Теорема Дирихле

Содержание



	Введение	2

	1. Характеры	3

	1.1 Определение характера. Основные свойства характеров	3

	1.2 Суммы характеров. Соотношение ортогональности	6

	1.3 Характеры Дирихле	8

	2. L-функция Дирихле	13

	3. Доказательство теоремы Дирихле	29






Введение



Простые числа расположены в натуральном ряде весьма неравномерно.

Целью данной работы является доказательство следующей теоремы о простых числах в арифметической прогрессии.

Теорема Дирихле. Если разность и первый член арифметической прогрессии есть взаимно простые натуральные числа, то она содержит бесконечное множество простых чисел.

Пусть

mn + l, n=1,2, …,

прогрессия, удовлетворяющая условию теоремы.

Условие (m, l)=1, наложенные на числа m и e в формулировке теоремы, естественно, поскольку в случае, когда d=(m, l)>1, все члены прогрессии делятся на d и поэтому не являются простыми числами.

Сформулированная теория была впервые высказана Л. Эйлером в 1783 г. В 1798 г. А. Лежандр опубликовал доказательство для четных m, использовавшее, как выяснилось позднее, одну ошибочную лемму.

Полностью доказал теорему в 1837–1839 гг. Петер Густав Лежен-Дирихле (1805–1859), немецкий математик, автор трудов по аналитической теории чисел, теории функций, математической физике.

В 1837 г. вышли две работы Дирихле, посвященные теореме о простых числах в арифметической прогрессии. Они содержали формулировку теоремы в общем виде, однако доказательство приводилось только для случая, когда разность прогрессии есть простое число. В конце второй работы содержится построение характеров для произвольного модуля и некоторые утверждения о том, как можно доказать утверждение L (1,χ)0 для неглавных характеров x в одном случае. В 1839 г. Дилихле опубликовал полное доказательство теоремы о простых числах в арифметической прогрессии. С тех пор она носит его имя.


1. Характеры



1.1 Определение характера. Основные свойства характеров



Характером (от греческого хараæτήp-признак, особенность) χ конечной абелевой группы G называется не равная тождественно нулю комплекснозначная функция, определенная на этой группе и обладающая тем свойством, что если, АG и BG

χ (АВ)= χ (А) χ(В).

Обозначим через Е единичные элементы в группе G и через А-1 обратный элемент для АG

Характеры группы G обладают следующими свойствами:

1. Если Е-единица группы, то для каждого характера χ



χ (Е)=1 			(1.1)



Доказательство. Пусть для каждого элемента АG справедливо неравенство



1(А)=(АЕ)= (А) χ (Е)



Из этого равенства получим, что  (Е)0. Теперь из равенства



 (Е)=  (ЕЕ)=  (Е)  (Е)=1



следует равенство (1.1)

2.  (А) 0 для каждого АG

Действительно, если бы χ (А) =0 для некоторого АG, то


 (А) χ (А-1)=  (АА-1)= χ (Е)=0,



а это противоречит свойству 1.

3. Если группа G имеет порядок h, то Аh=Е для каждого элемента АG Следовательно,



1= χ (Е)= χ (Аh)= χ (А)h,



то есть χ (А) есть некоторый корень степени h из единицы.

Характер χ1, обладающий свойством χ1(А)=1 для каждого элемента АG, называется главным характером группы G. Остальные характеры называются неглавными.

Лемма 1. Пусть Н подгруппа конечной абелевой группы G, причем G/H – циклическая порядка n, тогда для каждого характера χH – подгруппы Н существует ровно n характеров.

Доказательство. Рассмотрим группу G=gkH, причем gnH=H, gnH и gn=h1=1.

Для каждого элемента XG существует и притом единственное к=кх и hх=h такое, что если 0 кх <n, то X= gkх hх=gkh. Возьмем еще один элемент группы G, Y= gm hy, где 0 m<n. Перемножим эти два элемента



ХY= gк+m hhy.



Определим характер χ (X).



χ (X)= χ (gк h)= χ (gк) χ (n)= χ к (g) χ H (h).



В данном выражении неизвестным является χ (g).


χ n (g)= χ (gn)= χ (h1)= χ H(h1) – данное число.



χ (g)= – n корней из 1,

то есть ξјn=χn(g)= χ H(h1), получаем xk (g)= ξјn. Следовательно, x(g)= ξ1, …, ξn

Из полученных равенств получаем:



χ (X)= χ k (g) χ H(hx)= ξjkx χ H (hx)

χ (Y)= χ m (g) χ H(hy)= ξjky χ H (hy)



Определим умножение характеров



χ (X) χ (Y)= ξjky χ H (hy) ξjk-x χ H (hx)= ξjkx+ky χ H (hx) χ H (hy)= jk+m χ H (hhy)



Для того чтобы определение выполнялось, необходимо рассмотреть степень gkx+kx. Возможны два случая:

1) Если 0 кх + ky<n, то



кх + ky= kxy,; hxhy = hxy.



В этом случае определение выполняется.

2) Если n кх + ky<2n-1, то получим



кх + ky = n + kxy..



Тогда

XY= g kx+ky hxhy=ghgkx+ky-n hx hy=gkx+ky-n h1hxhy

В свою очередь 0 кх + ky – nn-1  kx+ky – n=kxy, h1hxhy = hxy.


χ (XY) = ξj kх+kу χн (hxу) = ξj kх + kу – n χн (h1) χн(hx) χн (hy) = ξjкх ξj ку ξj– n χн (h1) χн(hx) χн (hy) = ξj кх χн (h1х) · ξj ку χн(hy) = χ (X) χ(Y).



Лемма доказана.

5. Характеры конечной мультипликативной абелевой группы G образуют конечную мультипликативную абелевую группу Ĝ.

Под произведением двух характеров χ' и х χ'' группы G будем понимать характер х, определяемый следующим свойством:



χ (AB) = χ' (A) χ'' (В)



Для любого элемента АG, имеем:



χ (АВ) = χ' (АВ) χ'' (АВ) = χ' (А) χ' (В) · χ'' (А) χ'' (В) = χ(А) χ(В)



Таким образом, получаем χ ' χ '' действительно является характером.

Роль единичного элемента группы G играет главный характер χ1

Обратным элементом G является:

χ2 (g1 g2) =  ==  = χ2(g1) χ2(g1)



1.2 Суммы характеров. Соотношение ортогональности



Пусть G – конечная мультипликативная абелева группа порядка h. Рассмотрим сумму:



S = ,



где А пробегает все элементы G, и сумму


Т = 



где  пробегает все элементы группы характеров Ĝ.

Рассмотрим чему равна каждая из сумм.

а) Если В-фиксированный элемент группы G и А пробегает все элементы G, то АВ также пробегает все элементы группы G. Следовательно,



S· (В) =  (В) =  =  = S.



Получили S (В) = S, откуда следует, что ( (В) – 1)·S = 0. Следовательно, возможны два варианта:

1) S = 0, то  (В) – негативный характер

2) S≠0, то  (В) = 1 для каждого элемента В€G и в этом случае  (В)= 1(В) есть главный характер и сумма S равна порядку h группы G. Таким образом,



S =  = 						(1.2)



б) Если мы умножим сумму Т на некоторый характер ’ группы Ĝ, то аналогичным образом получим



’ (А) Т =  ’ (А) =  = Т,



Следовательно,

1) или Т = 0, то А ≠Е

2) или Т ≠ 0, то ’ (А) = 1 для каждого характера ’€ G. В этом случае согласно свойству 3§ 1, имеем А=Е. И тогда Т=h. Таким образом,


Т = = 



1.3 Характеры Дирихле



Пусть m – положительное целое число. Определим числовые характеры по модулю m. Мы знаем, что (m) приведенных классов вычетов по модулю m образуют мультипликативную абелеву группу порядка h=(m). Мы можем, следовательно, рассмотреть характер этой группы. Но определение характера для приведенных классов вычета по модулю m можно перенести на множество целых чисел следующим образом. Положим



(а)= (А), если аА,



где А – приведенный класс вычетов по модулю m. Тогда очевидно, (а)= (b) (mod m), и (ab)= (а) (b), если (а, m)=(b, m)=1. Поскольку (А)0 для каждого приведенного класса вычетов А, то (а)0, если (a, m)=1.

Это определение применимо только к целым числам а, которые взаимно просты с m.

Мы можем рассмотреть его на все целые числа, положив

(а)=0, если (a, m)>1.

Следовательно, характер по модулю m есть арифметическая функция , обладающая следующими свойствами:

(а)= (b), если с=b (mod m)

(ab)= (a) (b) для всех целых a и b



(а)=0, если (a, m)>1

(а)0, если (a, m)=1


Имеется точно (m) – количество характеров по модулю m, где (m) – количество положительных целых чисел, не превосходящих m и взаимно простых с m. Они образуют мультипликативную абелеву группу приведенных классов вычета по mod m. Единичным элементом этой группы будет главный характер 1, то есть такой характер, что 1(а)=1, если (а, m)=1. Далее имеем следующее соотношение ортогональности:



= 



= 



Пусть m – положительное целое число. Определим числовые характеры по модулю m. Комплекснозначная функция, определенная для всех целых чисел n, называется числовым характером или характером Дирихле по модулю m, она удовлетворяет следующим условиям:

а)  (n) = 0 тогда и только тогда, когда (n, m) ≠ 1

б)  (n) периодична с периодом m

в) для любых чисел а и b

 (аb) =  (а)  (b)

Функция



1(n) = 



является числовым характером и называется главным характером. Остальные числовые характеры по модулю m называются неглавными.

Имеет место следующее утверждение о числовых характерах.

Теорема 1 Существует равно φ(m) числовых характеров по модулю m. Если  =  (n) – числовой характер по модулю m, то:

1) для n, взаимно простых с модулем m, значения  (n) есть корень из 1 степени φ(m).

2) для всех n выполняется неравенство / (n)/ ≤1

3) Имеет место равенство







4) Для каждого целого числа n



 = 



Доказательство. Пусть  (n) – некоторый числовой характер по модулю m. Из пункта б) определения следует, что  (n) задает некоторую функцию ’() =  (n) на мультипликативной группе классов вычетов по модулю m, взаимно простых с m, а именно



’() =  (n)



Здесь  обозначает класс вычетов по модулю m, содержащий n. Так как (1) ≠ 0, то ’() не равняется тождественно нулю, а из пункта в) определения числового характера следует, что ’() = ’() = ’ (ab) =  (a)  (b) = ’()’().

Таким образом, ’() есть характер модультипликативной группы Gm.

Обратно, по каждому характеру ’() группы Gm можно построить числовой характер  (n) по модулю m, положив







Установленное соответствие является взаимнооднозначным. И все утверждения теоремы 1 следуют из доказанного выше для групповых характеров применительно к группе Gm, если учесть, что порядок группы Gm равен φ(m), где φ(m) – функция Эйлера.

В дальнейшем требуется еще одно утверждение с числовых характерах. Обозначим для каждого ,  ≥ 1







Где суммирование ведется по всем натуральным числам n, не превосходящим .

Лемма 2. Пусть  (n) – неглавный характер. Тогда для каждого ,  ≥ 1 справедливо неравенство

/S(x)/<m

Доказательство. Функция  (n) периодична с периодом m и по теореме з



0, так как ≠ 1



Поэтому, представив [] – целую часть числа  – в виде []=m1+z, 0zm, будет иметь


S() =S([])=q

В виду равенства /(n)/1 отсюда получили S()zm






2. L-функция Дирихле



Пусть х(п) – произвольный характер по модулю m. Рассмотрим ряд



, 		(2.1)



члены которого являются функциями комплексного переменного S. В области сходимости он определяет функцию, которая называется L-функцией Дирихле, соответствующей характеру (n), и обозначается L (s, ).

Лемма 3

1. Если 1, то ряд (1) сходится в области ReS > 0 и определяемая им функция L (s, ) является аналитической в этой области.

2. Ряд, определяющий L (S, 1), сходится в области ReS >1. Функция L (S, 1) является аналитической в области ReS > 1.

Доказательство.

Пусть (n) – произвольный характер по модулю m, а б – некоторое положительное число. Так как /(n)/  1, то в области ReS > 1 + б справедливо неравенство







Следовательно, ряд (1) равномерно сходится в области ReS > 1 + б. Определяемая им функция L (S, ) по теореме Вейерштрасса о сумме равномерно сходящегося ряда аналитических функций является аналитической в этой области. Ввиду произвольности 6 это доказывает второе утверждение Леммы.

Для неглавных характеров (n) потребуется более сложное исследование ряда (1).

Лемма 4 (преобразование Абеля).

Пусть an, n=1,2,…, – последовательность комплексных чисел, >1,



А()=



а q(t) – комплекснозначная функция, непрерывно дифференцируемая на множестве 1t

Тогда



					(2.2)



Если же





то

			(2.3)



при условии, что ряд в левой части равенства сходится.

Доказательство. Положим А(0)=0 и В(х) равным левой части равенства (2.2). Тогда при любом натуральном N





так как А(0)=0. Далее






поскольку функция А(х) постоянна на каждом полуинтервале nt<n+1. Следовательно, равенство (2.2) доказано при целых значениях х.

пусть х1 – произвольное число. Положим N=[x]; значит, NxN+1. Тогда А(х)=А(N), B(x)=B(N), а







Следовательно,





Тем самым доказано, что равенство (2.2) верно и для нецелых чисел значений х.

Равенство (2.3) получаем из равенства (2.2) переходом к пределу при х. Лемма доказана.

Воспользовавшись леммой 4, получим следующее равенство



						(2.4)



где







функция, введенная Лемме 4.

Для s = +it из области ReS = , где  – некоторое положительное число, пользуясь леммой 4, находим






Поэтому интеграл







сходится в области ReS > . Поскольку в этой области выполняется неравенство







то из равенства (2) следует, что ряд (1), определяющий функцию L (S, x), сходится в области ReS > . Эти рассуждения справедливы для любого положительного числа . Значит, ряд (1) сходится в полуплоскости ReS > 0.

Из равенства (2) следует, что в этой полуплоскости для L-функции, соответствующей неглавному характеру (n), справедливо представление





			(2.5)

так как







Интеграл, стоящий в правой части равенства (2.5), можно также представить в виде


			(2.6)



Члены ряда (2.6) являются аналитическими функциями в области ReS >, что следует из равенств







При этом использовано, что на полуинтервале nх< n+1 функция S(х) принимает значение S(n). Поскольку







то ряд (2.6) равномерно сходится в области ReS >. Отсюда, как и выше, получаем, что сумма его, т.е.







является аналитической функцией (по теореме Вейерштраса) в области ReS >.

Из представления (2.5) следует теперь, что L (S, x) есть аналитическая функция в полуплоскости ReS >, а ввиду произвольности S –  и b полуплоскости ReS > 0.

Следствие. Пусть  (n) – произвольный характер. Тогда в области ReS > 1 справедливо равенство


		(2.7)



Это следует из того, что ряд (2.1) по доказанному равномерию сходится в области ReS>1+, где >0. Следовательно, по теореме Вейштрасса о равномерно сходящихся рядах аналитических функций в этой области ряд (2.1) можно почленно дифференцировать







Поэтому в полуплоскости ReS>1+ выполняется равенство (2.7). Так как в этом рассуждении -любое положительное число, то равенство (2.7) будет справедливо в полуплоскости ReS>1.

Для L-функций имеет место представление в виде бесконечного произведения по простым числам, аналогичное тождеству Эйлера. Рассмотрим вспомогательную Лемму.

Лемма 5. Пусть функция f(n) вполне мультипликативна и ряд



							(2.8)



абсолютно сходится. Тогда выполняется равенство



						(2.9)



Доказательство. Отметим прежде всего, что /f(n)/<1 при любом натуральном n>1. В противном случае при каждом m


/f(n)m/=/f(n)/m1,



что противоречит сходимости ряда (2.6). Поэтому при каждом простом р ряд







абсолютно сходится, и его сумма как сумма бесконечно убивающей геометрической прогрессии равна (1-f(р))-1. Кроме этого, в силу абсолютной сходимости, ряды можно перемножить. Перемножая конечное число таких рядов и используя то, что f(n) есть вполне мультипликативная функция, получим







где ne = p … ps и в сумме в правой части равенства содержатся такие и только такие слагаемые f(ne), что все просты делители ne не превосходят х. Следовательно, в разности







остаются те и только те слагаемые f(me), для которых у числа me имеется хотя бы один простой делитель р>x. Тогда оценим разность



/S-S(x)/



и из абсолютной сходимости ряда (2.8) следует, что






Это доказывает, что бесконечное произведение (2.7) сходится и выполняется утверждение Леммы.

Лемма 6. Для каждого характера (n) в области ReS > 1 справедливо представление







Доказательство. Эта лемма является следствием Леммы 5, поскольку функция (n) вполне мультипликативна, то есть (АВ)= (А) (В), и выполняется неравенство /(n)/ 1 по теореме 1.

Следствие 1. В области ReS > 1 для главного характера 1(n) по модулю m справедливо равенство



		(2.10)



и поэтому функция L (S, 1) может быть аналитически продолжена в область ReS > 0, где она имеет единственный полюс (первого порядка) в точке S=1.

Действительно, по определению главного характера 1(n) имеет место равенство







Поэтому






Пользуясь теперь тождеством Эйлера для дзета-функции Римана получаем равенство (2.10). Остальные утверждения легко следуют из этого равенства, поскольку дзета-функция является аналитической в области ReS > 0 с единственным полюсом первого порядка в точке S = 1.

Следствие 2. Для каждого характера  функция L (S, x) не обращается в нуль в области ReS > 1.

Доказательство.

Если  = ReS > 1. то







Пользуясь неравенством для дзета-функции Римана, находим







Получаем:



L (S,) ≥ > 0



Теперь докажем утверждения, что L – функция, соответствующая неглавному характеру , точке S =1 отлична от нуля.

Теорема 2. Если  – неглавный характер, то L (1, )≠0

Для доказательства рассмотрим 2 случая

1. Пусть характер  – комплексное число, не является действительным. Тогда характер 2(n) не является главным. В этом случае доказательство теоремы будет основываться на тех же идеях, что и доказательство отсутствия нулей дзета – функции на прямой ReS=1.

Лемма7. Пусть 0<ч<1, а х – действительное число, тогда выполняется неравенство /(1 – ч)3 (1 – чеix)4 (1 – че2ix)/-1 ≥ 1

Доказательство.

Для всех z из круга /z/<1 имеет место расположение



– ln (1 – z) =			(2.11)



Так как ln(t) = Re lnt, то обозначая М (ч φ), левую часть неравенства (2.11), получим



lnM (ч φ) = 3ln (1 – ч) – 4 ln (1 – чеi4) – ln (1 – че2i4) = – 3ln (1-ч) – 4Reln/1 – чеi4/ – Reln/1 – че2i4/=rc (3+4e)inl /1-rei4/= (3+4cosnl+2cos2nl)= (2+4cos+1+cos2)=1 (1+cos)20



ln=M (r, l)=0



Следовательно, M (r, l)=1 доказана.

Из леммы 7 следует, сто при любом действительном S>1 выполняется равенство:

|L3(8, 1) L4(S, ) 4 (S, 4) 1 = П (1- )3(1- )4(1- )|-1	(2.12)



Получая в лемме ч = р-s, т.е.


0< ч = 1(р)<1

0< р-s <1

 (р) р-s = чеi4, в силу того что  (р) – комплексное

 (р) р-s = че2i4



Получаем, что каждый сомножитель в правой части равенства (f) не меньше 1 и, следовательно, при любом S>1 выполняется равенство:

|L3(S1) · L4(S) L (S2)| ≥ 1							(2.13)

Допустим, что для некоторого характера  (2≠1) выполняется равенство



L (1, ) = 0						(2.14)



Оценим сверху левую часть неравенства. Из оценки дзета-функции Римана

ξ(S) ≤ , следует, что при S € R, S>1 выполняется неравенство



а) 0 < 4 (S, 1) = 



получили 0<L (S, 1)≤

б) Функция L (S, ) разложим в ряд Тейлора

L (S, ) = Cp + C1 (S – 1) + C2(S – 1)2 +… + Cn(S – 1)n +…

Предположим, что у нее есть нуль L (1, ) = 1; тогда С0 = 0

Перепишем разложение L – функции в ряд



L(S) = Cк (S – 1)к + Ск+1(S – 1)к+1 = (S – 1)1 (Cк + Ск+1(S -1) +….), где к≥1, Ск ≤ 0, т. к. S>1

| L (S, )| = |S – 1|k| Ck + Ck+1(S – 1) +….| ≤ 2 Ck|S – 1)k, при |S – | < r



Функция L (S, 2) в точке S = 1 не имеет полюса, следовательно не имеет особенности. Это в силу того, что  комплексное и 2≠1

Получаем неравенство:

L (S, 2) ≤ C,

При условии | S – 1|< δ

Учитывая все неравенства и оценки



| L3 (S, ) L4(S, ) L (S, 2)| = ()3 · 24 |Ck|4 (S – 1)4k· C≥1



Следовательно, это неравенство становится противоречивым, если перейти к пределу при S→1+0. Полученное противоречие показывает, что равенство (2.14) не выполняется.

2. Рассмотрим  – вещественный характер, т.е. принимающий только вещественные значения, несовпадающий с главным характером

Лемма 8. Пусть  – вещественный характер.

Рассмотрим функцию



F(S) = ξ(S) L (S, x)							(2.15)



Докажем, что если Re S>1, то



					(2.16)



представляется рядом Дирихле, которого справедливы следующие утверждения:

1) Все коэффициенты аn ≥ 0

2) при n=k2, k € / N(N)/ аn≥1

3) В области ReS<1 можно почленно дифференцировать, то есть



F (k) (S)= (-1)k(ln n)k  k=1,2…; 					(2.17)



4) Ряд (1) в точке S=1/2 расходится.

Доказательство. В области ReS > 1 ряды, определяющие функции S(S) и L (S,), абсолютно сходятся, поэтому их можно перемножить:



где



				(2.19)



Пусть - расположение числа n в произведение простых сомножителей. Тогда все натуральные делители l числа n имеют вид



 



поэтому из равенства (14) находим, что







где ani = 1+  (pi)+ … +Li (pi), i=1,…, m				(2.21)

так как  – вещественный характер, то он может принимать только три значения: 0, 1, -1. Из равенства (2.21) следует, что


						(2.22)



Во всех случаях числа ani0, а значит, и an=an1 … anm0

Если же число п является полным квадратом, то

N=k2=p/2 … pm 2,

и из равенств (2.20) и (2.22) следует, что аn 1

При любом  > 0 в области ReS> 1 + выполняется неравенство







Ряд (2.18) сходится в области ReS > 1. Поэтому по признаку Вейерштрасса ряд (2.16) сходится равномерно в области ReS > 1 + , а по теореме Вейерштрасса его можно в этой области почленно дифференцировать любое число раз. Следовательно, в области ReS > 1 + выполняется равенство (2. 17), а в силу произвольности  оно выполняется и в области ReS > 1.

Однако ряд (39) расходится, так как по второму утверждению леммы

Ряд (2.16) при S =  имеет неотрицательные члены. Поэтому, если бы он сходился, то также сходился бы ряд



				(2.23)



Следовательно, ряд (2.23) расходится. Лемма доказана.

Переходим непоредственно к доказательству второго случая теоремы. Допустим, что L (1,) = 0. Тогда полюс дзета-функции будет компенсироваться в произведении S(S) L (S, ) нулем функции L (S, ).

Поэтому функция (2.15) F(S) будет аналитической в области ReS > 0 так как в точке S=1 у F() – устраненная особая точка. Следовательно, ее можно разложить в ряд Тейлора в точке S = 2:



				(2. 24)



радиус сходимости которого не меньше 2 R2/

Из равенств (2.17), в частности S=2, находим



		(2.25)



В радиусе сходимости будет брать не все S, а только вещественные ReS= S=(0,2). Пользуясь разложениями (18) и (19), находим







Члены двойного ряда неотрицательны, поэтому он сходится абсолютно, и в нем можно поменять порядок суммирования. Тогда







Следовательно, ряд (2.16) сходится во всех точках,  < (, 0, 2), и в точке , а это противоречит четвертому утверждению леммы. Поэтому L (S,)0/

Этим завершается доказательство теоремы

По следствию 2 леммы 2 функция  является аналитической в области ReS > 1. Для дальнейшего доказательства теоремы Дирихле нам будет необходимо представление этой функции в виде ряда, аналогичного ряда (2.16).

Лемма. Для каждого характера (n) в области ReS > 1 справедливо равенство



		(2.26)







Доказательство.

Так как S=+it имеет место неравенство



получаем, что ряд стоящий в правой части равенства (2.26), абсолютно сходится в области >1. Умножим этот ряд на ряд определяющий L (S, ). Получили







Предпоследнее равенство имеет место ввиду равенства ), а последнее – по следствию из леммы 3, равенство 2.7.


3. Доказательство теоремы Дирихле



Теорема. Если разность и первый член арифметической прогрессии есть взаимно простые натуральные числа, то она содержит бесконечное множество простых чисел.

Доказательство.

Рассмотрим равенство (2.26), которое справедливое по Лемме в области ReS > 1. Поскольку (n) = 0 для всех n, не являющихся степенями простых чисел, то все отличные от нуля члены ряда в правой части (2.26) имеют вид







где р – простое и k – натуральное числа. Ряд (2.26) абсолютно сходится, следовательно, его можно представить в виде двойного ряда) и, значит, в области ReS > 1



			(3.1)



Второе слагаемое в правой части этого равенства равномерно ограничено по s в области ReS3/4. Действительно, если S=+it, 3/4, то







Следовательно, при S1+0 для каждого характера  имеет место равенство


							(3.2)



Здесь и в дальнейшем s  1 +  обозначает, что S стремится к 1 по действительной оси справа.

Пусть  – некоторое натуральное число, удовлетворяющее сравнению



		(3.3)



Умножим обе части равенства (3.2) на () и просуммируем получившиеся равенства по всем числовым характерам . Тогда получим



 		(3.3)



Если простое число р удовлетворяет сравнению р l (mod m), то p ≠ 1 (mod m), и по теореме 1







Если же p≠l (mod m), то p≠ 1 и по той же теореме







Таким образом, равенство (3.3) можно переписать в виде



			(3.4)


По лемме 3 и теореме 2 для неглавного характера  функция  является аналитической в точке S = 1. Поэтому для таких характеров при S 1 + 0 имеем



				(3.5)



По следствию 1 леммы 4 функция L (S, 1) имеет в точке S=1 полюс первого порядка. Значит, при S1+0



 		(3/6)



Учитывая равенства (3.5) и (3.6.) из равенства (26) получаем, что







Так как число  удовлетворяет сравнению (3.3), то (, m) = 1 и 0()=1. Итак, при S1+0



					(3.7)



Правая часть равенства а (3.7) при S1+0 имеет бесконечный предел. Значит, сумма, стоящая в левой части этого равенства, имеет бесконечное множество слагаемых. Поэтому существует бесконечное множество простых чисел, удовлетворяющих сравнению

pe (mod m)

Теорема Дирихле доказана.