오일러 곱 공식
ζ ( s ) = ∑ n ≥ 1 n − s \zeta(s) = \sum_{n\ge 1} n^{-s} ζ ( s ) = ∑ n ≥ 1 n − s 에 ( 1 − 2 − s ) (1-2^{-s}) ( 1 − 2 − s ) 를 곱하면 짝수 항이 사라지고, ( 1 − 3 − s ) (1-3^{-s}) ( 1 − 3 − s ) 를 곱하면 3의 배수가 사라집니다 — 체로 걸러내면 남는 것은 소수 위의 곱 ∏ p ( 1 − p − s ) − 1 \prod_p (1-p^{-s})^{-1} ∏ p ( 1 − p − s ) − 1 뿐입니다. 처음 k k k 개 소수의 부분 곱이 ζ ( 2 ) = π 2 / 6 \zeta(2) = \pi^2/6 ζ ( 2 ) = π 2 /6 에 다가가는 모습을 확인합니다.
ζ ( s ) = ∑ n = 1 ∞ 1 n s = ∏ p p r i m e 1 1 − p − s ( s > 1 ) \zeta(s) = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^s} = \prod_{p\ \mathrm{prime}}\frac{1}{1-p^{-s}} \qquad (s > 1) ζ ( s ) = n = 1 ∑ ∞ n s 1 = p prime ∏ 1 − p − s 1 ( s > 1 )
∏ p 1 1 − p − 2 = π 2 6 \prod_p\frac{1}{1-p^{-2}} = \frac{\pi^2}{6} p ∏ 1 − p − 2 1 = 6 π 2
예제
s > 1 s > 1 s > 1 에 대해 오일러 곱셈식 ζ ( s ) = ∏ p 소수 1 1 − p − s \zeta(s) = \prod_{p\ \text{소수}} \frac{1}{1 - p^{-s}} ζ ( s ) = ∏ p 소수 1 − p − s 1 를 체(sieve) 논증으로 증명하세요. 힌트: ζ ( s ) ( 1 − 2 − s ) \zeta(s)(1 - 2^{-s}) ζ ( s ) ( 1 − 2 − s ) 는 짝수 항을 모두 제거합니다.
ζ ( s ) ( 1 − 2 − s ) = ∑ n ≥ 1 1 n s − ∑ n ≥ 1 1 ( 2 n ) s = ∑ 2 ∤ n 1 n s \zeta(s)(1 - 2^{-s}) = \sum_{n \ge 1} \frac{1}{n^s} - \sum_{n \ge 1} \frac{1}{(2n)^s} = \sum_{2 \nmid n} \frac{1}{n^s} ζ ( s ) ( 1 − 2 − s ) = n ≥ 1 ∑ n s 1 − n ≥ 1 ∑ ( 2 n ) s 1 = 2 ∤ n ∑ n s 1
ζ ( s ) ∏ i = 1 k ( 1 − p i − s ) = 1 + ∑ n > 1 ( n , P k ) = 1 1 n s , P k : = ∏ i = 1 k p i \zeta(s)\prod_{i=1}^{k}(1 - p_i^{-s}) = 1 + \sum_{\substack{n > 1 \\ (n, P_k) = 1}} \frac{1}{n^s}, \qquad P_k := \prod_{i=1}^{k} p_i ζ ( s ) i = 1 ∏ k ( 1 − p i − s ) = 1 + n > 1 ( n , P k ) = 1 ∑ n s 1 , P k := i = 1 ∏ k p i
k = 6 k = 6 k = 6 (소수 13 13 13 까지 체로 거름): P 6 ≈ 1.6179177 P_6 \approx 1.6179177 P 6 ≈ 1.6179177 , 오차 ζ ( 2 ) − P 6 ≈ 0.0270164 \zeta(2) - P_6 \approx 0.0270164 ζ ( 2 ) − P 6 ≈ 0.0270164 — 체를 한 겹씩 더할 때마다 곱셈이 ζ ( 2 ) \zeta(2) ζ ( 2 ) 에 다가갑니다.
증명 보기
ζ ( s ) = ∑ n ≥ 1 n − s \zeta(s) = \sum_{n\ge 1} n^{-s} ζ ( s ) = ∑ n ≥ 1 n − s 는 s > 1 s > 1 s > 1 에서 절대수렴하므로 항을 자유롭게 재배열·분할할 수 있습니다. 1 1 − 2 − s = ∑ j ≥ 0 2 − j s \frac{1}{1 - 2^{-s}} = \sum_{j\ge 0} 2^{-js} 1 − 2 − s 1 = ∑ j ≥ 0 2 − j s 이므로 (공비 2 − s < 1 2^{-s} < 1 2 − s < 1 인 기하급수), ζ ( s ) ( 1 − 2 − s ) \zeta(s)(1 - 2^{-s}) ζ ( s ) ( 1 − 2 − s ) 를 곱하면 ∑ n n − s − ∑ n ( 2 n ) − s \sum_{n} n^{-s} - \sum_{n} (2n)^{-s} ∑ n n − s − ∑ n ( 2 n ) − s 가 되어 모든 짝수 항이 상쇄되고 홀수 항만 남습니다: ζ ( s ) ( 1 − 2 − s ) = ∑ 2 ∤ n n − s \zeta(s)(1 - 2^{-s}) = \sum_{2\nmid n} n^{-s} ζ ( s ) ( 1 − 2 − s ) = ∑ 2 ∤ n n − s .
다음 소수 3 3 3 에 대해 같은 일을 합니다: ( 1 − 3 − s ) ∑ 2 ∤ n n − s = ∑ 2 ∤ n n − s − ∑ 2 ∤ n ( 3 n ) − s (1 - 3^{-s})\sum_{2\nmid n} n^{-s} = \sum_{2\nmid n} n^{-s} - \sum_{2\nmid n} (3n)^{-s} ( 1 − 3 − s ) ∑ 2 ∤ n n − s = ∑ 2 ∤ n n − s − ∑ 2 ∤ n ( 3 n ) − s 에서 3 3 3 의 배수인 항이 모두 사라집니다. 같은 논증을 p 1 = 2 , p 2 = 3 , … , p k p_1 = 2, p_2 = 3, \dots, p_k p 1 = 2 , p 2 = 3 , … , p k 에 반복하면 ζ ( s ) ∏ i = 1 k ( 1 − p i − s ) = 1 + ∑ n > 1 , ( n , P k ) = 1 n − s \zeta(s)\prod_{i=1}^{k}(1 - p_i^{-s}) = 1 + \sum_{n > 1,\ (n,P_k)=1} n^{-s} ζ ( s ) ∏ i = 1 k ( 1 − p i − s ) = 1 + ∑ n > 1 , ( n , P k ) = 1 n − s 가 됩니다 (P k = p 1 ⋯ p k P_k = p_1 \cdots p_k P k = p 1 ⋯ p k ). 즉 처음 k k k 개 소수로 나누어지지 않는 n n n 에 대한 합만 남습니다.
남은 꼬리 합을 묶으면 0 ≤ ∑ n > 1 , ( n , P k ) = 1 n − s ≤ ∑ n > p k n − s → k → ∞ 0 0 \le \sum_{n > 1,\ (n,P_k)=1} n^{-s} \le \sum_{n > p_k} n^{-s} \xrightarrow[k\to\infty]{} 0 0 ≤ ∑ n > 1 , ( n , P k ) = 1 n − s ≤ ∑ n > p k n − s k → ∞ 0 입니다 — ( n , P k ) = 1 (n,P_k)=1 ( n , P k ) = 1 인 n > 1 n > 1 n > 1 은 최소 소인수가 p k + 1 > p k p_{k+1} > p_k p k + 1 > p k 보다 크거나 같아야 하므로, 실제로 n ≥ p k + 1 > p k n \ge p_{k+1} > p_k n ≥ p k + 1 > p k 이기 때문입니다. 따라서 ζ ( s ) ∏ i = 1 k ( 1 − p i − s ) → 1 \zeta(s)\prod_{i=1}^{k}(1 - p_i^{-s}) \to 1 ζ ( s ) ∏ i = 1 k ( 1 − p i − s ) → 1 이고, 양변을 뒤집으면 ζ ( s ) = ∏ p 1 1 − p − s \zeta(s) = \prod_{p}\frac{1}{1 - p^{-s}} ζ ( s ) = ∏ p 1 − p − s 1 (s > 1 s > 1 s > 1 )를 얻습니다.
수치 확인 (s = 2 s = 2 s = 2 , k = 6 k = 6 k = 6 ): P 6 = ∏ i = 1 6 1 1 − p i − 2 ≈ 1.6179177 P_6 = \prod_{i=1}^{6}\frac{1}{1-p_i^{-2}} \approx 1.6179177 P 6 = ∏ i = 1 6 1 − p i − 2 1 ≈ 1.6179177 이고 오차는 ζ ( 2 ) − P 6 ≈ 1.6449341 − 1.6179177 = 0.0270164 \zeta(2) - P_6 \approx 1.6449341 - 1.6179177 = 0.0270164 ζ ( 2 ) − P 6 ≈ 1.6449341 − 1.6179177 = 0.0270164 로, 캡션과 일치합니다 — 체의 한 겹이 곧 꼬리 합의 한 겹을 걷어낸 것입니다.
바젤 결과 ζ ( 2 ) = π 2 6 \zeta(2) = \frac{\pi^2}{6} ζ ( 2 ) = 6 π 2 를 이용해 ∏ p 소수 ( 1 − 1 p 2 ) − 1 = π 2 6 \prod_{p\ \text{소수}} \left(1 - \frac{1}{p^2}\right)^{-1} = \frac{\pi^2}{6} ∏ p 소수 ( 1 − p 2 1 ) − 1 = 6 π 2 임을 보이세요.
∏ p ( 1 − 1 p 2 ) − 1 = ζ ( 2 ) = π 2 6 \prod_{p}\left(1 - \frac{1}{p^2}\right)^{-1} = \zeta(2) = \frac{\pi^2}{6} p ∏ ( 1 − p 2 1 ) − 1 = ζ ( 2 ) = 6 π 2
P 3 = 1 1 − 1 4 ⋅ 1 1 − 1 9 ⋅ 1 1 − 1 25 = 4 3 ⋅ 9 8 ⋅ 25 24 = 25 16 = 1.5625 P_3 = \frac{1}{1 - \frac14}\cdot\frac{1}{1 - \frac19}\cdot\frac{1}{1 - \frac{1}{25}} = \frac{4}{3}\cdot\frac{9}{8}\cdot\frac{25}{24} = \frac{25}{16} = 1.5625 P 3 = 1 − 4 1 1 ⋅ 1 − 9 1 1 ⋅ 1 − 25 1 1 = 3 4 ⋅ 8 9 ⋅ 24 25 = 16 25 = 1.5625
k = 3 k = 3 k = 3 (소수 2 , 3 , 5 2, 3, 5 2 , 3 , 5 ): P 3 = 25 16 = 1.5625 P_3 = \frac{25}{16} = 1.5625 P 3 = 16 25 = 1.5625 , 오차 π 2 6 − P 3 ≈ 0.0824341 \frac{\pi^2}{6} - P_3 \approx 0.0824341 6 π 2 − P 3 ≈ 0.0824341 — 아직 5 % 5\% 5% 정도 모자라지만 증가는 단조롭습니다.
증명 보기
예제 1의 오일러 곱셈식은 s > 1 s > 1 s > 1 인 모든 s s s 에 대해 성립하므로, s = 2 s = 2 s = 2 를 대입하면 ζ ( 2 ) = ∏ p 1 1 − p − 2 = ∏ p ( 1 − 1 p 2 ) − 1 \zeta(2) = \prod_{p}\frac{1}{1 - p^{-2}} = \prod_{p}\left(1 - \frac{1}{p^2}\right)^{-1} ζ ( 2 ) = ∏ p 1 − p − 2 1 = ∏ p ( 1 − p 2 1 ) − 1 을 바로 얻습니다. 급수 쪽과 곱셈 쪽이 같은 극한을 가리키는 셈입니다.
바젤 결과(바젤 씬 참조)는 ζ ( 2 ) = ∑ n ≥ 1 1 n 2 = π 2 6 \zeta(2) = \sum_{n\ge 1} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6} ζ ( 2 ) = ∑ n ≥ 1 n 2 1 = 6 π 2 입니다. 따라서 소수에 대한 곱 ∏ p ( 1 − 1 p 2 ) − 1 \prod_{p}\left(1 - \frac{1}{p^2}\right)^{-1} ∏ p ( 1 − p 2 1 ) − 1 도 π 2 6 ≈ 1.6449341 \frac{\pi^2}{6} \approx 1.6449341 6 π 2 ≈ 1.6449341 로 수렴합니다.
각 인자 1 1 − p − 2 > 1 \frac{1}{1 - p^{-2}} > 1 1 − p − 2 1 > 1 이므로 부분곱 P k P_k P k 는 단조증가하고 위로 ζ ( 2 ) \zeta(2) ζ ( 2 ) 에 의해 유계이므로 수렴합니다. 특히 뒤집으면 ∏ p ( 1 − 1 p 2 ) = 6 π 2 ≈ 0.6079271 \prod_{p}\left(1 - \frac{1}{p^2}\right) = \frac{6}{\pi^2} \approx 0.6079271 ∏ p ( 1 − p 2 1 ) = π 2 6 ≈ 0.6079271 — 정수를 임의로 뽑았을 때 서로소일 확률로 해석되기도 합니다.
수치 확인 (k = 3 k = 3 k = 3 ): 처음 세 소수 2 , 3 , 5 2, 3, 5 2 , 3 , 5 만으로 P 3 = 4 3 ⋅ 9 8 ⋅ 25 24 = 25 16 = 1.5625 P_3 = \frac{4}{3}\cdot\frac{9}{8}\cdot\frac{25}{24} = \frac{25}{16} = 1.5625 P 3 = 3 4 ⋅ 8 9 ⋅ 24 25 = 16 25 = 1.5625 이고, 오차는 π 2 6 − 25 16 ≈ 1.6449341 − 1.5625 = 0.0824341 \frac{\pi^2}{6} - \frac{25}{16} \approx 1.6449341 - 1.5625 = 0.0824341 6 π 2 − 16 25 ≈ 1.6449341 − 1.5625 = 0.0824341 로 캡션과 일치합니다.
소수의 역수 합 ∑ p 소수 1 p \sum_{p\ \text{소수}} \frac{1}{p} ∑ p 소수 p 1 가 발산함을, s → 1 + s \to 1^+ s → 1 + 일 때의 오일러 곱셈식으로부터 증명하세요.
log ζ ( s ) = ∑ p ∑ j ≥ 1 1 j p j s = ∑ p 1 p s + O ( 1 ) ( s > 1 ) \log \zeta(s) = \sum_{p}\sum_{j\ge 1} \frac{1}{j\,p^{js}} = \sum_{p} \frac{1}{p^s} + O(1) \qquad (s > 1) log ζ ( s ) = p ∑ j ≥ 1 ∑ j p j s 1 = p ∑ p s 1 + O ( 1 ) ( s > 1 )
ζ ( s ) ≥ ∑ n ≤ 1 / ( s − 1 ) 1 n s ≥ 1 s − 1 ⇒ log ζ ( s ) → + ∞ ( s → 1 + ) \zeta(s) \ge \sum_{n \le 1/(s-1)} \frac{1}{n^s} \ge \frac{1}{s - 1} \;\Rightarrow\; \log \zeta(s) \to +\infty \quad (s \to 1^+) ζ ( s ) ≥ n ≤ 1/ ( s − 1 ) ∑ n s 1 ≥ s − 1 1 ⇒ log ζ ( s ) → + ∞ ( s → 1 + )
k = 15 k = 15 k = 15 (소수 47 47 47 까지): P 15 ≈ 1.6385679631 P_{15} \approx 1.6385679631 P 15 ≈ 1.6385679631 , 오차 ≈ 0.0063661 \approx 0.0063661 ≈ 0.0063661 — 곱은 수렴하지만, s → 1 + s \to 1^+ s → 1 + 에서는 같은 곱의 로그가 발산하며 소수 역수 합을 끌어올립니다.
증명 보기
s > 1 s > 1 s > 1 에서 오일러 곱셈식의 양변에 로그를 취하면 − log ( 1 − x ) = ∑ j ≥ 1 x j j -\log(1 - x) = \sum_{j\ge 1} \frac{x^j}{j} − log ( 1 − x ) = ∑ j ≥ 1 j x j (테일러 급수, ∣ x ∣ < 1 |x| < 1 ∣ x ∣ < 1 )에 의해 log ζ ( s ) = ∑ p ∑ j ≥ 1 1 j p j s \log \zeta(s) = \sum_{p}\sum_{j\ge 1} \frac{1}{j\,p^{js}} log ζ ( s ) = ∑ p ∑ j ≥ 1 j p j s 1 가 됩니다. j = 1 j = 1 j = 1 항을 분리하면 log ζ ( s ) = ∑ p 1 p s + ∑ p ∑ j ≥ 2 1 j p j s \log \zeta(s) = \sum_{p} \frac{1}{p^s} + \sum_{p}\sum_{j\ge 2} \frac{1}{j\,p^{js}} log ζ ( s ) = ∑ p p s 1 + ∑ p ∑ j ≥ 2 j p j s 1 입니다.
j ≥ 2 j \ge 2 j ≥ 2 인 이중합은 s ≥ 1 s \ge 1 s ≥ 1 에서 균일 유계입니다: ∑ p ∑ j ≥ 2 1 j p j s ≤ ∑ p 1 p 2 ∑ j ≥ 2 2 1 − j = ∑ p 1 p 2 < ∑ n ≥ 2 1 n 2 = ζ ( 2 ) − 1 = π 2 6 − 1 ≈ 0.6449341 \sum_{p}\sum_{j\ge 2} \frac{1}{j\,p^{js}} \le \sum_{p} \frac{1}{p^2}\sum_{j\ge 2} 2^{1-j} = \sum_{p} \frac{1}{p^2} < \sum_{n\ge 2} \frac{1}{n^2} = \zeta(2) - 1 = \frac{\pi^2}{6} - 1 \approx 0.6449341 ∑ p ∑ j ≥ 2 j p j s 1 ≤ ∑ p p 2 1 ∑ j ≥ 2 2 1 − j = ∑ p p 2 1 < ∑ n ≥ 2 n 2 1 = ζ ( 2 ) − 1 = 6 π 2 − 1 ≈ 0.6449341 이므로, 이 부분은 O ( 1 ) O(1) O ( 1 ) 입니다. 따라서 log ζ ( s ) = ∑ p 1 p s + O ( 1 ) \log \zeta(s) = \sum_{p} \frac{1}{p^s} + O(1) log ζ ( s ) = ∑ p p s 1 + O ( 1 ) (s > 1 s > 1 s > 1 )입니다.
한편 ζ ( s ) ≥ ∫ 1 ∞ x − s d x = 1 s − 1 \zeta(s) \ge \int_1^{\infty} x^{-s}\,dx = \frac{1}{s-1} ζ ( s ) ≥ ∫ 1 ∞ x − s d x = s − 1 1 입니다 — 각 항 n − s ≥ ∫ n n + 1 x − s d x n^{-s} \ge \int_n^{n+1} x^{-s}\,dx n − s ≥ ∫ n n + 1 x − s d x 를 더하면 됩니다. 따라서 log ζ ( s ) ≥ − log ( s − 1 ) → + ∞ \log \zeta(s) \ge -\log(s - 1) \to +\infty log ζ ( s ) ≥ − log ( s − 1 ) → + ∞ (s → 1 + s \to 1^+ s → 1 + )입니다.
log ζ ( s ) = ∑ p p − s + O ( 1 ) \log \zeta(s) = \sum_{p} p^{-s} + O(1) log ζ ( s ) = ∑ p p − s + O ( 1 ) 이 무한대로 가므로 ∑ p p − s → + ∞ \sum_{p} p^{-s} \to +\infty ∑ p p − s → + ∞ (s → 1 + s \to 1^+ s → 1 + )입니다. s = 1 s = 1 s = 1 에서 ∑ p 1 p \sum_{p} \frac{1}{p} ∑ p p 1 가 수렴한다면 단조수렴정리에 의해 s → 1 + s \to 1^+ s → 1 + 에서 그 합으로 수렴해야 하므로 모순입니다. 따라서 ∑ p 1 p = + ∞ \sum_{p} \frac{1}{p} = +\infty ∑ p p 1 = + ∞ — 소수의 역수 합은 발산합니다.
수치 감각: s = 2 s = 2 s = 2 에서는 P 15 ≈ 1.6385679631 P_{15} \approx 1.6385679631 P 15 ≈ 1.6385679631 로 ζ ( 2 ) ≈ 1.6449341 \zeta(2) \approx 1.6449341 ζ ( 2 ) ≈ 1.6449341 에 거의 붙지만 (오차 ≈ 0.0063661 \approx 0.0063661 ≈ 0.0063661 , 캡션과 일치), s s s 를 1 1 1 에 가깝게 내리면 log ζ ( s ) \log \zeta(s) log ζ ( s ) 가 무한대로 부풀어 오르며, 그 무한대의 몫을 O ( 1 ) O(1) O ( 1 ) 을 제외하고는 오직 ∑ p p − s \sum_p p^{-s} ∑ p p − s 만이 감당합니다.
6. 급수