Сигма-функцията e мултипликативна аритметична функция, дефинирана за всяко естествено число като сумата от неговите делители. Използва се означението: σ ( n ) {\displaystyle \sigma (n)\,} . Освен σ-функцията интерес за теорията на числата представляват σ*- и σx -функциите:
σ ∗ ( n ) = ∑ d | n d ≠ n d , σ x ( n ) = ∑ d | n d x {\displaystyle \sigma ^{*}(n)=\sum _{d|n \atop d\neq n}d,\qquad \sigma _{x}(n)=\sum _{d|n}d^{x}} При това означение[1] :
σ ( n ) = σ ∗ ( n ) + n = σ 1 ( n ) , {\displaystyle \sigma (n)=\sigma ^{*}(n)+n=\sigma _{1}(n),\,} а на τ-функцията може да се гледа като на частен случай на σx -функциите:
τ ( n ) = σ 0 ( n ) . {\displaystyle \tau (n)=\sigma _{0}(n).\,} Стойности За всяко просто число p {\displaystyle p\,} : σ x ( p ) = p x + 1 {\displaystyle \sigma _{x}(p)=p^{x}+1\,} σ x ( p α ) = p ( α + 1 ) x − 1 p x − 1 = ∑ i = 0 α p i x {\displaystyle \sigma _{x}(p^{\alpha })={\frac {p^{(\alpha +1)x}-1}{p^{x}-1}}=\sum _{i=0}^{\alpha }p^{ix}} За съставно n = ∏ i = 1 m p i α i {\displaystyle n=\prod _{i=1}^{m}p_{i}^{\alpha _{i}}} : σ x ( n ) = ∏ i = 1 m σ ( p i α i x ) = ∏ i = 1 m p ( α i + 1 ) x − 1 p i x − 1 = ∏ i = 1 m ∑ k = 0 α i p i k x {\displaystyle \sigma _{x}(n)=\prod _{i=1}^{m}\sigma (p_{i}^{\alpha _{i}x})=\prod _{i=1}^{m}{\frac {p^{(\alpha _{i}+1)x}-1}{p_{i}^{x}-1}}=\prod _{i=1}^{m}\sum _{k=0}^{\alpha _{i}}p_{i}^{kx}} Таблица на стойностите за n<100 σ ( n ) {\displaystyle \sigma (n)} +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 0+ 1 3 4 7 6 12 8 15 13 1+ 18 12 28 14 24 24 31 18 39 20 2+ 42 32 36 24 60 31 42 40 56 30 3+ 72 32 63 48 54 48 91 38 60 56 4+ 90 42 96 44 84 78 72 48 124 57 5+ 93 72 98 54 120 72 120 80 90 60 6+ 168 62 96 104 127 84 144 68 126 96 7+ 144 72 195 74 114 124 140 96 168 80 8+ 186 121 126 84 224 108 132 120 180 90 9+ 234 112 168 128 144 120 252 98 171 156
Свойства Алгебрични свойства В пръстена на аритметичните функции σ-функцията е елемент от подгрупата на мултипликативните функции, като [2] : σ x = ι 0 ∗ ι x . {\displaystyle \sigma _{x}=\iota _{0}*\iota _{x}.\,} Инверсните елементи на σx -функциите в тази група са функциите[3] :
( σ x − 1 ) ( p k ) = { 1 , k = 0 − 1 − p x , k = 1 p x , k = 2 0 , k > 2 {\displaystyle \left(\sigma _{x}^{-1}\right)(p^{k})={\begin{cases}1{\text{,}}&k=0\\-1-p^{x}{\text{,}}&k=1\\p^{x}{\text{,}}&k=2\\0{\text{,}}&k>2\end{cases}}} Може да се покаже[3] , че σ x − 1 = ( ι x μ ) ∗ μ {\displaystyle \sigma _{x}^{-1}=(\iota _{x}\mu )*\mu \,} , a в частния случай x = 0 {\displaystyle x=0} : σ 0 − 1 = μ 2 {\displaystyle \sigma _{0}^{-1}=\mu ^{2}\,} , както и[2] : σ − x = ι − x σ x . {\displaystyle \sigma _{-x}=\iota _{-x}\sigma _{x}.\,}
Редове на Дирихле Следствие от зависимостта σ x = ι 0 ∗ ι x {\displaystyle \sigma _{x}=\iota _{0}*\iota _{x}\,} е тъждеството за представяне на реда на Дирихле: ∑ n = 1 ∞ σ x ( n ) n s = ζ ( s ) ⋅ ζ ( s − x ) {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sigma _{x}(n)}{n^{s}}}=\zeta (s)\cdot \zeta (s-x)} За комплексни z {\displaystyle z} такива, че реалните части на z {\displaystyle z} , z − x {\displaystyle z-x} , [4] : ∑ n = 1 ∞ σ x ( n ) σ y ( n ) n z = ζ ( z ) ζ ( z − x ) ζ ( z − y ) ζ ( z − x − y ) ζ ( 2 z − x − y ) {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sigma _{x}(n)\sigma _{y}(n)}{n^{z}}}={\frac {\zeta (z)\zeta (z-x)\zeta (z-y)\zeta (z-x-y)}{\zeta (2z-x-y)}}} Осреднена стойност на σ-функциите За осреднената стойност на σx -функциите са доказани (за s>1) приблизителните оценки[5] , [6] , [7] :
∑ n ≤ s σ x ( n ) = { π 2 12 s 2 + O ( s ln s ) , x = 1 ζ ( x + 1 ) x + 1 s x + 1 + O ( s max { 1 , x } ) , x > 0 , x ≠ 1 π 2 6 s + O ( ln s ) , x = − 1 ζ ( 1 − x ) s + O ( s max { 0 , 1 + x } ) , x < 0 , x ≠ − 1 {\displaystyle \sum _{n\leq s}\sigma _{x}(n)={\begin{cases}{\frac {\pi ^{2}}{12}}s^{2}+O(s\ln s){\text{,}}&x=1\\{\frac {\zeta (x+1)}{x+1}}s^{x+1}+O\left(s^{\max\{1,x\}}\right){\text{,}}&x>0,\ x\neq 1\\{\frac {\pi ^{2}}{6}}s+O(\ln s){\text{,}}&x=-1\\\zeta (1-x)s+O\left(s^{\max\{0,1+x\}}\right){\text{,}}&x<0,\ x\neq -1\end{cases}}} {\displaystyle } Други осреднени стойности Нека m {\displaystyle m} е цяло число по-голямо от единица, а f m ( s ) {\displaystyle f_{m}(s)} да са дефинирани както следва: f m ( s ) = 1 s m ( ∑ n ≤ s σ m ( n ) − s m + 1 k + 1 ζ ( m + 1 ) ) . {\displaystyle f_{m}(s)={\frac {1}{s^{m}}}\left(\sum _{n\leq s}\sigma _{m}(n)-{\frac {s^{m+1}}{k+1}}\zeta (m+1)\right).} В сила е:[8] lim sup s → ∞ f m ( s ) = 1 2 ζ ( m ) {\displaystyle \limsup _{s\rightarrow \infty }f_{m}(s)={\frac {1}{2}}\zeta (m)} lim inf s → ∞ f m ( s ) = − 1 2 ζ ( m ) {\displaystyle \liminf _{s\rightarrow \infty }f_{m}(s)=-{\frac {1}{2}}\zeta (m)} ∑ n ≤ s σ − 1 ( n ) = π 2 6 s − 1 2 ln s + O ( ln 2 / 3 s ) {\displaystyle \sum _{n\leq s}\sigma _{-1}(n)={\frac {\pi ^{2}}{6}}s-{\frac {1}{2}}\ln s+O(\ln ^{2/3}s)} ∑ n ≤ s σ x 2 ( n ) = ζ ( 2 x + 1 ) ζ 2 ( x + 1 ) ( 2 x + 1 ) ζ ( 2 x + 2 ) s 2 x + 1 + { O ( s 2 x ) , x > 1 O ( s 2 ln 5 / 3 s ) , x = 1 O ( s 3 / 2 ln 2 s ) , x = 1 2 O ( s x + 1 ln s ) , x < 1 , x ≠ 1 2 {\displaystyle \sum _{n\leq s}\sigma _{x}^{2}(n)={\frac {\zeta (2x+1)\zeta ^{2}(x+1)}{(2x+1)\zeta (2x+2)}}s^{2x+1}+{\begin{cases}O(s^{2x}){\text{,}}&x>1\\O(s^{2}\ln ^{5/3}s){\text{,}}&x=1\\O(s^{3/2}\ln ^{2}s){\text{,}}&x={\frac {1}{2}}\\O(s^{x+1}\ln s){\text{,}}&x<1,\ x\neq {\frac {1}{2}}\end{cases}}} За полиноми f ( n ) {\displaystyle f(n)} с цели коефициенти и x ∈ [ − 1 ; 0 ) {\displaystyle x\in [-1;0)} е в сила:[14] , [15] ∑ n ≤ s f ( n ) ≠ 0 σ x ( f ( n ) ) = c f ( x ) s + O ( s 1 + x ln C s ) {\displaystyle \sum _{n\leq s \atop f(n)\neq 0}\sigma _{x}(f(n))=c_{f}(x)s+O(s^{1+x}\ln ^{C}s)} Тук C {\displaystyle C} е константа, а c f ( x ) = ∑ k = 1 ∞ ∑ k | f ( n ) 0 < n ≤ k k x − 1 . {\displaystyle c_{f}(x)=\sum _{k=1}^{\infty }\sum _{{k|f(n)} \atop {0<n\leq k}}k^{x-1}.} За 0 < x < 1 {\displaystyle 0<x<1} :[16] ∑ m , n ≤ s σ x ( n 2 + m 2 ) = s 2 + 2 x ⋅ ∫ 0 1 ∫ 0 1 ( t 2 + u 2 ) x d t d u + O ( s 2 + x ln s ) {\displaystyle \sum _{m,n\leq s}\sigma _{x}(n^{2}+m^{2})=s^{2+2x}\cdot \int _{0}^{1}\int _{0}^{1}(t^{2}+u^{2})^{x}\mathrm {d} t\mathrm {d} u+O(s^{2+x}\ln s)} Неравенства Оценки на σ(n) Графично представяне на поведението на σ-функцията За всяко n {\displaystyle n} различно от 1,2,3,4,6 и 8 е изпълнено (неравенство на Анапурна), [17] , [18] : σ ( n ) < 6 π 2 ⋅ n 3 2 {\displaystyle \sigma (n)<{\frac {6}{\pi ^{2}}}\cdot n^{\frac {3}{2}}} За всяко съставно n {\displaystyle n} (неравенство на Серпински)[19] , [18] , [20] : σ ( n ) > n + n 1 2 {\displaystyle \sigma (n)>n+n^{\frac {1}{2}}} За всяко n > 30 {\displaystyle n>30} e в сила: σ ⊥ ( n ) < 28 15 ⋅ n ln ln n . {\displaystyle \sigma ^{\perp }(n)<{\frac {28}{15}}\cdot n\ln \ln n.} [21] Оценки σ(n)/n σ − 1 ( n ) < 2 1 − ( n mod 2 ) ( 3 2 ) ω ( n ) {\displaystyle \sigma _{-1}(n)<2^{1-(n{\bmod {2}})}\left({\frac {3}{2}}\right)^{\omega (n)}} където ω ( n ) {\displaystyle \omega (n)} представлява броят на различните прости делители на n {\displaystyle n} .[24] Връзка между σ(n) и 4φ(n) Нека n {\displaystyle n} e четно и 4 φ ( n ) = σ ( n ) {\displaystyle 4\varphi (n)=\sigma (n)} . Тогава[25] : 4 n ≤ σ ( 2 n ) {\displaystyle 4n\leq \sigma (2n)} Нека n {\displaystyle n} e нечетно и φ ( n ) ≤ σ ( n ) {\displaystyle \varphi (n)\leq \sigma (n)} . Тогава[25] : 4 n < σ ( 2 n ) {\displaystyle 4n<\sigma (2n)\,} Нека с P ( n ) {\displaystyle P(n)} е означен най-големият прост делител на n {\displaystyle n} . В сила е:[26] σ ( n ) ≤ 4 ( n mod 2 ) φ ( n ) P ( n ) {\displaystyle \sigma (n)\leq 4^{(n{\bmod {2}})}\varphi (n)P(n)} Други неравенства За всеки две цели числа m {\displaystyle m} и n {\displaystyle n} по-големи от единица:[27] σ ( m n ) > σ ( n ) + σ ( m ) {\displaystyle \sigma (mn)>\sigma (n)+\sigma (m)\,} За всяко съставно n {\displaystyle n} :[28] σ ( n ) Ω ( n ) ≤ n , {\displaystyle {\frac {\sigma (n)}{\Omega (n)}}\leq n,} където Ω ( n ) {\displaystyle \Omega (n)} е броят на простите делители на n {\displaystyle n} .[24]
σ ( n ) ≤ 1 2 ( n + 1 ) σ 0 ( n ) {\displaystyle \sigma (n)\leq {\frac {1}{2}}(n+1)\sigma _{0}(n)} като равенството е изпълнено тогава и само тогава когато n {\displaystyle n} e просто число . За всеки две естесвени n {\displaystyle n} и m {\displaystyle m} (неравенство на Сиварамакришнан-Венкатараман)[19] : σ m ( n ) ≥ n m 2 ⋅ σ 0 ( n ) {\displaystyle \sigma _{m}(n)\geq n^{\frac {m}{2}}\cdot \sigma _{0}(n)} Може да се докаже и следното неравенство: ∑ n ≤ s σ − 1 2 ( n ) ≤ s ⋅ ζ 2 ( 3 2 ) {\displaystyle \sum _{n\leq s}\sigma _{-1}^{2}(n)\leq s\cdot \zeta ^{2}\left({\frac {3}{2}}\right)} [30] , [31] Други свойства ∑ n = 1 m σ ( n ) = ∑ n = 1 m n ⋅ [ m n ] {\displaystyle \sum _{n=1}^{m}\sigma (n)=\sum _{n=1}^{m}n\cdot \left[{\frac {m}{n}}\right]} [30] n σ ( n ) ≡ 2 mod φ ( n ) ⇒ n ∈ { 4 , 6 , 22 } ∪ { p : p p r i m e } {\displaystyle n\sigma (n)\equiv 2\ {\bmod {\ \varphi (n)}}\Rightarrow n\in \{4,\ 6,\ 22\}\cup \{p:p\ \mathrm {prime} \}} [32] C a r d ( { m : m ≤ n ; σ ( m ) ≡ a ( mod m ) } ) = O ( n ln n ) {\displaystyle Card(\{m:m\leq n;\ \sigma (m)\equiv a({\bmod {m}})\})=O\left({\frac {n}{\ln n}}\right)} [33] Функцията f : R → R {\displaystyle f:\mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} } f ( λ ) = lim s → ∞ 1 s ⋅ C a r d ( { n : λ ≤ σ − 1 ( n ) ; n ≤ s } ) {\displaystyle f(\lambda )=\lim _{s\rightarrow \infty }{\frac {1}{s}}\cdot Card(\{n:\lambda \leq \sigma _{-1}(n);\ n\leq s\})} е дефинирана и непрекъсната във всяка реална точка λ.[34] Приложения σ-функцията, както и останалите мултипликативни аритметични функции (по-сп. τ-, φ- , μ- , ψ- , а също така немултипликативните Λ- , Ω- и ω- функции), са от повече от век обект на интензивни изследвания поради връзката им (чрез редовете на Дирихле) с ζ-функцията и поради свързаните с евентуални нови резултати около тях надежди за решаване на шестия „проблем на хилядолетието“ (доказателство на хипотезата на Риман ) или за поне частични успехи по други все още незадоволително решени въпроси от теорията на числата .
През 1915 Ингам дава елегантно доказателство за липсата на нули на ζ-функцията по оста R e [ z ] = 1 {\displaystyle Re[z]=1} използвайки формулата на Рамануджан и по-специално частния ѝ случай:[35]
∑ n = 1 ∞ σ 0 2 ( n ) n z = ζ 4 ( z ) ζ ( 2 z ) . {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sigma _{0}^{2}(n)}{n^{z}}}={\frac {\zeta ^{4}(z)}{\zeta (2z)}}.} Значението на изследването на σ-функцията показва доказаната от Робин зависимост: хипотезата на Риман е вярна тогава и само тогава, когато неравенството
( # ) f ( n ) = σ ( n ) n ln ln n < e γ , {\displaystyle (\#)\qquad f(n)={\frac {\sigma (n)}{n\ln \ln n}}<e^{\gamma },\,} е вярно за всяко n > 5040 {\displaystyle n>5040} , където γ = 0.5772... {\displaystyle \gamma =0.5772...} е константата на Ойлер – Маскерони . Най-дорият известен резултат в тази посока е на Ердьош (1989):[36]
f ( n ) < e γ − 2 2 − 2 − γ + ln ( 4 π ) ln 1 2 n ⋅ ln ln n + O ( ln − 1 2 n ⋅ ln − 2 ln n ) . {\displaystyle f(n)<e^{\gamma }-{\frac {2{\sqrt {2}}-2-\gamma +\ln(4\pi )}{\ln ^{\frac {1}{2}}n\cdot \ln \ln n}}+O(\ln ^{-{\frac {1}{2}}}n\cdot \ln ^{-2}\ln n).} Появата на константата e γ {\displaystyle e^{\gamma }} в тези неравенства не е случайна. Още през 1913 е доказано, че
lim sup n → ∞ f ( n ) = e γ . {\displaystyle \limsup _{n\rightarrow \infty }f(n)=e^{\gamma }.\,} тоест, че дадената в неравенството (#) горна граница за f ( n ) {\displaystyle f(n)} не може да бъде подобрена (теорема на Грьонвал (Гронуол)).
Еквивалентно с верността на хипотезата на Риман е и неравенството[37]
σ ( n ) ≤ H n + e H n ⋅ ln H n , {\displaystyle \sigma (n)\leq H_{n}+e^{H_{n}}\cdot \ln H_{n},} където { H } n {\displaystyle \{H\}_{n}} е редицата на хармоничните числа. Хипотезата на Оре дава връзка между σ-функцията и друг костелив проблем от теория на числа: въпроса за съществуването на нечетни съвършени числа .
Интересни приложения на σ-функцията в адитивната теория на числата показва теоремата на Якоби (броят на различните представяния на n {\displaystyle n} като сума от четири квадрата е равен на 8 σ ( n ) − 32 σ ( n / 4 ) {\displaystyle 8\sigma (n)-32\sigma (n/4)} за n {\displaystyle n} кратно на четири и на 8 σ ( n ) {\displaystyle 8\sigma (n)} в противен случай[3] , [19] ). Теоремата на Якоби и асимптотичната оценка за средната стойност на σx -функциите позволяват да се изследват проблеми от геометричната теория на числата. С тяхна помощ може например да се покаже, че броят на точки с цели координати в n − {\displaystyle n-} мерно кълбо с радиус r {\displaystyle r} e равен (за n > 3 {\displaystyle n>3} ) на V ( r ) r n / 2 + O ( r ( r − 1 ) / 2 ln r ) {\displaystyle V(r)r^{n/2}+O(r^{(r-1)/2}\ln r)} , където с V ( r ) {\displaystyle V(r)} е означен обема на кълбото[19] .
Обобщения и специални случаи σ-функцията може да се обобщи и за гаусовите цели числа като:
σ ( z ) = ∏ i = 1 k π α i + 1 − 1 π i − 1 {\displaystyle \sigma (z)=\prod _{i=1}^{k}{\frac {\pi ^{\alpha _{i}+1}-1}{\pi _{i}-1}}} където { π i } i = 1 , . . . , N {\displaystyle \{\pi _{i}\}_{i=1,...,N}\,} са прости делители на z {\displaystyle z} , такива, че Re [ π i ] > 0 {\displaystyle \operatorname {Re} [\pi _{i}]>0} , Im [ π i ] ≥ 0 {\displaystyle \operatorname {Im} [\pi _{i}]\geq 0} за всяко i = 1 , . . . , N {\displaystyle i=1,...,N\,} и
z = ε ∏ i = 1 k π α i {\displaystyle z=\varepsilon \prod _{i=1}^{k}\pi ^{\alpha _{i}}} за някой единичен елемент ε . {\displaystyle \varepsilon .\,} [38] , [18]
Бележки Външни препратки