A Riemann-Siegel zeta függvény kiugró értékeinek keresése. A matematikai egyik legnehezebb problémája, avagy a prímszámok misztériuma



Hasonló dokumentumok
Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Számelmélet I.

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE

Keresleti és kínálati függvény. Minden piacnak van egy keresleti és egy kínálati oldala, amelyeket a normatív közgazdaságtanban

MÉRÉSI EREDMÉNYEK PONTOSSÁGA, A HIBASZÁMÍTÁS ELEMEI

Szakdolgozat. Készítette: Csuka Anita. Témavezető: Besenyei Ádám, adjunktus

4. Számelmélet, számrendszerek

LOGISZTIKUS REGRESSZIÓS EREDMÉNYEK ÉRTELMEZÉSE*

Malárics Viktor A szám fraktál

II. RÉSZ A TÖMEGTÁRSADALMAK KEMÉNY TÖRTÉNELME (A tömegtársadalmak mechanikája és termodinamikája az időben)

Változások az Országos kompetenciamérés skáláiban

MATEMATIKA A 10. évfolyam

Dr. Tóth László Hány osztója van egy adott számnak? április

HARDVER- ÉS SZOFTVERRENDSZEREK VERIFIKÁCIÓJA

k=1 k=1 találhatjuk meg, hogy az adott feltétel mellett az empirikus eloszlás ennek az eloszlásnak

Kockázati modellek (VaR és cvar)

Kezdők és Haladók (I., II. és III. kategória)

Tisztelt tudománnyal foglalkozók és tudomány iránt érdeklődők! Kedves Ünneplő Vendégeink!

A JÓ ÍRÓK JÓ OLVASÓK- IGAZ-E EZ A SZÁMÍTÓGÉPES PROGRAMOZÁS TERÜLETÉN IS?

OPERÁCIÓKUTATÁS. No. 2. Komáromi Éva LINEÁRIS PROGRAMOZAS

P, NP, NP-C, NP-hard, UP, RP, NC, RNC

Halász Gábor A pedagógiai rendszerek általános hatás- és beválás vizsgálati rendszere

Berzsenyi Dániel Gimnázium. Matematika helyi tanterv Fizika tagozat évfolyam

Országos kompetenciamérés Országos jelentés

A geometriák felépítése (olvasmány)

MUNKAANYAG. Gábler Gergely. Befektetési lehetőségek elemzése. A követelménymodul megnevezése: Pénzügyi feladatok

2010-es új öregségi és öregségi jellegű nyugdíjasok vizsgálata

"Ha" - avagy a Gödel paradoxon érvényességének korlátai

Euler kör/út: olyan zárt/nem feltétlenül zárt élsorozat, amely a gráf minden élét pontosan egyszer tartalmazza

SZÁMELMÉLET FELADATSOR

Átírás:

A Riemann-Siegel zeta függvény kiugró értékeinek keresése A matematikai egyik legnehezebb problémája, avagy a prímszámok misztériuma 2013

A probléma fontossága és hatása a hétköznapi életre A prímszámok az egyik legfontosabb építőkövei a matematikának. Prímszámoknak nevezzük azokat az egynél nagyobb egész számokat, amelyeknek pontosan két osztójuk van: 1 és önmaga. Az első néhány prím tehát a 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19. Már időszámításunk előtt 300-ban Eukleidész elemi módszerekkel bizonyította, hogy a prímszámok végtelen sokan vannak, így a fenti sorozatnak nincsen legnagyobb eleme. A 18. században Gauss híres sejtése volt, hogy sikeres becslést adott a prímszámok számára x-ig. 1 millióig például 78.498 prím található. Gauss becslésével amely az x/ ln(x) képlettel írható le 72382 prímet kapunk, amely 92%-os pontosságot jelent. Minél nagyobb számot választunk, az érték egyre jobban közelíti a tényleges értéket. Ez a híres prímszámtétel, amelyet majd 1 évszázaddal később sikerült csak bizonyítani. További sok összefüggést sikerült a prímekről bizonyítani az évszázadok során, azonban azt megérteni, hogy milyen szabályszerűséget követve bukkannak fel az egész számok között, nem sikerült tisztázni. A Riemann-zeta függvény szoros összefüggésbe hozható a prímekkel. A matematikai egyik legfontosabb máig megoldatlan sejtése a Riemann-hipotézis, amelynek egyik megfogalmazása azt állítja, hogy a Riemann-zeta függvény gyökeinek szabálytalan eloszlása megegyezik a prímszámok eloszlásával. A sejtés tehát a prímszámok teljes szabályszerű eloszlását állítja, amelynek megoldása hatalmas áttörés lenne a prímszámelméletben. A prímszámok jelen vannak az élet minden területén. Amikor e-mailt küldünk, vagy biztonságos webkapcsolatot létesítünk, vagy éppen a bankkártyás fizetés során. Az egyik legelterjedtebb titkosító algoritmus az RSA, hatalmas prímszámok szorzatát használja fel titkosításhoz. A rejtjelrendszer biztonságát az adja, hogy nem ismert hatékony algoritmus nagy egész számok prímtényezőire bontására. Milyen hatása lehet egy tisztán matematikai kutatásnak a hétköznapi életben? A Riemann-zeta függvény kiugró értékeinek lokalizálása nem csak elméleti jelentőségű, hanem közvetlen hatása lehet a prímszámelmélet fejlődésére. Olyan értékek találatakor, amelyek nagysága nagymértékben eltér a várható értéktől, ott a zeta függvény szabálytalan viselkedése kísértetiesen hasonlít a prímszámok eloszlásában található szabálytalanságra. Minél több találatot sikerül összegyűjteni, annál több adatot lehet felhasználni statisztikai elemzésre, amely végül közelebb vihet bennünket a prímszámok eloszlásának megértésében. A prímszámok eloszlásának pontos megértésével hatékonyabb algoritmusokat írhatnánk az egész számok faktorizálására, vagy éppen biztonságosabb rejtjelrendszert tervezhetnénk. A keresés matematikai háttere Ebben a fejezetben rövid áttekintést nyújtunk a kutatás matematikai hátteréről. Röviden bemutatjuk, hogy a kereső algoritmus milyen számelméleti összefüggések alapján lokalizálja a kiugró értékeket, így az érdeklődők egy átfogó képet kapnak arról, hogy mit is csinál a számítógépük a program futtatása során. 2

Georg Friedrich Bernhard Riemann a XIX. század közepén alkotta meg a zeta függvényt, amely a következőképpen definiálható: ζ(s) = 1/n s, s C, s = σ + it A ζ(s) függvénynek az s = 2, 4, 6,... helyeken felvett értéke zérus, azaz ζ( 2k) = 0 minden k = 1, 2, 3,... esetén. Ezeket hívjuk a ζ(s) függvény triviális gyökeinek. Vannak azonban nem 2k alakú gyökök, amelyekre nincsen egyszerű explicit formula. ζ(s)-nek a zérushoz legközelebbi ilyen nem triviális gyöke az s = 1/2 + 14.134725i környezetében található. Riemann a zeta függvény tanulmányozása közben azt vette észre, hogy a zeta függvény nem triviális gyökei mindig egy speciális egyenesen helyezkednek el, nevezetesen az s = 1/2 + it alakú egyenesen. A szakirodalom ezt az egyenest hívja kritikus egyenesnek, ehhez kapcsolódik a matematika talán egyik legfontosabb és máig megoldatlan problémája. Ez Riemann-hipotézis, amely azt állítja, hogy a Riemann zeta függvény nem triviális gyökei az s = 1/2 + it alakú függőleges egyenesen találhatóak. Riemann a kritikus egyenesen elhelyezkedő gyökök számítására kidolgozott egy formulát, amit nem publikált, csak valamivel később, 1930-ban fedezte fel újra Carl Siegel. A képlet így most a Riemann-Siegel formula nevet viseli. A Riemann- Siegel formula O( t) műveletet használ a kritikus egyenesen elhelyezkedő gyökök kiszámítására és az alábbi módon számolható: ahol N = t/2π Z(t) = 2 N 1 n cos[θ(t) t ln n] + O(t 1/4 ), és θ(t) = t 2 log t 2π t 2 π 8 + 1 48t + 7 5760t 3 + Z(t) és ζ(s) között fennáll továbbá az alábbi fontos összefüggés: ( ) 1 Z(t) = ζ 2 + it Jelenleg nem ismert olyan explicit formula, amivel Z(t) kiugró értékeit gyorsan, könnyen határozhatnánk meg. A projekt keretein belül olyan t jelölteket keresünk, amelyekre Z(t) értéke várhatóan nagy. A keresés az alábbi két módszer ötvözésén alapul: Irracionális számok approximációja Az irracionális számok racionális számokkal való közelítése már régi probléma, és rengeteg eredmény található a témához kapcsolódóan. A 17. században J. Wallis és 3

C. Huygens kidolgozta a lánc törtek elméletét, amely ma is az egyik meghatározó matematikai apparátusa az irracionális számok approximációjának. 1842-ben Dirichlet bizonyította, hogy ha α irracionális, akkor végtelen sok p racionális szám létezik, q amelyre teljesül az alábbi feltétel: α p < 1. A π szám közelítésére a 355 egy q q 2 113 nagyon jó becslés, π 355 < 0.000000267. A π lánctörtbe fejtésével számolhatóak 113 további számok, amelyek egyre pontosabban közelítik meg a π jegyeit. A kutatásaink során olyan k egész számokat keresünk, amelyeket megszorozva több (mondjuk n) különböző irracionális számmal egésztől való eltérésük kicsi, pontosabban: k log p i < ɛ, (1 i n) log 2 ahol jelöli a legközelebbi egésztől való eltérést. Ez egy n-dimenziós szimultán diofantoszi approximációs probléma. Új közelítő függvény bevezetése A kiugró értékek keresésére egy új függvényt vezetünk be, amely hasonló viselkedést mutat, mint az eredeti Z(t) függvény, azonban futási ideje O(ln(t). F (t) = ln t/2π 1 n cos[θ(t) t ln n]) Figure 0.1: Z(t) s F(t) hasonló viselkedése F(t) számításából következtetni lehet Z(t) tényleges nagyságára. A gyakorlatban kiderült, hogy egy [a,b] intervallumon belül F(t) és Z(t) lokális maximuma, vagy 4

minimuma nagy százalékban ugyan azon t körül található egy maximum ɛ hibával. Másképpen fogalmazva, ahol Z(t) felveszi legnagyobb értékét egy intervallumban, ott várhatóan ugyan arra a t-re F(t)-nek is lokális maximuma vagy minimuma lesz. Több ezer értéket megvizsgálva, azt tapasztaltuk, hogy kiugró értékek keresése könnyebbé válik az új F (t) függvény segítségével. Jelen kutatás célja, hogy kiugró Z(t) értékeket keressünk. Ezen értékeket felhasználva új mintázatokat találhatunk a ζ(s) függvényben, amelyet felhasználva közelebb juthatunk a prímszámok misztériumának megértésében. A kutatás során minden egyes talált érték kiértékelésre kerül, amelyeket a www.riemann-siegel.com honlapon publikálunk. 5