Riemannin hypoteesi

Riemannin hypoteesi on Bernhard Riemannin vuonna 1859 esittämä hypoteesi Riemannin zeeta-funktion nollakohtien esiintymisestä.

Hypoteesi on yksi tärkeimmistä avoimista ongelmista matematiikassa. Vuonna 1900 David Hilbert nimesi sen numero kahdeksaksi kuuluisalle listalleen 23:sta tärkeimmästä ratkaisemattomasta ongelmasta. Hilbert sanoi, että jos hän heräisi tuhat vuotta kestäneen unen jälkeen, hän kysyisi ensimmäisenä, onko Riemannin hypoteesi todistettu. Clay Mathematics Institute on luvannut hypoteesin todistamisesta miljoonan Yhdysvaltain dollarin palkinnon.

Hypoteesi on kytköksissä alkulukujen ominaisuuksiin. Riemannin hypoteesi ja sitä vastaavat väittämät ovat erittäin tehokkaita lukuteorian työkaluja. Suuri joukko lukuteorian keskeisistä tuloksista onkin todistettu sillä oletuksella, että Riemannin hypoteesi pitää paikkansa. Lukuteoreettisten artikkelien yhteydessä onkin lähes lentäväksi lauseeksi muodostunut teksti "Under the assumption of Riemann hypothesis..." eli suomeksi "Olettaen Riemannin hypoteesin...".

Hypoteesin väite 
Olkoon  kompleksiluku, jossa  ja  ovat reaalilukuja.

Tällöin Riemannin zeeta-funktion
 
kaikki aidosti kompleksiset nollakohdat ovat hypoteesin mukaan kompleksitason suoralla
.

Vaikkakin ylläoleva määritelmä Riemannin zeeta-funktiolle pätee vain kuin s:n reaaliosa on suurempi kuin 1, on funktio analyyttisen jatkamisen kautta määritelty kaikille kompleksiluvuille s ≠ 1. Voidaan todistaa, että analyyttinen jatke on uniikki, koska Riemannin zeeta-funktio on meromorfinen funktio. Niinpä analyyttisen jatkeen saamia arvoja voidaan kutsua yksinkertaisesti Riemannin zeeta-funktion arvoiksi. Riemannin hypoteesille on esitetty lukuisia yhtäpitäviä väittämiä. Luonnollisesti yhtään näistäkään ei ole onnistuttu todistamaan.

Zeeta-funktion nollakohtien sijainti 

Riemannin zeeta-funktio saa arvon nolla kaikilla negatiivisilla parillisilla kokonaislukuarvoilla­ kuten –2, –4, –6 jne. Näitä sanotaan sen triviaaleiksi nollakohdiksi. Näin ollen hypoteesin mukaan funktion kaikkien ei-triviaalien nollakohtien reaaliosa on . On todistettu, että kaikki ei-triviaalit nollakohdat sijaitsevat niin sanotulla kriittisellä kaistalla, jolla s:n reaaliosa on välillä . Riemannin hypoteesin todistaminen siis vaatisi tämän kaistaleen kaventamisen yhdeksi ainoaksi suoraksi, eli kriittiseksi suoraksi.

Tietokoneita apuna käyttäen on Riemannin zeeta-funktiolle laskettu miljardeja nollakohtia. Kaikkien näiden on havaittu toteuttavan Riemannin hypoteesin. Vaikka hypoteesia ei ole onnistuttu todistamaan, sen paikkansapitävyyden puolesta puhuu siis erittäin vahva "numeerinen todistusaineisto".

Yhteys alkulukuihin 
Leonhard Euler löysi vuonna 1737 yhteyden Riemannin zeeta-funktion ja alkulukujen välillä.

Tässä kaavassa vasen puoli on Riemannin zeeta-funktio ja oikea puoli on ääretön tulo, jossa  käy läpi kaikki alkuluvut:

Tämä kaava linkittää Riemannin zeeta-funktion alkulukuihin, ja sitä myötä valtavaan määrään lukuteorian ongelmia. Riemannin zeeta-funktio liittyy esimerkiksi kysymykseen siitä, montako jotakin lukua N pienempää alkulukua on olemassa. Riemannin hypoteesin paikkansapitävyys antaisi paljon nykyistä tiukemmat virherajat alkulukufunktion antamalle arviolle lukua N pienempien alkulukujen määrästä.

Katso myös 
 Yleistetty Riemannin hypoteesi

Lähteet

Kirjallisuutta 
 

Konjektuurit
Seulonnan keskeiset artikkelit