TIPE Le théor`eme des nombres premiers : approche par les

TIPE
Le th´eor`eme des nombres premiers :
approche par les fonctions holomorphes
C´eline Nadal
Pr´eliminaires
I La fonction ζde Riemann
II Le th´eor`eme des r´esidus
III Le th´eor`eme des nombres premiers
1
Pr´eliminaires
Le th´eor`eme des nombres premiers donne un ´equivalent en l’infini de π(x),
le nombre de nombres premiers inf´erieurs ou ´egaux `a x:π(x)x
ln x(cela
revient `a donner un ´equivalent du ni`eme nombre premier : pnnln n).
Il existe plusieurs d´emonstrations de ce th´eor`eme. La preuve pr´esent´ee
ici est historiquement la premi`ere, celle de Hadamard et La Vall´ee Poussin
(1896). Elle s’appuie sur l’´etude de la fonction ζde Riemann en faisant
appel `a la th´eorie des fonctions holomorphes.
1 Les fonctions πet ψ
D´efinitions :
π(x)=X
px
1ψ(x)=X
nx
Λ(n)
avec :
Λ(n)=(ln psi n=pνν1
0sinon
Th´eor`eme :
lim inf
x→∞
π(x) ln x
x
=lim inf
x→∞
ψ(x)
x
lim sup
x→∞
π(x) ln x
x
=lim sup
x→∞
ψ(x)
x
Corollaire : les propri´et´es suivantes sont ´equivalentes
(i)π(x)x
ln x
(ii)ψ(x)x
Cette ´equivalence permet une d´emonstration du th´eor`eme des nombres pre-
miers par l’´etude de la fonction ψdont on verra qu’ elle est directement li´ee
`a la fonction ζde Riemann.
Proposition : X
nx
ψ(x
n)=ln([x]!)
Les fonctions xln([x]!) et ψconstituent alors un µ-couple de M¨
obius.
A l’aide de la formule de Stirling, ln([x]!) =xln xx+O(xβ),0<β<1,
on montre le deuxi`eme th´eor`eme de Tchebytchef :
ψ(x)=O(x)(1)
2
2 Formule sommatoire d’Abel
Th´eor`eme
Soit (an)une suite de complexes, soit φ: [1,[une application C1
pour x>1; soit A(x)=Pnxan; alors, pour tout x1,
X
nx
anφ(n)=A(x)φ(x)Zx
1
A(u)φ0(u)du (2)
D´em. :
A(x)φ(x)X
nx
anφ(n)=X
nx
an[φ(x)φ(n)]
=X
nx
anZx
n
φ0(u)du
=Zx
1X
nu
anφ0(u)du
=Zx
1
A(u)φ0(u)du
Corollaire : avec les mˆemes hypoth`eses, si de plus lim
x→∞ A(x)φ(x)=0,
alors
X
n=1
anφ(n)=Z
1
A(u)φ0(u)du (3)
sous r´eserve d’existence de l’un des deux membres de l’´egalit´e.
1 La fonction ZETA de Riemann
D´efinition :
ζ(s)=
X
n=1
nss=σ+it σ > 1
(la s´erie converge absolument pour σ > 1, et normalement pour σ1+δ,
δ > 0).
Prop.
ζ(s)=Y
p
(1 ps)1
3
1.1 Les fonctions holomorphes
Soit f:,ouvert de .
D´efinition
on dit que fest holomorphe dans l’ouvert si
z0,lim
zz0
f(z)f(z0)
zz0
=f0(z0).
On note H()l’ensemble des fonctions holomorphes dans .
Proposition
si (f,g)H()2, alors f+get f g sont holomorphes dans .
Si gH(1)et fH(2), avec g(1)2, alors f og H(1).
Proposition
Si fest d´eveloppable en s´erie enti`ere dans , alors fH().
Application : ln(1 +z)est holomorphe pour |z|<1.
On admet ici que ζest holomorphe pour σ > 1. Ceci est une cons´equence
de la formule de Cauchy qui sera pr´esent´ee en II.
D´efinition (pˆole)
Soit fH(\{a}), on dit que fa un pˆole d’ordre men asi (c1, ..., cm)m,cm,0,
tq.
f(z)
m
X
k=1
ck
(za)k
se prolonge en fonction holomorphe dans .
On dit que c1est le r´esidu de fen a, on note c1=Res(f,a).
D´efinition (z´ero)
soit fH(),aest appel´e z´ero de fsi f(a)=0.
4
1.2 ζet le th´eor`eme des nombres premiers
ζn’a pas de z´ero dans le 1/2 plan σ > 1, on peut donc en prendre le
logarithme (d´etermination principale) :
ln ζ(s)=X
p
ln(1 ps)
On d´erive au sens des fonctions holomorphes (d´erivation complexe):
ζ0(s)
ζ(s)
=X
p
psln p(1 ps)1
=X
p
psln p
X
ν=0
pνs
=X
p
ln p
X
ν=1
pνs
=X
n1,n=pν
ln p
ns=
X
n=1
Λ(n)
ns
On pose
Z(s)=ζ0(s)
ζ(s)
=
X
n=1
Λ(n)
ns(4)
Or, par d´efinition : ψ(x)=PnxΛ(n)
ζest donc tr`es li´ee `a ψ.
1.3 Relation entre Zet ψ
On pose ψ1(x)=Rx
1ψ(u)du pour x1
Th´eor`eme : pour s=σ+it et σ > 1,
Z(s)=s(s+1) Z
1
ψ1(x)dx
xs+2(5)
D´em. : σ > 1,Z(s)=P
n=1
Λ(n)
ns. On applique (3) (Abel) `a :
an= Λ(n)A(x)=X
nx
an=ψ(x)
φ(x)=1
xs
A(x)φ(x)=ψ(x)
xs
x→∞
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