאפשרת גם הכללת מושג זה עבור שדות מספרים כלליים. דדקינד הוכיח הכללה של נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה לשדות מספרים כללים. הכללה זאת נקראת נוסחת מספר המחלקה של דדקינד. היא מספקת הוכחה נוספת למשפט דיריכלה. הוכחה זו לא עושה שימוש בהדדיות ריבועית, ובמובן מסוים היא קונספטואלית יותר, אבל היא פחות אלמנטרית כיוון שהיא עושה שימוש בכלים מתקדמים יותר מתורת המספרים האלגברית. בפרט היא החליפה את השימוש במשוואת פל (הפשוטה יחסית) בשימוש במשפט היחידות של דיריכלה המהווה הכללה של משוואת פל.

ההוכחות האלמנטריות של מרטנס

פרנץ מרטנס – מצא בשלהי המאה ה-19 הוכחות אנליטיות פשוטות ואלמנטריות למשפט דיריכלה.

בשלהי המאה ה-19 הציג פרנץ מרטנס מספר הוכחות אנליטיות אלמנטריות לאי-התאפסות של פונקציית $L$ בנקודה 1. ההוכחות האלה היו פשוטות יותר מהוכחתו של דיריכלה. הן לא עברו דרך נוסחת מספר המחלקה. למעשה הן לא נתנו מידע ישיר על הערך של פונקציית $L$, אלא רק את העובדה שהיא לא מתאפסת.

הרחבה של פונקציית זטא ופונקצוית L למישור המרוכב

ברנהרד רימן – הרחיב בשנת 1859 את פונקציית זטא למישור המרוכב, וקישר בינה ובין הצפיפות הטבעית של המספרים הראשוניים.

בשנת 1859 פרסם ברנהרד רימן את מאמרו על מספר הראשוניים מתחת לגודל נתון, שבו הוא הרחיב את ההגדרה של פונקציית זטא של רימן (שהוגדרה במקור על ידי אוילר עבור משתנה ממשי גדול מ-1) לכל משתנה מרוכב. הרחבה זאת איפשרה לקבל מידע רב על מספרים ראשוניים באמצעות אנליזה מרוכבת, ובכך סללה את הדרך להוכחת משפט המספרים הראשוניים.

מספר מתמטיקאים (Kinkelin, A. Hurwitz, R. Lipschitz) הרחיבו את תוצאותיו של רימן עבור פונקציות L של דיריכלה.

משפט המספרים הראשוניים וגרסה מדויקת יותר של משפט דיריכלה

ז'אק אדמר ושארל דה לה ואלה פוסן – הוכיחו בשנת 1896 את משפט המספרים הראשוניים וגרסה של משפט דיריכלה שנותנת מידע על הצפיפות הטבעית.

בשנת 1896 הוכיחו ז'אק אדמר ושארל דה לה ואלה פוסן את משפט המספרים הראשוניים, בהתבסס על עבודותיו של רימן. ביחד עם הוכחותיהם למשפט המספרים הראשוניים, הוכיחו אדמר ודה לה ואלה פוסן גרסה של משפט דיריכלה שנותנת מידע על הצפיפות הטבעית של קבוצת המספרים הראשוניים בסדרה חשבונית. הוכחתם משלבת בין הוכחתו של דיריכלה והוכחת משפט המספרים הראשוניים.

ההוכחות הקצרות של לנדאו

אדמונד לנדאו – מצא, בתחילת המאה ה-20, הוכחה קצרה למשפט דיריכלה המשתמשת באננליזה מרוכבת.

בתחילת המאה ה-20 מצא אדמונד לנדאו שתי הוכחות אנליטיות נוספות לאי-התאפסות של פונקציית L ב-1. הוכחות אלו קצרות אף יותר מההוכחות של מרטנס, אך משתמשות בכלים של אנליזה מרוכבת ובכך פחות אלמנטריות.

ההוכחות ללא פונקציות L של דיריכלה

אטלה סלברג – מצא, בשנים 1948–1950, הוכחות למשפט דיריכלה אשר לא משתמשות בפונקציית L. אחת ההוכחות אף מוכיחה את הגרסה של משפט דיריכלה הנוגעת לצפיפות הטבעית, וזאת ללא שימוש באנליזה מרוכבת.

החל מאמצע המאה ה-20 נמצאו מספר הוכחות (על ידי אטלה סלברג, הרולד שפירו, הנס זסנהאוס ואחרים) למשפט דיריכלה אשר לא משתמשות בפונקציית L של דיריכלה. הוכחות אלה משתמשות בכלים מאנליזה ואינן אלמנטריות או פשוטות יותר מהוכחתו של דיריכלה, אולם הן שונת ממנה באופן מהותי. ההוכחות מתבססות בין היתר על הכלים שפותחו על ידי סלברג ופאול ארדש בהוכחתם האלמנטרית של משפט המספרים הראשוניים. אחת מההוכחות של סלברג למשפט דיריכלה מוכיחה את הגרסה על הצפיפות הטבעית של הראשוניים בסדרה חשבונית. בדומה להוכחה של סלברג וארדש למשפט המספרים הראשוניים, הוכחה זאת לא משתמשת באנליזה מרוכבת אלה רק באנליזה ממשית.

הכללות

למשפט דיריכלה נמצאו הכללות במשך השנים. כמו כן מספר השערות ידועות מהוות הכללות שלו.

• משפט הצפיפות של צ'בוטרב ומשפט פרובניוס: שני משפטים אלה מחשבים את הצפיפות של תתי-קבוצות מסוימות של קבוצת המספרים הראשוניים.

משפט פרובניוס אינו מכליל את משפט דיריכלה אך אנלוגי לו, והוכחתו התבססה על הוכחת משפט דיריכלה. משפט הצפיפות של צ'בוטרב מהווה הכללה משותפת של משפט דיריכלה ומשפט פרובניוס. לשני המשפטים גרסאות הנוגעות לצפיפות דיריכלה ולצפיפות הטבעית.

בהינתן פולינום $f$ (עם מקדמים שלמים), משפט פרובניוס מחשב את הצפיפות של קבוצת המספרים הראשוניים $p$ כך שהפולינום מודולו $p$ מתפרק לגורמים בלתי פריקים בתבנית פירוק מסוימת. תבנית פירוק היא מספר הגורמים הבלתי פריקים, ריבויים ודרגותיהם. דוגמה לתבנית פירוק היא התפצלות הפולינום לגורמים ליניאריים.

משפט צ'בוטרב אומר שבהינתן הרחבת שדות $K/\mathbb {Q}$ ואיבר בחבורת גלואה $\gamma \in Gal(K/Q)$ קיימים אינסוף ראשוניים $p$ כך שמחלקת פרובניוס המתאימה להם ב $Gal(K/Q)$ תכיל את $\gamma$. המשפט גם מחשב את הצפיפות של קבוצת הראשוניים האלה.

כדי לקבל את משפט דיריכלה ממשפט צ'בוטרב יש להציב את המקרה בו $K$ היא הרחבה ציקלוטומית (או באופן שקול את המקרה בו $f=x^{m}-1$).

הוכחת המשפטים האלו מקבילה להוכחת משפט דיריכלה. היא משתמשת בכלים מתורת המספרים האלגברית שפיתחו דדקינד ופרובניוס. את אי-ההתאפסות של פונקציית L של דיריכלה מחליפה אי-ההתאפסות של פונקציית L של ארטין. זאת נובעת מנוסחת מספר המחלקה של דדקינד שמחליפה את נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה.

• ניתן לראות במשפט דיריכלה חלק מתופעה כללית, על-פיה במקרים רבים בהינתן תנאי מסוים שאין מניעה ברורה שמספרים ראשוניים יקיימו אותו, אז קיימים מספרים ראשוניים המקיימים אותו. דוגמאות נוספות לתופעה זאת הן:
  • השערת התאומים הראשוניים
  • משפט גרין-טאו
  • בעיית לנדאו הרביעית
  • השערת שלשות הראשוניים
  • השערת גולדבך, במידה מסוימת.

משפט דיריכלה הוא הדוגמה הראשונה לתופעה זו שהוכחה. השערה מרחיקת לכת הממחישה תופעה זו היא השערת דיקסון (Dickson's conjecture) המוכללת, האומרת שאם $f_{1},\dots f_{n}$ הם פולינומים במשתנה אחד עם מקדמים שלמים המקיימים תנאים מסוימים, אז קיימים אינסוף מספרים טבעיים $k$ כך שהמספרים $f_{1}(k),\dots ,f_{n}(k)$ הם ראשוניים.

השערה זאת נקראת גם השערת בוניאקובסקי (Bunyakovsky conjecture) המוכללת. ההשערה מכלילה את כל הטענות שנמנו מעלה למעט השערת גולדבך.

• חלק מרכזי במשפט דיריכלה הוא אי ההתאפסות של פונקציית L של דיריכלה ב-1. ישנן טענות אי-התאפסות של פונקציות L שונות, בהן כאלה שמכלילות את משפט דיריכלה. דוגמה:
  • אי-התאפסות של פונקציית זטא של רימן על הישר $\Re (s)=1$ הוכחה על ידי אדמר ודה לה ולה פוסן. היא גוררת את משפט המספרים הראשוניים.
  • אי-התאפסות של פונקציית $L$ של דיריכלה על הישר $\Re (s)=1$ הוכחה על ידי אדמר ודה לה ולה פוסן. היא גוררת את הגרסה של משפט דיריכלה לגבי הצפיפות הטבעית.
  • אי-התאפסות של פונקציית $L$ של ארטין ב-1 גוררת את משפט הצפיפות של צ'בוטרב.
  • אי-התאפסות של פונקציית $L$ של ארטין על הישר $\Re (s)=1$ גוררת גרסה של משפט צ'בוטרב התקפה לגבי הצפיפות הטבעית.

ההכללה האולטימטיבית של כל אי ההתאפסויות האלה היא השערת רימן המוכללת.

שימושים

עיקר השפעתו של משפט דיריכלה היא עקיפה. אולם למשפט גם מספר שימושים ישירים. להלן מספר דוגמאות:

• משפט דיריכלה והגרסאות הכמותיות שלו מהווים כלי מרכזי בהוכחת השערת גולדבך החלשה.
• משפט דיריכלה גורר כי עבור אינסוף ראשוניים $p$, הפולינום $x^{m}-1$ מתפצל לגורמים ליניאריים מעל השדה $\mathbb {F} _{p}$. משפט צ'בוטרב גורר את אותו הדבר עבור כל פולינום עם מקדמים שלמים. כך שבעוד שעבור כל מספר ראשוני $p$ השדה הסופי $\mathbb {F} _{p}$ אינו סגור אלגברית, לפי משפט דיריכלה ומשפט צ'בוטרב, כל השדות האלה יחד מהווים מעין "מערכת סגורה אלגברית".
• בהינתן מערכת משוואות פולינומיות $X$ עם מקדמים שלמים במספר משתנים, השערות וייל מספקות קשר בין הטופולוגיה של היריעה $X(\mathbb {C} )$ של הפתרונות המרוכבים של $X$ ובין מספר הנקודות בקבוצה $X(\mathbb {F} _{p})$ של הפתרונות ב-$\mathbb {F} _{p}$ של $X$. השימוש המרכזי של השערות וייל הוא לקבל מידע על הקבוצה $X(\mathbb {F} _{p})$ באמצעות היריעה $X(\mathbb {C} )$. אולם בזכות משפט דיריכלה ומשפט צ'בוטרב ניתן גם לקבל מידע על היריעה $X(\mathbb {C} )$ באמצעות כל הקבוצות $X(\mathbb {F} _{p})$ כאשר $p$ רץ על כל הראשוניים.

השפעה

תורת המספרים האנליטית

ערך מורחב – תורת המספרים האנליטית

ניתן לראות במשפט דיריכלה את לידתה של תורת המספרים האנליטית. אומנם שימוש באנליזה לטובת תורת המספרים הופיע עוד בעבודותיו של אוילר, אולם תפקידה של האנליזה בהוכחתו של דיריכלה היה סיסטמטי ומסיבי בהרבה. משפט דיריכלה יצר פרדיגמה חדשה בתורת המספרים. על פי פרדיגמה זו, כדי לחקור שאלה מסוימת בתורת המספרים יש לבצע את השלבים הבאים:

1. להתאים לשאלה הנחקרת פונקציית L, זאת אומרת טור דיריכלה המקודד את הבעיה.
2. להוכיח תכונות בסיסיות של פונקציית L זו: מכפלת אוילר, ולאחר עבודותיו של רימן, גם המשכה אנליטית (למישור המרוכב) ומשוואה פונקציונלית.
3. לחקור פונקציית L זו בכלים אנליטיים. זה כולל בדרך כלל:
   • הוכחת אי-ההתאפסות שלה באזורים מסוימים במישור המרוכב.
   • הוכחת הרגולריות שלה באזורים מסוימים במישור המרוכב.
   • מציאת חסמים על גודלה.
4. להסיק מהתנהגות פונקציית L זו מסקנות על השאלה המקורית בתורת המספרים.

פרדיגמה זאת השתרשה עד כדי כך, שכיום תוצאות רבות בתורת המספרים מנוסחות כתוצאות על תכונות של פונקציות L, ללא גזירה של מסקנות לגבי האובייקטים מתורת המספרים שפונקציות L אלה מבוססות עליהם.

להלן מספר דוגמות לפונקציות L הנחקרות כיום:

• פונקציית זטא של רימן - מקודדת תכונות של המספרים הראשוניים.
• פונקציית L של דיריכלה - מקודדת תכונות של המספרים ראשוניים בסדרה חשבונית וקרקטרי דיריכלה.
• פונקציית זטא של תבנית ריבועית - מקודדת תכונות של תבנית ריבועיות מעל השלמים.
• פונקציית זטא של דדקינד- מקודדת תכונות של שדות מספרים.
• פונקציית L של ארטין - מקודדת תכונות של הצגות גלואה של הרחבות שדות מספרים.
• פונקציית L של הקה - מקודדת תכונות של חבורת מחלקות האידלים וקרקטרי הקה.
• פונקציית L של תבנית אוטומורפית - מקודדת תכונות של תבניות אוטומורפיות.
• פונקציית L מוטיביות - מקודדות תכונות של אובייקטים מגאומטריה אלגברית אריתמטית. לדוגמה:
  • פונקציית זטא של הסה-וויל ופונקציית זטא אריתמטית - שתיהן סופרות נקודות ביריעות אלגבריות מעל שדה סופי.
  • פונקציית זטא של איגוסה - סופרת נקודות ביריעות אלגבריות מעל חוגים סופיים.

פונקציות L מופיעות גם מחוץ לתורת המספרים, כאשר סופרים אובייקטים. לדוגמה:

• פונקציית זטא של חבורה - טור דיריכלה הסופר תתי-חבורות של חבורה.
• פונקציית זטא הצגתית של חבורה - טור דיריכלה הסופר הצגות של חבורה.

הערה: פונקציות זטא הן מקרה פרטי של פונקציות L, בו כל המקדמים הם חיוביים.

לעיתים, הדרך לקשר בין שני אובייקטים שונים היא להוכיח שיש להם אותה פונקציית L. השערת לנגלנדס והשערת טניאמה-שימורה הן דוגמאות לקשר כזה.

תורת המספרים האלגברית ואלגברה קמוטטיבית

ערכים מורחבים – תורת המספרים האלגברית, אלגברה קומוטטיבית

שימושים בכלים אלגבריים לטובת תורת המספרים עתיקים כמו תורת המספרים עצמה, כך שתורת המספרים האלגברית התפתחה לאורך תקופה ארוכה. במהלך המאה ה-19 חלה התפתחות דרמטית בתחום זה. אחת מאבני הדרך המשמעותיות בתחום זה הן העבודות של דדקינד על חוגי שלמים בשדות המספרים והאידיאלים שלהם. עבודות אלה שמתבססות על עבודותיו של קומר מהוות המשך ישיר לעבודותיו של דיריכלה על משפט דיריכלה.

האלגברה הקמוטטיבית פותחה על ידי הילברט ונתר בהתבסס על עבודותהם של דדקינד וקומר.

תורת ההצגות

ערך מורחב – תורת ההצגות

ההתפתחות של תורת ההצגות ושל תורת המספרים האלגברית שזורות זו בזו. ניתן לראות בעבודותיו של פורייה על פירוק של פונקציה לקומבינציה של פונקציות טריגונומטריות את תחילתה של תורת ההצגות. פירוק זה נקרא טור פורייה (או התמרת פורייה). מנקודת מבט מודרנית, אפשר לראות פירוק זה כפירוק של מרחב הפונקציות על הישר (או המעגל) לתתי מרחבים אינווריאנטים לגבי הזזות. במילם אחרות: פירוק של ההצגה הרגולרית של הישר (או המעגל) להצגות בלתי פריקות. אולם בשלב זה, רעיונות אלה הוגבלו למספר מצומצם של דוגמאות דומות, ורק לחבורות קומוטטיביות.

דיריכלה, שהיה תלמידו של פורייה, הוציא את הרעיונות האלה מההקשר של אנליזה שבה הם פותחו והפעיל אותם על דוגמאות נוספות של חבורות קומוטטיביות. מהלך זה היה אחד הרעיונות המשמעותיים בהוכחת משפט דיריכלה.

דדקינד שיכתב את עבודותיו של דיריכלה בשפה כללית ונקייה יותר, ובכך פיתח את התמרת פורייה ותורת הקרקטרים עבור חבורה אבלית סופית כלשהי. דדקינד הבין שבישביל שימושים מתקדמים יותר בתורת המספרים הוא צריך גם אנלוגים של תורת הקרקטרים גם עבור חבורות לא קומוטטיביות. במכתביו לפרובניוס הציע לו דדקינד לפתח תורה כזאת.

פרובניוס הצליח לפתח תורה זו במאמרו המפורסם משנת 1896. במאמר זה פותחה תורה מעמיקה של קרקטרים של חבורות לא קומוטטיביות, ואנלוגים של פירוק פורייה בשבילן, אולם מושג ההצגה עוד לא היה קיים. עבודותיו של פרובניוס איפשרו להגדיר את פונקציית L של ארטין, שהיא הכללה של פונקציית L של דיריכלה, ולהוכיח את משפט צ'בוטרב שהוא הכללה של משפט דיריכלה.

את מושג ההצגה הגדיר תלמידו של פרובניוס, ישי שור, ובכך הניח את היסודות לתורת ההצגות בצורתה המודרנית. שור גם הסביר את הקשר בין הצגות וקרקטרים.

במהלך המאה ה-20 התפתחה תורת ההצגות והפכה לתחום מרכזי במתמטיקה המקושר לתחומים שונים הכוללים לצד תורת המספרים גם אלגברה, גאומטריה, אנליזה ואפילו פיזיקה. אולם תורת המספרים האנליטית הייתה ונשארה אחד המקורת המרכזיים לשאלות בתורת ההצגות. כך לדוגמה התחום של תבניות והצגות אוטומורפיות הוא תחום משותף לתורת המספרים ותורת ההצגות. כמו כן תורת ההצגות של חבורות p-אדיות הוא תחום בתורת ההצגות השואב את עיקר המוטיבציה שלו מתורת המספרים.

ההוכחות למשפט

הוכחות אלגבריות למקרים פרטיים

ערך מורחב – קיומם של אינסוף מספרים ראשוניים

כל ההוכחת הידועות למשפט דיריכלה הן אנליטיות, ומוכיחות טענה חזקה יותר מאינסופיות קבוצת הראשוניים בסדרה חשבונית. אולם עבור מקרים פרטיים של משפט דיריכלה יש הוכחות אלגבריות הדומות להוכחתו של אוקלידס לכך שיש אינסוף ראשוניים וכמעט שאינן מספקות מידע על צפיפות קבוצה זאת. רוב ההוכחות האלה מבוססות על הרעיון הבא: מוצאים פולינום $f$ כך שלכל $k$ טבעי, למספר $f(k)$ יש גורם ראשוני בסדרה החשבונית. אז מציבים מכפלה של ראשוניים מהסדרה החשבונית לפולינום כדי לקבל מחלקים ראשוניים מהסדרה החשבונית שלא השתתפו במכפלה. נדגים שיטה זו במספר מקרים:

מספרים שאינם ריבוע מודולו $m$

משפט
יהיו $m\in \mathbb {N}$, אז יש אינסוף ראשוניים שאינם ריבוע מודולו - $m$.

הוכחה

נניח בשלילה שיש מספר סופי של ראשוניים שאינם ראשוניים שאינם ריבוע מודולו - $m$. נבחר מספר $k$ זר ל-$m$. נסמן את הראשוניים שאינם ריבוע מודולו - $m$ ואינם מחלקים את $k$ ב- $p_{1},\dots ,p_{n}$. נסמן $N=mp_{1}\cdots p_{n}+k$. ממשפט קיום ויחידות של הפירוק לגורמים ראשוניים נובע של-$N$ חייב להיות לפחות גורם ראשוני אחד שאינו ריבוע מודולו - $m$. גורם זה חייב להיות שונה מ-$p_{1},\dots ,p_{n}$ ולא יכול לחלק את $k$. זה מוביל לסתירה.

מספרים שהם $1$ מודולו $m$

משפט
יהיה $m\in \mathbb {N}$. אז יש אינסוף ראשוניים בסדרה החשבונית $1+m\mathbb {N}$

הוכחת המשפט מתבססת על הלמה הבאה:

למה
לכל $m>1$ קיים פולינום $f$ עם מקדמים שלמים ומקדם חופשי שווה ל-$1$ כך שלכל $k$ טבעי, כל מחלק ראשוני $p$ של $f(k)$ מקיים $p=1\mod m$.

הפולינום $f$ הוא למעשה $x\mapsto \Phi _{m}(mx)$ כאשר $\Phi _{m}$ הוא הפולינום הציקלוטומי של $m$. הוכחת הלמה מתבססת על כלים של תורת המספרים האלגברית, ההוכחה איננה פשוטה אך אלגברית לחלוטין. לצורך המחשה נביא כאן את ההוכחה כאשר $m=q$ ראשוני.

הוכחת הלמה ל-$m=q$:

ניקח $$f(k)=1+qk+\dots +(qk)^{q-1}.$$ ונקבע $p$ המקיים $$p|f(k)$$ ראשית נראה כי $$qk\neq 1\mod p.$$ אכן, אם $$qk=1\mod p$$ אז $$f(k)=q\mod p$$ ולכן $p|q$. מכיוון ש$p\neq q$ זה סותר את ההנחה ש - $q$ ראשוני. כעת נבחין ש $$f(k)(qk-1)=(qk)^{q}-1$$ ולכן $$(qk)^{q}=1\mod p.$$ יהיה $l$ הסדר של $qk$ מודולו $p$ זאת אומרת המספר הטבעי הקטן ביותר המקיים $$(qk)^{l}=1\mod p.$$ נקבל $l|q$. קל לראות ש - $l\neq 1$. לכן $l=q$. מצד שני, לפי המשפט הקטן של פרמה $l|(p-1)$, זה מוכיח ש $$p=1\mod q$$ כפי שרצינו.

כעת נוכיח את המשפט

הוכחה למשפט דיריכלה עבור $a=1$:
נניח בשלילה שיש מספר סופי של ראשוניים בסדרה החשבונית $1+m\mathbb {N}$. נסמנם ב - $p_{1},\dots ,p_{n}$. נסמן $N=f(p_{1}\cdots p_{n})$ כאשר $f$ הוא הפולינום מהלמה. יהיה $p$ מחלק ראשוני של $N$. לפי הלמה $p=1\mod m$ ומאידך $p\neq p_{1},\dots ,p_{n}$ . סתירה

מסקנות

מטענות אלה נובע משפט דיריכלה ל- $m=1,2,3,4,6$.

מכפלת אוילר

ערך מורחב – מכפלת אוילר

נקודת המוצא של הוכחתו של דיריכלה (כמו גם של כמעט כל ההוכחות המאוחרות יותר) היא נוסחת המכפלה של אוילר:

$$\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n}}=\prod _{p}\left(\sum _{k-0}^{\infty }{\frac {1}{p^{k}}}\right)=\prod _{p}\left({\frac {1}{1-{\frac {1}{p}}}}\right)$$

כאשר המכפלה עוברת על כל המספרים הראשוניים. הנוסחה מבוססת על טורים הנדסיים ועל משפט קיום ויחידות של פירוק לגורמים ראשוניים. הנוסחה מאפשרת לקבל מידע על ההתפלגות של מספרים ראשוניים (מאגף ימין) באמצעות כלים של אנליזה (בהם מנתחים את אגף שמאל). עם זאת, בצורתה זו הנוסחה לא נותנת מידע רב, שכן שני אגפיה מתבדרים. כדי להפוך אותה לשימושית יותר, מכניסים פרמטר ממשי $s>1$ ומחליפים את הנוסחה בנוסחת המכפלה של אוילר עבור פונקציית זטא של רימן:

$$\zeta (s):=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}=\prod _{p}{\frac {1}{1-{\frac {1}{p^{s}}}}}$$

באופן כללי, כדי לקבל מנוסחה זו את המידע הדרוש לנו, יש לנתחה כאשר $s$ שואף ל-$1$. בדרך כלל כדי להבין את הטיעונים ברמה האינטואיטיבית אפשר להציב $s=1$, אבל זה לא מספיק כדי לקבל הוכחה ריגורוזית.

ממכפלת אוילר ניתן לקבל שטור ההופכיים של המספרים הראשוניים מתבדר. לשם כך לוקחים לוגריתם של שני הצדדים של הנוסחה ומשתמשים בקירוב טיילור מסדר ראשון של הלוגוריתם, ומקבלים:

$$\ln(\zeta (s))=-\sum _{p}\ln \left({1-{\frac {1}{p^{s}}}}\right)=\sum _{p}{\frac {1}{p^{s}}}+f(s)$$

כאשר:

$$0<f(s):=-\sum _{p}\left({\frac {1}{p^{s}}}+\ln \left({1-{\frac {1}{p^{s}}}}\right)\right)<\sum _{p}{\frac {1}{p^{2s}}}<1$$

מכאן קל להסיק שהטור

$$\sum _{p}{\frac {1}{p}}$$

מתבדר.

באופן פשטני אפשר לומר כי הרעיון בהוכחתו של דיריכלה הוא להתאים טיעון זה לטור דומה עבור הראשוניים בסדרה חשבונית.

שימוש במספרים מרוכבים

ערך מורחב – מספר מרוכב

אחד הרעיונות המהפכניים של רימן בתורת המספרים האנליטית היא להציב לפונקציית זטא ערכים מרוכבים של המשתנה $s$ (עם חלק ממשי גדול מ-1) ואז להמשיך את פונקציית זטא של רימן לפונקציה מרומורפית המוגדרת על המישור המרוכב כולו. זה הופך את פונקציית זטא לכלי עוצמתי לחקר ההתפלגות של המספרים הראשוניים. רעיון זה הוביל בין היתר להוכחת משפט המספרים הראשוניים. אולם רעיון זה הופיע כ-30 שנה לאחר הוכחת משפט דיריכלה ואינו מופיע בהוכחה המקורית של דיריכלה. חלק מההוכחות המאוחרות יותר משתמשות ברעיון זה, מה שמקצר את ההוכחה. המחיר של קיצור זה הוא שימש בכלים מתקדמים יחסית מאנליזה מרוכבת, שוהכחתם לא פשוטה.

הוכחתו של דיריכלה (כמו גם כמעט כל ההוכחות המאוחרות יותר) משתמשת במספרים מרוכבים במקום אחר: פונקציות $L$ של דיריכלה, שהן גרסאות של פונקציית זטא של רימן הנחוצות בהוכחה, הן פונקציות עם ערכים מרוכבים גם כאשר המשתנה שלהן ממשי. שימוש זה לא דורש אנליזה מרוכבת אלא רק הבנה של מספרים מרוכבים, ולכן פשוט בהרבה. גם שימוש זה לא הכרחי, אפשר להחליף אתו בשימוש בפונקציות טריגונומטריות, אולם החלפה כזאת תסרבל את ההוכחה ותסתיר את הרעיונות שבה, כך שהיא לא מקובלת.

קרקטר דיריכלה

ערכים מורחבים – קרקטר דיריכלה, פונקציית L של דירכלה, חבורת אוילר

מכפלת אוילר נותנת מידע על התפלגות כל הראשוניים, בעוד שעבור משפט דיריכלה יש צורך במידע על התפלגות הראשוניים בסדרה חשבונית. לא ניתן להתאים את מכפלת אוילר באופן ישיר כדי שהיא תערב רק מספרים בתת-קבוצה מסוימת, אולם לעיתים ניתן להתאים את מכפלת אוילר כדי שהיא תערב את כל המספרים עם משקלים מסוימים. עבור פונקציה חסומה $a:\mathbb {N} \to \mathbb {C}$ אפשר להגדיר גרסה ממושקלת של פונקציית זטא של רימן באופן הבא:

$$L(s,a):=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a(n)}{n^{s}}}.$$

טור כזה נקרא באופן כללי טור דיריכלה. עבור בחירות מסוימות של $a$ יהיו לפונקציה זאת חלק מהתכונות הטובות של פונקציית זטא של רימן, לרבות מכפלת אוילר. מקרה אחד כזה הוא כאשר הפונקציה $a$ היא קרקטר דיריכלה.

הגדרה
קרקטר דיריכלה עם מנחה (condactor) $m$ הוא פונקציה $\chi :\mathbb {N} \to \mathbb {C}$ המקימת: לכל $n\in \mathbb {N}$ מתקיים: $\chi (n+m)=\chi (n)$ לכל $n$ זר ל-$m$ מתקיים: $\chi (n)=0$ לכל $n,k\in \mathbb {N}$ מתקיים: $\chi (nk)=\chi (n)\chi (k)$ $\chi (1)=1$

לטורי דיריכלה עם פונקציית משקל שהיא קרקטר דיריכלה קוראים פונקציות $L$ של דיריכלה. עבור פונקציות אלה מתקימת נוסחת המכפלה של אוילר:

$$L(s,\chi )=\prod _{p}{\frac {1}{1-{\frac {\chi (p)}{p^{s}}}}}$$

כיוון שקרקטר דיריכלה הוא פונקציה מחזורית (תנאי 1) ניתן לראות בו פונקציה על החוג הסופי $\mathbb {Z} |_{m}:=\mathbb {Z} /m\mathbb {Z}$. כיוון שהוא מתאפס על האיברים הלא הפיכים בחוג זה (תנאי 2) ניתן לראות בו פונקציה על חבורת האיברים ההפיכים בחוג זה. חבורה זאת נקראת חבורת אוילר ומסומנת ב-$\mathbb {Z} |_{m}^{\times }$. מנקדת מבט זאת קרקטר דיריכלה הוא קרקטר כיפלי של החבורה $\mathbb {Z} |_{m}^{\times }$. קרי הומומורפיזם מחבורה זאת לחבורה $\mathbb {C} ^{\times }:=\mathbb {C} \smallsetminus \{0\}$. אוסף כל קרקטרים של חבורה $G$ נקרא החבורה הדואלית של $G$ ומסומן ב-${\widehat {G}}$. בהתאם, אוסף כל קרקטרי דיריכלה עם מנחה $m$ מסומן ב-${\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}}$.

התמרת פורייה דיסקרטית כפלית

ערכים מורחבים – התמרת פורייה דיסקרטית, חבורת אוילר

אנו מעוניינים בראשוניים בסדרה החשבונית $a+m\mathbb {N}$. באופן עקרוני ניתן לבודד ראשוניים אלה על ידי שימוש בפונקציית משקל שתהיה הפונקציה המציינת של הסדרה החשבונית. אולם פונקציה זאת איננה קרקטר, ולכן מכפלת אוילר לא תקפה עבורה. דיריכלה התמודד עם קושי זה בכך שהוא הציג את הפונקציה המציינת של הסדרה החשבונית בתור צירוף ליניארי של קרקטרים. באופן ספציפי, הוא הוכיח את הטענה הבאה:

טענה
נסמן ב - $\Phi _{a,m}$ את הפונקציה המצינת של הסדרה החשבונית $a+m\mathbb {N}$. אז מתקיים: $$\Phi _{a,m}={\frac {1}{\varphi (m)}}\sum _{\chi \in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}}}{\overline {\chi (a)}}\chi .$$ או, באופן מפורש יותר, לכל $n\in \mathbb {N}$ מתקיים: $${\frac {1}{\varphi (m)}}\sum _{\chi \in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}}}{\overline {\chi (a)}}\chi (n)=\delta _{a,n}$$

טענה זאת היא מקרה פרטי של התמרת פוריה על חבורות אבליות סופיות:

משפט
לכל חבורה סופית $G$ ולכול פונקציה $f:G\to \mathbb {C}$ מתקיים: $$f=\sum _{\chi \in {\hat {G}}}\langle f,\chi \rangle \chi ,$$ כאשר: $$\langle f,h\rangle ={\frac {1}{\#G}}\sum _{x\in G}f(x){\overline {h(x)}}$$

למשפט זה יש הכללה לחבורת אבליות טופולוגיות קומפקטיות מקומית ואף לחבורת לא אבליות. ניתן להוכיח את המשפט על ידי ליכסון משותף של אופרטורים ממרחב הפונקציות $\{f:G\to \mathbb {C} \}$ לעצמו המתקבלים מהזזה באיברי $G$. אך יש למשפט גם הוכחות אלמנטריות יותר. שלא משתמשות באלגברה ליניארית. למשל הוא נובע בקלות יחסית מהלמה הבאה:

למה
לכל חבורה אבלית סופית $G$ ולכל $1\neq x\in G$ מתקיים: $$\sum _{\chi \in {\hat {G}}}\chi (x)=0$$

עובדה זו (הנכונה בנוסח המוכלל $\sum _{\chi \in {\hat {G}}}\dim(\chi )\chi (x)=0$ לכל חבורה סופית) נובעת מ"יחס שור השני" על טבלת הקרקטרים. ניתן להסיק אותה גם מן הלמה הבאה:

למה
לכל חבורה סופית $G$ ולכל $x\neq 1\in G$ קיים $\chi \in {\hat {G}}$ כך שמתקיים: $\chi (x)\neq 1$.

למה זאת נובעת בקלות ממשפט המיון לחבורות אבליות נוצרות סופית המראה ש-x שייך למחובר ישר ציקלי; אך ניתן גם להוכיח אותה ישירות על ידי הרחבה הדרגתית של קרקטר מתת-חבורה לכל החבורה. כמו כן, במקרה שרלוונטי למשפט דיריכלה $G=\mathbb {Z} |_{m}^{\times }$ ניתן גם להוכיח אותה באמצעות ניתוח המבנה של החבורה $\mathbb {Z} |_{m}^{\times }$ המבוסס על משפט השאריות הסיני.

רדוקציה להתכנסות ואי-התאפסות של פונקציית L של דיריכלה

עבור פונקציה חסומה $f:\mathbb {N} \to \mathbb {C}$ נסמן

$$P(s,f)=\sum _{p}{\frac {f(p)}{p^{s}}}$$

משפט דיריכלה נובע מהטענה הבאה:

$$P(1,\Phi _{a,m})=\infty .$$

כאשר $\Phi _{a,m}$ היא הפונקציה האופיינית שהוגדרה מעלה. מאידך

$$P(s,\Phi _{a,m})={\frac {1}{\varphi (m)}}\sum _{\chi \in {\hat {\mathbb {Z} }}|_{m}^{\times }}{\overline {\chi (a)}}P(s,\chi ).$$

באופן דומה להסבר מעלה, מכאן, ניתן להסיק ש:

$$P(s,\Phi _{a,m})={\frac {1}{\varphi (m)}}\sum _{\chi \in {\hat {\mathbb {Z} }}|_{m}^{\times }}{\overline {\chi (a)}}\ln(L(s,\chi ))+g(s).$$

כאשר $g(s)$ היא פונקציה חסומה בקרן $(1,\infty )$.

אם $\chi$ הוא הקרקטר הטריוויאלי אז $L(s,\chi )$ דומה מאוד לפונקציית זטא של רימן, ובפרט $L(1,\chi )=\infty$. לכן $\ln(L(1,\chi ))=\infty$. כך שכדי להוכיח ש $P(1,\Phi _{a,m})=\infty$ די להוכיח ש $\ln(L(s,\chi ))$ חסום בסביבת $s=1$ עבור $\chi$ לא טריוויאלי. במילים אחרות, די להוכיח ש:

$$L(1,\chi )\neq 0,\infty$$

הערה: לשוויונים מעלה יש משמעות ריגורזית רק כאשר $s>1$. כמו כן, פונקציית הלוגריתם איננה מוגדרת ביחידות, כך שהטיעון שהוצג איננו ריגורוזי. ניתן לקבל טיעון ריגורוזי בהתבסס על הלמה הפשוטה הבאה:

למה
תהיא $f:(0,\infty )\to \mathbb {C}$ פונקציה רציפה כך שקיימים $C>c>0$ המקימים $$c<|e^{f}|<C.$$ אז $f$ חסומה.

התכנסות של פונקציית L של דיריכלה

ערך מורחב – מבחן דיריכלה

אנימציה המדגימה איך לחסום את קצב ההתכנסות של טורים מהסוג של $L(s,\chi )$

נקבע קרקטר לא טריוויאלי $\chi$ בעל מחזור $m$. ההתכנסות (בתנאי) של הטור

$$L(1,\chi )=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\chi (n)}{n}}=\lim _{s\to 1}L(s,\chi ).$$

היא טענה פשוטה למדי. היא נובעת בקלות ממבחן דיריכלה להתכנסות טורים ומהלמה הפשוטה הבאה:

למה
עבור כל $k\in \mathbb {N}$ מיתקיים $$\sum _{i=k+1}^{k+m}\chi (i)=0$$

למעשה קל להסיק מלמה זאת גם חסם יעיל על קצב ההתכנסות של הטור.

לפיכך, כדי להוכיח את המשפט דיריכלה, די להוכיח את המשפט הבא:

משפט
עבור כל קרקטר דיריכלה לא טריוויאלי $\chi$ מתקיים: $$L(1,\chi )\neq 0$$

משפט זה לא פשוט כלל, ולמעשה מהווה את עיקר הקושי בהוכחת משפט דיריכלה, אולם, יש הבדל עקרוני משמעותי בינו לבין משפט דיריכלה: בעוד שגם עבור סידרה חשבונית נתונה, משפט דיריכלה אינו טריוויאלי כלל, משפט זה קל לבדיקה לכל קרקטר דיריכלה נתון: כדי להוכיח את המשפט לקרקטר נותון די לחשב את הסכום החלקי $\sum _{n=1}^{N}{\frac {\chi (n)}{n}}$ עד ל $N$ גדול מספיק כך שהערכה לשגיאה בחישוב הטור תהיה קטנה מערך הסכום החלקי. אומנם בהיעדר חסם מלרע לערך של פונקציית $L$ ב -1, אין דרך לדעת כמה זמן יערוך חישוב כזה, אך (בהנחה שהמשפט מתקיים; מה שאנו יודעים בדיעבד) החישוב בהכרח יוכיח אותו בזמן סופי עבור הקרקטר הנתון.

כיוון שיש מספר סופי של קרקטרי דיריכלה עם מנחה (conductor) נתון, טיעון זה מאפשר להוכיח את משפט דיריכלה עבור כל סידרה חשבונית נתונה באמצעות חישוב סופי. במחשב מודרני, קל לבצע את החישוב עד ערכי $m$ גדולים למדי (אלפים). גם באמצעות חישוב ידני אפשר להוכיח את המשפט לערכי $m$ שעבורם הוא לא היה ידוע בטרם דיריכלה פיתח שיטה זאת.

חישוב מפורש של $L(1,\chi )$

דיריכלה אף פיתח נוסחה ל - $L(1,\chi )$ המציגה אותו כסכום סופי: $$L(1,\chi )=-{\frac {1}{m}}\sum _{k=1}^{m-1}\ln(1-e^{2\pi ik/m})\sum _{l=1}^{m}\chi (l)e^{2\pi ikl/m}$$ פיתוח הנוסחה מתבסס על פירוק של $\chi$ לצירוף ליניארי של קרקטרים אדיטביים באמצעות התמרת פוריה אדיטיבית. זאת אומרת פירוק של $\chi$ לצירוף ליניארי של פונקציות מחזוריות $\psi _{i}$ המקיימות $\psi _{i}(k+l)=\psi _{i}(k)\psi _{i}(l)$. מקדמי פירוק זה הם סכומי גאוס סופיים. נותר לחשב את טורי דיריכלה $L(1,\psi _{i})$. קל לפתח נוסחה סגורה לטורים אלה באמצעות פונקציות יוצרות. אומנם הנוסחה מספקת דרך קלה ומהירה להוכיח את המשפט עבור מנחה נתון, אבל היא לא מקלה על הוכחת המשפט במקרה הכללי, וההוכחות הידועות למשפט דיריכלה לא משתמשות בה. עם זאת הנוסחה שימושית מאוד בתורת המספרים, לדוגמה לצורך חישוב מספרי מחלקה.

מההתכנסות של $L(1,\chi )$ יחד עם הנוסחה למעלה, קל להסיק שההתבדרות של $P(1,\Phi _{1,m})$ גוררת את ההתבדרות של $P(1,\Phi _{a,m})$ לכל $a$ זר ל- $m$. במילים אחרות מקבלים רדוקציה של הגרסה הכמותית של משפט דיריכלה למקרה בו $a=1$. עם זאת רדוקציה זאת לא תקפה לגרסה הרגילה של משפט דיריכלה. כך שההוכחה האלגברית שהוסברה למעלה למשפט דיריכלה למקרה $a=1$ איננה מספיקה כדי לסיים את ההוכחה. אולם ניתן להתאים את ההוכחה הזאת לכדי הוכחה של הגרסה הכמותית של משפט דיריכלה ובכך לסיים את ההוכחה. ראו פרוט למטה.

המקרה הלא ממשי

דיריכלה מצא טיעון פשוט ואלגנטי להוכיח ש $L(1,\chi )\neq 0$ כאשר לא כל ערכי $\chi$ ממשיים. לא כל ההוכחות למשפט דיריכלה משתמשות בטיעון זה. זאת כיוון שאת רוב ההוכחות לאי-התאפסות $L(1,\chi )$ במקרה שערכי $\chi$ ממשיים ניתן להתאים גם למקרה הכללי. עם זאת, התאמות אלה בדרך כלל מכבידות על ההוכחה. לכן, הרבה מקורות מציגים את הטיעון של דיריכלה למקרה הלא ממשי בנפרד, ובכך מפשטים את שאר ההוכחה. כך גם נראתה ההוכחה המקורית של דיריכלה.

אפשר לראות בטיעון זה של דיריכלה כטעון דיכוטומיה: או ש$L(1,\chi )$ לא מתאפס, או שהוא מתאפס באופן מובהק מספיק שיגרור מסקנות לא הגיונית על התפלגות הראשוניים בסדרה חשבונית שיובילו לסתירה. באופן פורמלי יותר, הטיעון מבוסס על הלמה הבאה:

למה
יהיו $\chi _{1},\chi _{2}$ שני קרקטרים עם אותו מנחה (condactor). אז לא ייתכן כי $$L(1,\chi _{1})=L(1,\chi _{2})=0$$

הרעיון בהוכחת הלמה מבוסס על ניתוח צפיפות דיריכלה של הראשוניים בסדרה החשבונית $1+m\mathbb {N}$: כאמור מעלה צפיפית זאת נתונה על ידי הנוסחה

$$P(s,\Phi _{1,m})={\frac {1}{\varphi (m)}}\sum _{\chi \in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}}}\ln(L(s,\chi ))+g(s).$$

כאשר $g(s)$ היא פונקציה חסומה בקרן $(1,\infty )$. נסמן ב $\chi _{0}\in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}}$ את הקרקטר הטריוויאלי. באופן לא ריגורוזי, אם מניחים בשלילה ש-$L(1,\chi _{1})=L(1,\chi _{2})=0$ ומציבים $s=1$ לנוסחה מקבלים:

$${\begin{aligned}P(1,\Phi _{1,m})=&{\frac {1}{\varphi (m)}}\left(\ln L(1,\chi _{0})+\ln L(1,\chi _{1})+\ln L(1,\chi _{2})+\sum _{\chi \in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}};\chi \neq \chi _{0},\chi _{1},\chi _{2}}\ln(L(s,\chi ))\right)+g(s)\\=&{\frac {1}{\varphi (m)}}\left(\infty -\infty -\infty +\sum _{\chi \in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}};\chi \neq \chi _{0},\chi _{1},\chi _{2}}\ln(L(s,\chi ))\right)+g(s)=-\infty .\end{aligned}}$$

מה שלא ייתכן כי $P(1,\Phi _{1,m})\geq 0$. אמנם אין כל משמעות ריגורוזית לחיבור וחיסור של ערכים אינסופיים, אבל ניתן להפוך טיעון זה לריגורוזי:

הוכחה ריגורוזית של הלמה

אנימציה המדגימה איך לחסום ההפרש בין פונקציית זטא של רימן והאינטגרל $$\int _{1}^{\infty }{\frac {1}{x^{s}}}dx={\frac {1}{s-1}}.$$ נכפיל את שני הצדדים של הנוסחה מעלה ב $\varphi (m)$ וניקח אקספוננט שלהם. נקבל $$e^{\varphi (m)P(s,\Phi _{1,m})}=e^{g(s)}\prod _{\chi \in {\hat {\mathbb {Z} }}|_{m}^{\times }}L(s,\chi )$$ מכאן קל להסיק ש: $$\inf _{s\in (1,\infty )}\left|\prod _{\chi \in {\hat {\mathbb {Z} }}|_{m}^{\times }}L(s,\chi )\right|>0$$ ולכן גם: $$\inf _{s\in (1,\infty )}\left|\zeta (s)L(s,\chi _{1})L(s,\chi _{2})\right|>0$$ קל לראות (על ידי מבחן דיריכלה) ש $\lim _{s\to 1}L'(s,\chi )=-\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\chi (n)\ln n}{n}}$ מתכנס עבור $\chi$ לא טריוויאלי. לכן אם מניחים בשלילה ש: $$L(1,\chi _{1})=L(1,\chi _{2})=0$$ אז מקבלים ש $$\lim _{s\to 1}\left|{\frac {L(s,\chi _{i})}{s-1}}\right|<\infty$$ כמו כן, על ידי השוואת פונקציית זטא של רימן לאינטגרל $$\int _{1}^{\infty }{\frac {1}{x^{s}}}dx$$ קל להראות כי $$\lim _{s\to 1}\left|\zeta (s)(s-1)\right|<\infty .$$ לכן $$\lim _{s\to 1}\left|\zeta (s)L(s,\chi _{1})L(s,\chi _{2})\right|=\lim _{s\to 1}\left|\zeta (s)(s-1){\frac {L(s,\chi _{1})}{s-1}}{\frac {L(s,\chi _{2})}{s-1}}(s-1)\right|=0$$ בסתירה למה שקיבלנו קודם.

מלמה זאת קל להסיק אי-התאפסות של פונקציית $L$ לקרקטר לא ממשי:

הוכחה ש - $L(1,\chi )\neq 0$ עבור $\chi$ לא ממשי.
נניח בשלילה ש: $L(1,\chi )=0$. נקבל $$L(1,{\bar {\chi }})={\overline {L(1,\chi )}}=0.$$ זה סותר את הלמה הקודמת.

מטענה זאת ומהנוסחה למעלה קל להסיק את משפט דיריכלה (בגרסה הכמותית) עבור $a$ שאינו ריבוע מודולו אף מחלק גדול מ-2 של $m$. כמו כן, בשיטה דומה, אפשר לקבל רדוקציה של משפט דיריכלה לטענה הבאה:

$$P(1,\Phi _{sq,m})=\infty$$

כאשר $\Phi _{sq,m}$ היא הפונקציה המציינת של קבוצת המספרים שהם ריבוע מודולו $m$.

מהלמה למעלה קל גם להסיק את הטענה הבאה:

קיים $m_{0}$ כך שמשפט דיריכלה נכון לכל $m$ שאינו מחלק את $m_{0}$. כמו כן, על ידי חישוב של מספר סופי של פונקצוית L, ניתן לחסום מלרע את הערך של $m_{0}$ על ידי חסם גבוהה כרצוננו.

רדוקציה להתבדרות פונקציית זטא של דדקינד

ערך מורחב – פונקציית זטא של דדקינד

נקבע קרקטר דיריכלה ממשי $\chi$. נגדיר

$$\zeta _{\chi }(s):=L(s,\chi )\zeta (s)=\prod _{p}{\frac {1}{(1-p^{-s})(1-\chi (p)p^{-s})}}=\prod _{p;\,\chi (p)=1}{\frac {1}{(1-p^{-s})^{2}}}\prod _{p;\,\chi (p)\neq 1}{\frac {1}{(1-p^{-2s})}}$$

על ידי פתיחת סוגריים קל להראות כי זהו טור דיריכלה עם מקדמים חיוביים. למעשה (עד כדי מודיפיקציה קלה) זוהי פונקציית זטא של דדקינד עבור הרחבה ריבועית מסוימת של שדה המספרים הרציונליים.

השלב הבא ברוב ההוכחות של משפט דיריכלה הוא להראות שהתבדרות של טור זה ב - $s=1$ גוררת ש - $L(1,\chi )\neq 0$. באופן אינטואיטיבי אפשר להסביר זאת בכך שאם $\zeta _{\chi }(1)=\infty$ אז

$$L(1,\chi )={\frac {\zeta _{\chi }(1)}{\zeta (1)}}={\frac {\infty }{\infty }}\neq 0.$$

קל להפוך טיעון זה לריגורוזי, באופן דומה להוכחת הלמה למעלה

קל לראות ש:

$$\prod _{p;\,\chi (p)\neq 1}{\frac {1}{(1-p^{-2s})}}$$

מתכנס כש $s=1$ לכן התבדרות $\zeta _{\chi }(1)$ שקולה למעשה להתבדרות

$$\prod _{p;\,\chi (p)=1}{\frac {1}{(1-p^{-1})^{2}}}$$

השקולה להתבדרות

$$\prod _{p;\,\chi (p)=1}{\frac {1}{(1-p^{-1})}}$$

זאת בתורה שקולה להתבדרות הטור

$$\sum _{p;\,\chi (p)=1}{\frac {1}{p}}$$

ההתבדרות האחרונה היא למעשה מקרה פרטי של הגרסה הכמותית של משפט דיריכלה. ואכן למקרה זה יש הוכחות אלגבריות כמעט לחלוטין שלא עושות שימוש בכל הארגומנטים לעליל, כך שאפשר לראות בכל ההוכחה עד כאן בתור רדוקציה למקרה זה. אולם יש גם הוכחות אנליטיות למקרה זה אשר משתמשות בטיעונים לעליל וספציפית בפירוק

$$\zeta _{\chi }(s)=L(s,\chi )\zeta (s)$$

שאותו לא ניתן לראות סתם מחקר של קבוצת הראשוניים המקיימים $\chi (p)=1$.

המקרה של קרקטר לא ממשי

אומנם הראינו איך ניתן לטפל במקרה של קרקטר לא ממשי למעלה, אבל ניתן לטפל גם בו באמצעות פונקציית זטא של דדקינד מתאימה. זאת היא הפונקציה

$$\zeta _{m}(s):=\prod _{\chi \in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}}}L(s,\chi ).$$

זאת למעשה פונקציית זטא של דדקינד עבור השדה הציקלוטומי $\mathbb {Q} ({\sqrt[{d}]{1}})$ (עד כדי מודיפיקציה קלה). גם במקרה זה קל להראות שהתבדרות פונקציה זאת ב $s=1$ גוררת$L(1,\chi )\neq 0$ עבור כל $\chi \in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}}$ ושקול להתבדרות הטור

$$\sum _{p;\,p=1\mod m}{\frac {1}{p}}.$$

גם במקרה זה, ניתן להוכיח זאת הן בגישה אלגברית והן בגישה אנליטית, אך הוכחות אלה מסובכות יתר מההוכחות למקרה הממשי.

הוכחות אנליטיות

ההוכחות האנליתיות מתבססות על תופעת הדיכוטומיה הבאה: אם $L(1,\chi )=0$ אז לא רק שטור הדיריכלה $\zeta _{\chi }(s)$ מתכנס ב $s=1$ אלא הוא גם מתכנס עבור כל $s$ חיובי. זה מוביל לסתירה מכיוון שקל לראות שהטור $\zeta _{\chi }({\frac {1}{2}})$ מתבדר.

באופן מפורט יותר, תחילה כותבים את הפונקציה $\zeta _{\chi }(s)$ כטור דיריכלה: $\zeta _{\chi }(s)=\sum c_{n}n^{-s}$ ומוכיחים את הלמה הפשוטה הבאה:

למה
לכל $n$ טבעי מתקיים: $c_{n}\geq 0$ $c_{n^{2}}>0$

מכאן יש 2 גישות:

• הוכחה המשתמשת באנליזה מרוכבת (ספציפית בלמה של לנדאו)
• הוכחה אלמנטרית, אך קשה יותר טכנית

הוכחה המשתמשת באנליזה מרוכבת

תחילה מוכיחים (באמצעות מבחן דיריכלה) שהטור $L(s,\chi )$ מתכנס (בתנאי) כאשר $Re(s)>0$. לאחר מכן שמים לב כי עבור $\Re (s)>1$ מתקיים:

$$\zeta (s)=\zeta (s)-\int _{1}^{\infty }t^{-s}dt+\int _{1}^{\infty }t^{-s}dt=\sum _{n=1}^{\infty }\left({\frac {1}{n^{s}}}-\int _{n}^{n+1}t^{-s}dt\right)+{\frac {1}{s-1}}$$

מכאן מסיקים כי אם $L(1,\chi )=0$ אז למכפלה $\zeta _{\chi }(s):=\zeta (s)L(s,\chi )$ יש המשכה אנליטית לחצי המישור $\Re (s)>0$. לכן מכיוון שמקדמי הטור $\zeta _{\chi }(s)$ הם חיוביים, הלמה של לנדאו גוררת שטור זה מתכנס כאשר $\Re (s)>0$. זה מוביל לסתירה כי:

$$\zeta _{\chi }(1/2)=\sum _{n=1}^{\infty }c_{n}n^{-{\frac {1}{2}}}\geq \sum _{k=1}^{\infty }c_{k^{2}}(k^{2})^{-{\frac {1}{2}}}\geq \sum _{k=1}^{\infty }k^{-1}=\infty$$

הוכחה אלמנטרית

הדגמה של שיטת ההיפרבולה של דיריכלה ישנן 3 תמונות בגלריה. ניתן להקיש על תמונה להגדלתה

אנימציה המדגימה איך לקבל קירוב אסימפטוטי של הטור

$$\sum _{n=1}^{x}n^{-1/2}$$

ההוכחה האלמנטרית מתבססת על שיערוך הטור

$$\sum _{n=1}^{x}c_{n}n^{-1/2},$$

כאשר $x$ גדול. ראשית מקבלים חסם מלרע:

$$\sum _{n=1}^{x}c_{n}n^{-1/2}\geq \sum _{n=1}^{\sqrt {x}}n^{-1}={\frac {\ln(x)}{2}}+O(1)$$

לאחר מכן משתמשים בפירוק

$$\sum _{n=1}^{x}c_{n}n^{-1/2}=\sum _{kl<x}k^{-1/2}\chi (l)l^{-1/2}$$

המבוסס על הפירוק

$$\zeta _{\chi }(s)=\zeta (s)L(s,\chi )$$

ובשיטת ההיפרבולה של דיריכלה כדי לקבל שיערוך אסימפטוטי של הסכום

$$\sum _{n=1}^{x}c_{n}n^{-1/2}.$$

לשם כך יש לקבל את השיערוכים האסימפטוטיים הבאים:

$$\sum _{n=1}^{x}\chi (n)n^{-1}=L(1,\chi )+O(1/x)$$

$$\sum _{n=a}^{b}\chi (n)n^{-s}=O(a^{-s})$$

$$\sum _{n=1}^{x}n^{-1/2}=2{\sqrt {x}}+\alpha +O\left({\frac {1}{\sqrt {x}}}\right)$$

כאשר $\alpha$ קבוע מתאים. כל אלה נותנים את השיערוך

$$\sum _{n=1}^{x}c_{n}n^{-1/2}=2{\sqrt {x}}L(1,\chi )+O(1)$$

כך שאם $L(1,\chi )=0$ זה מוביל לסתירה עם החסם מלרע.

המקרה הלא ממשי

קל למדי להתאים את ההוכחה שמשתמשת באנליזה מרוכבת לכל קרקטר $\chi$. ההוכחה האלמנטרית נהיית מסורבלת בהרבה אם מנסים להתאימה לקרקטר כללי, כך שהדבר לא נעשה מכיוון שהוא מיותר.

הוכחות אלגבריות

ערכים מורחבים – נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה, נוסחת מספר המחלקה של דדקינד

כאמור, אין הוכחות אלגבריות לחלוטין למשפט דיריכלה. אולם ישנן הוכחות הדומות באופיין להוכחות האלגבריות למעלה להתבדרות $\zeta _{\chi }(1)$, או באופן שקול לעובדה שיש הרבה ראשוניים המקיימים $\chi (p)=1$. היתרונות בהוכחות האלגבריות הוא שהן מפורשות יותר ונותנות נוסחה מפורשת לערך $L(1,\chi )$ כאשר $\chi$ הוא קרקטר ממשי. נוסחה זאת נקראת נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה.

גישה אלמנטרית

הרעיון הוא למצוא פולינום כך שחלק ניכר מהמחלקים הראשוניים של ערכיו (בנקודות שלמות) יקיימו $\chi (p)=1$. אולם הפעם לא די בכך, מכיוון שאנו צריכים שלפולינום יהיו די ערכים כדי לגרור את התבדרות הטור המתאים. לכן זה צריך להיות פולינום במספר משתנים, מכיוון שקבוצת הערכים של פולינום לא ליניארי ממשתנה אחד דלילה מידי.

מתברר שהפולינום המתאים הוא $f(k,l)=k^{2}+dl^{2}$ כאשר $d$ מספר שלם מסוים התלוי ב$\chi$ (עד כדי כפל בסימן וב-2 זה המנחה של $\chi$). הנקודה המרכזית בחלק זה של ההוכחה היא הלמה הבאה:

למה
לכל קרקטר ממשי $\chi$ קיים שלם $d$ כך שלכול שני שלמים $k,l$ כל מחלק $p$ של $k^{2}+dl^{2}$ כך ש $p^{2}$ לא מחלק את $k^{2}+dl^{2}$ מקיים $\chi (p)=1$.

למה זאת איננה פשוטה כלל, והוכחתה משתמשת בהדדיות ריבועית. עם זאת ניתן להוכיח אותה בצורה אלמנטרית ואלגברית לחלוטין.

כדי להשלים את ההוכחה, די להראות כי יש אחוז חיובי של מספרים מהצורה $k^{2}+dl^{2}$ עד גודל $N$ מסוים. אינטואיטיבית הדבר די ברור. הרי אם $k,l$ הם בטווח $[-x,x]$ אז מספר האפשרוית ל $k^{2}+dl^{2}$ הוא כ-$4x^{2}$ והם כולם קטנים (בערכם המוחלט) מ- $O(x^{2})$. אולם מכיוון שהפולינום $f$ איננו פונקציה חח"ע זאת אינה הוכחה. כדי לקבל הוכחה יש לחסום את מספר הזוגות השונים שנותנים את אותו הערך בהצבה ל-$f$. בפרט יש להבין את פתרונות המשוואה

$$k^{2}+dl^{2}=1.$$

כאשר $d$ חיובי זאת משימה קלה מאוד. כאשר $d$ שלילי, משוואה זאת נקראת משוואת פל וניתוחה מצריך עבודה מסוימת.

ניתן להביא טיעון זה לידי הוכחה ריגורוזית, אך הדבר קשה מבחינה טכנית. הוכחתו המקורית של דיריכלה הייתה לאורך קווים אלו. דדקינד פיתח שיטה אלגנטית ופשוטה להציג טיעון זה באמצעות כלים מתקדמים יותר מתורת המספרים האלגברית.

גישה המשתמשת בתורת המספרים האלגברית

בהינתן שדה מספרים $k$ (ז.א. הרחבה סופית של $\mathbb {Q}$), ניתן להגדיר את חוג השלמים בו $O_{k}$ להיות חוג כל איברי $k$ המהווים שלמים אלגבריים. פונקציית זטא של דדקינד של השדה $k$ מוגדרת כך:

$$\zeta _{k}(s):=\sum _{I\triangleleft O_{k}}|O_{k}/I|^{-s},$$

כאשר הסכום הוא על כל האידיאלים ב $O_{k}$. דדקינד הוכיח כי (עד כדי מודיפיקציה קלה) פונקציה זאת שווה לפונקציה $\zeta _{\chi }$ עם בוחרים את $k$ להיות הרחבה ריבועית מסוימת של $\mathbb {Q}$ המתאימה ל-$\chi$. טענה זאת היא גרסה מתקדמת של הלמה למעלה, והוכחתה משתמשת בפריקות יחידה לאידיאלים בחוגי דדקינד ובהדדיות ריבועית.

כעת נותר להוכיח את ההתבדרות של $\zeta _{k}$ בנקודה 1. לשם כך נשים לב ש:

$$\zeta _{k}(s)\geq {\bar {\zeta }}_{k}(s):=\sum _{\langle a\rangle \triangleleft O_{k}}|O_{k}/\langle a\rangle |$$

כאשר הסכום הוא על כל האידיאלים הראשיים ב $O_{k}$ (ז.א. אידיאלים הנוצרים על ידי איבר אחד). לכן די להוכיח ש:

$${\bar {\zeta }}_{k}(1)=\infty .$$

קל לרארת ש:

$$|O_{k}/\langle a\rangle |=||a||$$

כאשר $||a||$ הוא הערך המוחלט של נורמת גלואה של $a$. כמו כן, קל לראות ש $\langle a\rangle =\langle b\rangle$ אם"ם ${\frac {a}{b}}\in O_{k}^{\times }$ כאשר $O_{k}^{\times }$ מסמן את חבורת האיברים ההפיכים ב $O_{k}$. מכאן מקבלים ש:

$${\bar {\zeta }}_{k}(1)=\sum _{a\in O_{k}/O_{k}^{\times }}||a||^{-1}.$$

במקרה ש $k/\mathbb {Q}$ היא הרחבה ריבועית החוג $O_{k}$ איזומורפי כחבורה אבלית לסריג $\mathbb {Z} ^{2}$. הפונקציה $||\cdot ||$ היא (ערך מוחלט של) פונקציה ריבועית על סריג זה. החבורה $O_{k}^{\times }$ היא חבורה סופית (במקרה שההרחבה $k/\mathbb {Q}$ היא מרוכבת) או חבורה ציקלית חופשית המתוארת על ידי משוואת פל (במקרה שההרחבה $k/\mathbb {Q}$ היא ממשית). לכן קל למדי להראות את התבדרות הטור ${\bar {\zeta }}_{k}(1)$ ובכך לסיים את הוכחת המשפט.

ניתן גם לנתח באופן מדויק את האסימפטוטיקה של $\zeta _{k}(s)$ כאשר $s\to 1$. לשם כך יש להעריך את היחס $\zeta _{k}(s)/{\bar {\zeta }}_{k}(s)$. במילים אחרות צריך להבין מהוא חלקם של האידיאלים הראשיים מתוך כלל האידיאלים. חלק זה נמדד באמצעות חבורת המחלקה שגודלה נקרא מספר המחלקה של $k$. מכיוון שהאסימפטוטיקה של $\zeta _{k}(s)$ כאשר $s\to 1$ קשורה בקשר ישיר לערך $L(1,\chi )$, אנו מקבלים נוסחה הקושרת ערך זה למספר המחלקה. נוסחה זאת נקראת נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה. נוסחה זאת גוררת באופן מידי את אי-ההתאפסות $L(1,\chi )\neq 0$

הערות:

• הניסוח המקורי של דיריכלה לנוסחת מספר המחלקה לא משתמש במספר המחלקה של השדה $k$, אלא במספר המחלקה של תבנית ריבועית מתאימה. זהו מושג שפיתח גאוס ומהווה גרסה מוקדמת למספר המחלקה של שדה מספרים.
• נוסחת מספר המחלקה כוללת גם את המנחה $m$ של $\chi$ ומידע על חבורת האיברים ההפיכים $O_{k}^{\times }$.
• אומנם דיריכלה השתמש בנוסחת המחלקה כדי לקבל מידע על הערך $L(1,\chi )$ באמצעות מספר המחלקה, אבל רוב השימשים המודרניים לנוסחת המחלקה הם בכיוון ההפוך. זאת מכיוון שחישוב מספר המחלקה איננה משימה פשוטה, בעוד שחישוב של $L(1,\chi )$ עבור קרקטר $\chi$ נתון היא משימה פשוטה למדי. למעשה די לשערך את $L(1,\chi )$ ואין צורך לחשב אותו במדויק, מכיוון שמספר המחלקה תמיד שלם ולכן נוסחת מספר המחלקה כופה מגבלות על הערך $L(1,\chi )$. במקרה של דיריכלה המצב היה הפוך מכיוון שהוא התעניין בתצאה כללית על אי-התאפסות, כך שלא די בשיטות חישוב לקרקטר נתון. מאידך אי התאפסות של מספר המחלקה מובנת מההגדרה.

המקרה הלא ממשי

ניתן להתאים את ההוכחות האלגבריות למקרה הלא ממשי. את מקומה של ההרחבה הריבועית $k$, תתפוס ההרחבה הציקלוטומית $\mathbb {Q} \langle {\sqrt[{m}]{1}}\rangle$. פונקציית זטא של דדקינד של הרחבה זאת נותנת (לאחר מודיפיקציה קלה) את הפונקציה $\zeta _{m}(s)$ שהוגדרה מעלה, שהיא מכפלת כל פונקציות ה-$L$ של דיריכלה עם קרקטרים בעלי מנחה $m$. טענה זאת נובעת מפריקות יחידה לאידיאלים ראשוניים בחוג דדקינד, בדומה לטענות למעלה. במובן מסוים טענה זאת פשוטה יותר מכיוון שאיננה משתמשת בהדדיות ריבועית. דבר זה אינו מפתיע, מכיוון שאחת ההוכחות של ההדדיות הריבועית משתמשת בסכום גאוס המראה שניתן לשכן כל הרחבה ריבועית להרחבה ציקלוטומית. כך שאם מלכתחילה אנו עובדים עם הרחבה ציקלוטומית חלק זה נחסך מאיתנו.

כדי להשלים את ההוכחה בגישה זאת, נותר להראות שפונקציית זטא של דדקינד של הרחבה ציקלוטומית מתבדרת ב $s=1$. למעשה פונקציית זטא של דדקינד של כל שדה מספרים מתבדרת ב $s=1$. ההוכחה של טענה זאת דומה להוכחה למקרה של הרחבה ריבועית, אך מסובכת יותר, מכיוון שבמקום ניתוח משוואת פל יש לנתח את חבורת האיברים ההפיכים בחוג השלמים בשדה מספרים כללי. ניתוח זה מהווה את משפט היחידות של דיריכלה.

גם כאן ניתן לקבל מידע מדויק יותר לגבי האסימפטוטיקה של פונקציית זטא של דדקינד ב $s=1$. ספציפית עבור כל שדה מספרים $k$ אפשר להביע את הגבול $\lim _{s\to 1}(s-1)\zeta _{k}(s)$ באמצעות מספר המחלקה של $k$ ואינווריאנטים נומריים נוספים של $k$. קשר זה נקרא נוסחת המחלקה של דדקינד. בשונה מהמקרה הריבועי, הגבול $\lim _{s\to 1}(s-1)\zeta _{k}(s)$ איננו ערך של פונקציית $L$ מסוימת. אולם אם $k$ הרחבה ציקלוטומית אז גבול זה שווה (עד כדי מודיפיקציה קלה) למכפלה

$$\prod _{\chi \in {\widehat {\mathbb {Z} |_{m}^{\times }}}\smallsetminus 1}L(1,\chi ).$$

באופן מפורש יותר אפשר לסכם את הגישה הזאת באמצעות הלמה הבאה:

למה
קיים פולינום במקדמים שלמים$f(n_{1},\dots ,n_{k})$ כך ש: כל מחלק ראשוני $p$ ערך $n$ של הפולינום $f$ כך ש $p^{2}$ לא מחלק את $n$ מקיים $p=1\mod m$. מספר הערכים של $p$ בטווח $0\dots x$ הוא (אסימפטוטית) $\Theta (x)$.

הפולינום $f$ הוא למעשה נורמת גלואה בחוג השלמים של הרחבה ציקלוטומית. זה פולינום מסובך למדי אך מפורש לחלוטין.

מלמה זאת קל להסיק את הגרסה הכמותית של משפט דיריכלה עבור הסדרה החשבונית $1+m\mathbb {N}$. כאמור גרסה זאת גוררת את משפט דיריכלה באופן כללי.

נשים לב כי הפולינום $f$ מההוכחה האלגברית האלמנטרית למעלה הוא צימצום של הפולימום $f$ כאן, לישר. כך שההוכחה כאן היא למעשה הרחבה של הארגומנט האלמנטרי עבור משפט דיריכלה לסדרה החשבונית $1+m\mathbb {N}$ כך שיתן גם חסם כמותי יעיל על צפיפות דיריכלה של הראשוניים על סידרה זאת.

סיכום

ניתן לתאר את רוב ההוכחות השונות לפי הסכמה ההבאה:

1. ההוכחות מתבססת על ניתוח הטור
   $$\sum _{p;\,p=a\mod m}{\frac {1}{p^{s}}}$$
   בנקודה s=1.
2. באמצעות התמרת פוריה דיסקרטית על החבורה $(\mathbb {Z} /nZ)^{\times }$ מפרקים טור זה לטורים מהסוג
   $$\sum _{p}{\frac {\chi (p)}{p^{s}}}$$
3. באמצעות מכפלת אוילר מקרבים טורים אלה עם הלוגריתם של פונקציית L של דיריכלה.
4. מכאן קל לבצע רדוקציה של משפט דיריכלה להתכנסות ואי-התאפסות של פונקציית L של דיריכלה בנקודה 1.
5. ההתכנסות של פונקציית L של דיריכלה קלה יחסית, כך שדי להוכיח את אי-ההתאפסות.
6. ניתן להראות את אי-ההתאפסות עבור קרקטרים לא ממשיים על ידי טיעון דיכוטומיה אנליטי, שלפיו אם פונקציית L כזאת מתאפסת בנקודה 1, אז גם פונקציית L נוספת צריכה להתאפס, ומכאן "שיש $-\infty$ ראשוניים בסדרה החשבונית $p=1\mod m$". שלב זה אינו הכרחי. אפשר להתאים את השלבים הבאים כך שלא יהיה צורך בשלב זה. אולם הדבר יסבך את ההוכחה, בדרך כלל.
7. אי-ההתאפסות של פונקציית L בנקודה 1, שקולה להתבדרות של פונקציית זטא של דדקינד מתאימה. חלק מההוכחות משתמשות בשקילות זאת וחלק לא. מדובר בהבדל שהוא אקספוזיציוני בעיקרו.
8. מכאן יש שתי גישות:
   • הגישה האלגברית: ניתן להעריך את קצב ההתבדרות של פונקציית זטא של דדקינד בנקודה 1 באמצעים אלגבריים, על ידי בנייות אלגבריות של מספרים ראשוניים שמקיימים תנאי קונגואנציה מתאים. ניתן לבצע הערכה כזאת בשפה קלאסית (בעזרת תבניות ריבועיות), או בשפה מודרנית יותר (בעזרת שדות מספרים). שיטה זאת מספקת נוסחאות לערכי פונקציית L ב-1: נוסחאת מספר המחלקה של דיריכלה ונוסחאת מספר המחלקה של דדקינד.
   • הגישה האנליטית: משתמשים בטיעון דיכוטומיה אנליטי שמראה שאם פונקציית זטא של דדקינד מתכנסת בנקודה 1 אז יש לה תכונות אנליטיות "טובות" נוספות, למשל התכנסות בנקודה 1/2. זה עומד בסתירה להתבדרות הטור ההרמוני. ניתן לממש גישה זאת באמצעות אנליזה מרוכבת, או אם מעט יותר מאמץ על ידי כלים אנליטיים אלמנטריים.

מספר הערות היסטוריות

1. המושג קרקטר דיריכלה הוגדר על ידי דדקינד. בהוכחה של דיריכלה, במקום לדבר על קרקטרים של חבורת אוילר, דיריכלה בחר יוצרים בלתי תלויים של חבורה זאת והתאים פונקציית L לכל בחירה של שורשי יחידה מתאימים עבור כל יוצר.
2. לפני שדיריכלה הוכיח את משפט דירכלה לסדרה חשבונית כללית, הוא הוכיח את המשפט לסדרה חשבונית עם הפרש ראשוני. הוא עשה זאת באמצעות הנוסחה המפורשר המתארת מעלה ל-$L(1,\chi )$ עבור קרקטר ממשי, ועל ידי הארגומנט האנליטי המתאר מעלה עבור קרקטר לא ממשי.
3. ההוכחה האנליטית האלמנטרית המתוארת בערך היא אחת מהוכחותיו של מרטנס.
4. ההוכחה באמצעות אנליזה מרוכבת המתוארת בערך היא אחת מהוכחותיו של לנדאו.

לקריאה נוספת

• The Development of Prime Number Theory From Euclid to Hardy and Littlewood מאת Władysław Narkiewicz. ספר המכיל סקירה היסטורית של הבעיה ואת הפתרון המקורי של דיריכלה.

קישורים חיצוניים

אנציקלופדיות

• משפט דיריכלה, באתר MathWorld (באנגלית)
• משפט דיריכלה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

בלוגים

• גדי אלכסנדרוביץ', משפט דיריכלה על סדרות חשבוניות, באתר "לא מדויק", 25 במאי 2009
• 254A, Notes 1: Elementary multiplicative number theory פוסט של טרי טאו על משפט דיריכלה (באנגלית).

וידאו

• סרטון של 3Blue1Brown המזכיר את משפט דיריכלה (באנגלית)
• משפט דיריכלה, באתר www.youtube.com, סדרת הרצאות בעברית על משפט דיריכלה.