tomron87/hebrew-wikipedia-sentences-corpus huggingface dataset:
את זה עושים באמצעות המקרה הפרטי הבא של משפט אוילר:
משפט אוילר: אם לא מתחלק ב- אז הוא מודולו .
לבסוף מסיקים את המשפט מהלמה הבאה:
למה: בהינתן תת-חבורה ואיבר .
לכל חזקת ראשוני מתקיים .
רעיון נוסף שמופיע בהוכחה הוא לעבוד עם מקדמים בחוג במקום בחוג .
קל לראות שאם מצליחים להציג קרקטר (וירטואלי) כצירוף ליניארי עם מקדמים בחוג זה של קרקטרים מושרים אז גם ניתן להציג אותו כצירוף ליניארי עם מקדמים ב- של קרקטרים מושרים.
רעיון זה אינו הכרחי להוכחה, היות שעבודה מדויקת תניב מלכתחילה מקדמים ב- אולם הוא מפשט אותה בהרבה.
הרעיון רלוונטי גם להוכחת משפט ארטין (אם כי שם הוא פשוט יותר).
הפונקציות האופייניות המתוארות למעלה לא ניתנות להצגה כצירוף ליניארי של קרקטרים מושרים אם לא מאפשרים מקדמים בחוג .
אפשר להחליף את החוג בחוג שלמים בכל הרחבת שדות גדולה מספיק (למשל בחוג השלמים האלגבריים) והדבר כמעט ולא ישפיע על ההוכחה.
עבור חוג וחבורה סופית נסמן:
– אוסף פונקציות המחלקה עם ערכים ב-.
זאת אומרת פונקציות על שקבועות על מחלקות צמידות.
אוסף זה הוא -אלגברה ביחס לכפל (נקודתי).
במקרה ש- נתייחס לאוסף זה גם כאל מרחב מכפלה פנימית ביחס למכפלה .
– אוסף הצירופים הליניאריים של קרקטרים של עם מקדמים ב-.
– אוסף תת-החבורות האלמנטריות של .
נשים לב שהעתקה זו מעבירה את ל- ואת ל-.
באופן מפורש כאשר הסכום השני הוא על נציגים של קו-סטים.
עבור מספר ראשוני וחבורה נבחר תת-חבורת p-סילו ב- ונסמנה ב-.
עבור חבורה ואיבר נסמן ב- את המֶרָכֶּז של ב-.
עבור פונקציה ותת-קבוצה של תחום ההגדרה שלה, נשתמש בסימון כדי לסמן את התמונה של תחת .
עבור קבוצה נסמן ב- את הפונקציה המציינת של .
לפי פירוק ז'ורדן לחבורות סופיות כל איבר אפשר להציג באופן יחיד כמכפלה של שני איברים מתחלפים:
איבר מסדר זר ל- – נקרא החלק ה--רגולרי של
איבר מסדר שהוא חזקה של – נקרא החלק ה--סינגולרי של .
באופן מפורש אפשר לחשב את החלק הרגולרי באמצעות הנוסחה הבאה:.
אפשר להחליף את המספר בכל מספר אחר שמתחלק בו.
למעשה קיים מספר המחלק את (בדרך כלל קטן בהרבה מ-) כך שאפשר להחליף את בכל מספר שמתחלק ב-, התיאור המדויק של מעט מורכב יותר ואינו רלוונטי להוכחה.
אחד הרעיונות המרכזיים בהוכחה הוא לחלק את החבורה לקבוצות שבהן נמצאים כל האיברים בעלי חלק רגולרי שנמצא במחלקת צמידות קבועה.
אלו הן הקבוצות שתוארו למעלה, כאשר הוא החלק הרגולרי הזה (ובהתאם הסדר שלו זר ל-).
ליבת ההוכחה משתמשת בעובדה שניתן לקבל פונקציות מחלקה רבות על באמצעות אינדוקציות של קרקטרים של החבורה
עובדה זאת היא עידון של ההבחנה הבאה:
התפקיד של בהוכחת משפט בראואר אנלוגי לתפקיד של מחלקות הצמידות בהוכחת משפט ארטין.
בהוכחת משפט בראואר אנלוגי לתפקיד של חבורות ציקליות בהוכחת משפט ארטין.
העובדה שהסדר של זר ל- מאפשרת להימנע מחלוקה ב- כאשר עובדים עם .
חלוקה במספרים הזרים ל- "מותרת" מכיוון שעובדים "מודולו ".
ההתמודדות עם נעשית בנפרד במסגרת ההתמודדות עם חבורה נילפוטנטית.
קל לראות שהחבורה היא אלמנטרית.
שלבי ההוכחה בגרסתו של סר
מוכיחים את המשפט למקרה ש- חבורה נילפוטנטית.
במקרה זה כאמור נכונה טענה חזקה יותר: כל הצגה אי פריקה של מושרה מהצגה חד-ממדית של תת-חבורה של .
מוכיחים זאת באמצעות השלבים הבאים:
מראים כי לכל חבורה נילפוטנטית לא אבלית קיימת תת-חבורה אבלית לא מרכזית (זאת אומרת שלא מוכלת במרכז של החבורה).
מראים שבמקרה זה, כל הצגה נאמנה בלתי פריקה של לא הופכת לאיזוטיפית כשמצמצמים אותה ל-.
מסיקים מתורת קליפורד שבמקרה זה ההצגה היא אינדוקציה של הצגה של תת-חבורה של .
מסיקים את הטענה הנדרשת באינדוקציה.
מהמקרה הנילפוטנטי נובע שדי להוכיח את הטענה הבאה:
בוחרים הומומורפיזם אדיטיבי המקיים .
הומומורפיזם זה מגדיר הומומורפיזם .
קל לראות שהומומורפיזם זה מתחלף עם אינדוקציה במובן הבא: .
מכאן קל להסיק שדי להוכיח את הטענה הבאה:
משתמשים בלמה למעלה כדי להסיק את המשפט מהטענה שלכל חזקת ראשוני מתקיים:
משתמשים במשפט אוילר כדי להסיק את המשפט מהטענה שלכל ראשוני מתקיים: באופן מפורש: אם קיימת כזאת אז .
מכיוון ש- הוא חוג, זה מוכיח את המשפט.
משתמשים בפירוק ז'ורדן לחבורות סופיות כדי להסיק שדי להראות שלכל ראשוני ולכל איבר שסדרו זר ל- מתקיים:
נשים לב שעבור ו- כאלו מתקיים: לכן די להראות שהפונקציה מקיימת את התנאים הנדרשים בסעיף 8.
העובדה ש- מתאפסת מחוץ ל- נובעת מהשוויון הפשוט: נותר להראות ש- לא מתחלקת ב- על קבוצה זאת.
את זאת אפשר לעשות באמצעות ניתוח המקרים הבאים:
במקרה זה, אפשר להשתמש בנוסחה לאינדוקציה של קרקטר טריוויאלי: מנוסחה זו קל להסיק שאם היא תת-חבורת p-סילו אז האינדוקציה לא מתחלקת ב- בנקודות שסדרן הוא חזקה של .
נובעת מהמקרה הקודם מכיוון שהזזה (כפלית) באיבר מרכזי מתחלפת עם אינדוקציה.
נובעת מהמקרה הקודם באמצעות אינדוקציה בשלבים:
השוואה עם ההוכחה המקורית של בראואר
ההוכחה המקורית של בראואר התבססה על רעיונות דומים אך במקום לבחון את ערכי הקרקטרים מודולו - p הוא בחן את האיברים בחוג מודולו האידיאל כאשר הוא אידיאל ראשוני.
כך שההוכחה היתה מעט יותר מסובכת טכנית ודרשה מעט יותר רקע בתורת המספרים האלגברית.
עבודה מודולו ראשוני קבוע .
שימוש בפירוק ז'ורדן לחבורות סופיות כדי לאפשר עבודה עם הקבוצות בנפרד, כאשר הוא איבר מסדר זר ל- .
שימוש באינדוקציות מהחבורה כדי לטפל בקבוצות אלו.
כאן היא תת חבורת p-סילו של המֶרָכֶז של .
נציג כאן את אחת ההוכחות הטופולוגיות של סניית
מניחים בשלילה שקיים קרקטר שלא ניתן להציגו כקומבינציה של קרקטרים כנדרש.
מכאן קיימת הצגה (אוניטרית) שאיננה סכום של אינדוקציות של קרקטרים.
מסמנים ב- את המנרמל של חבורת המטריצות האלכסוניות ב-.
מסיקים שהתמונה של לא נמצאת באף הצמדה של .
מגדירים פעולה של על היריעה על ידי כפל משמאל.
מסיקים שלפעולה זו אין נקודות שבת.
משתמשים במשפט של לפשיץ שאומר שבמקרה כזה יש ליריעה טריאנגולציה כך שהפעולה של מעבירה סימפלקס לסימפלקס.
יתר על כן, אין אף סימפלקס שעובר לעצמו תחת כל .
חוקרים את קומפלקס השרשרת שמחשב את ההומולוגיות של (עם מקדמים ב-) המתאים לטריאנגולציה זו.
מסיקים שהוא מורכב מהצגות של המושרות מהצגות טריוויאליות של תתי-חבורות נאותות של .
משתמשים במשפט שאומר שההומולוגיות של עם מקדמים ב- טריוויאליות (זאת אומרת זהות להומולוגיות של נקודה).
שמים לב לעובדה הבאה: עבור קומפלקס של הצגות מממד סופי של , מתקיים כאשר מסמן קרקטר של הצגה.
מסיקים שאפשר לכתוב את הקרקטר של ההצגה הטריוויאלית כקומבינציה של קרקטרים מושרים מקרקטרים טריוויאליים של תתי-חבורות נאותות.
בדומה לשלבים 3 ו-4 בהוכחה האלגברית מסיקים שאפשר לכתוב כל קרקטר כקומבינציה של קרקטרים מושרים מקרקטרים טריוויאליים של תתי-חבורות נאותות.
באמצעות הדדיות פרובניוס, משפט האינדוקציה של בראואר מוביל בקלות לאפיון היסודי של קרקטרים של בראואר, הקובע שפונקציית מחלקה מרוכבת על G היא קרקטר וירטואלי אם ורק אם הצמצום שלה לכל תת-חבורה אלמנטרית של בראואר הוא קרקטר וירטואלי.
תוצאה זו, יחד עם העובדה שקרקטר וירטואלי θ הוא קרקטר אי־פריק אם ורק אם θ(1)>0 ו־ (כאשר היא המכפלה הפנימית הרגילה), מספקת דרך לבניית קרקטרים אי־פריקים מבלי לבנות במפורש את ההצגות המתאימות.
המניע הראשוני למשפט האינדוקציה של בראואר היה יישומו לפונקציות L של ארטין.
המשפט מראה שניתן להציג כל פונקציית L של ארטין בתור מכפלה של חזקות שלמות של פונקציות L של הקה.
פונקציות L של הקה מהוות מקרה פרטי של פונקציות L של ארטין הדומה יותר לפונקציות L של דיריכלה.
מהצגה זו ניתן להסיק שלפונקציות L של ארטין יש המשכה מרומורפית לכל המישור.
עבור פונקציות L של ארטין המתאימות לקרקטרים אותם ניתן להציג כצירוף שלם לא־שלילי של קרקטרים המושרים מקרקטרים חד-ממדיים של תת-חבורות, מתקיימת טענה חזקה יותר: ניתן להציג פונקציות אלו בתור מכפלה של פונקציות L של הקה.
מהצגה זו ניתן להסיק שלפונקציות אלו יש המשכה מרומורפית לכל המישור עם לא יותר מקוטב אחד.
טענה זו לא ידועה עבור פונקציות L של ארטין כלליות ונקראת השערת ארטין.
משפט דֶה בְּרַנְזְ' (נקרא בתחילה השערת בִּיבֶּרְבָּךְ (Bieberbach) או השערת המקדמים), הוא השערה בתורת הפונקציות המרוכבות, שהועלתה בשנת 1916 על ידי לודוויג ביברבך, והוכחה ב-1985 על ידי לואי דה ברנז'.
לאחר פרסום ההוכחה, נמצאו להשערה הוכחות קצרות יותר.
תהי f פונקציה אוניוולנטית על עיגול היחידה, כלומר פונקציה הולומורפית המוגדרת על עיגול היחידה וחד-חד-ערכית שם.
אז המקדמים בפיתוח טיילור של הפונקציה מקיימים .
בשנת 1916, הוכיח ביברבך את הטענה עבור n=2, והעיר שהיא "אולי" נכונה לכל n.
צ'ארלס לוונר (Lowener) הוכיח את הטענה למקרה שבו n=3 ב-1923. השיטות של לוונר עמדו בבסיסן של ההוכחות לכמה מקרים נוספים:
דייוויד הורוביץ (Horowitz) הוכיח בשנת 1979 כי מתקיים .
דה-בראנז', שהמשיך את רעיונותיו של לוונר, הוכיח כאמור את הטענה לכל n.
התוצאה נחשבת לאחת התוצאות החשובות ביותר באנליזה מרוכבת במאה ה-20.
תחום אחד שבו למשפט הייתה השפעה הוא בחקר משוואות דיפרנציאליות.
ניתן להשתמש במשפט כדי לקבוע את קיומם וייחודם של פתרונות לסוגים מסוימים של משוואות דיפרנציאליות, שיש להן השלכות חשובות על המודל והניתוח של מערכות פיזיקליות וביולוגיות שונות.
בנוסף, המשפט יושם גם על חקר התפלגות המספרים הראשוניים, תחום במתמטיקה שמשך עניין של מתמטיקאים רבים ויש לו השלכות חשובות על חקר ההצפנה ועיצוב מערכות תקשורת מאובטחות.
באנליזה מתמטית, משפט דארבו (על שם המתמטיקאי ז'אן גסטון דארבו) הוא הכללה של משפט ערך הביניים עבור פונקציות שהן נגזרת (כלומר, קיימת להן פונקציה קדומה).
על-פי המשפט, אם פונקציה גזירה בקטע סגור, פונקציית הנגזרת שלה מקבלת כל ערך בין הערכים שהיא מקבלת בקצוות הקטע, גם אם פונקציית הנגזרת אינה רציפה בעצמה.
תהא פונקציה גזירה בקטע הפתוח , גזירה מימין בנקודה וגזירה משמאל בנקודה .
נסמן את הנגזרת מימין בנקודה כ- ואת הנגזרת משמאל בנקודה כ-.
אז לכל שבין ו- קיים כך ש-.
משפט דארבו מהווה הכללה של משפט ערך הביניים שכן כל פונקציה רציפה מקיימת את משפט ערך הביניים, אך כוחו בכך שהנגזרת אינה חייבת להיות בהכרח רציפה כדי שהמשפט יתקיים.
מסקנה מעניינת ממשפט דארבו היא שנקודות אי-הרציפות של הנגזרת הן מסוג "אי-רציפות עיקרית" בלבד.
בפרט, לפונקציה בעלת נקודת אי-רציפות סליקה או אי-רציפות מסוג ראשון ("קפיצה"/"דילוג") אין פונקציה קדומה.
מסקנה נוספת היא שהמשפט ההפוך למשפט ערך הביניים אינו נכון, כיוון שקיימות נגזרות שאינן רציפות אבל כן מקיימות את תכונת ערך הביניים.
גם המשפט ההפוך למשפט דארבו אינו נכון.
לא לכל פונקציה המקיימת את תכונת ערך הביניים יש פונקציה קדומה.
דוגמה נגדית היא פונקציית הבסיס-13 של קונוויי.
אם , הטענה ברורה מאליה.
ללא הגבלת הכלליות נניח כי , ויהי .
כעת נראה כי קיימת נק' שמקיימת .
נגזרתה היא ולכן נשים לב כי .
פונקציה גזירה ובפרט רציפה, כהפרש של פונקציות גזירות.
לכן לפי המשפט השני של ויירשטראס, קיימת נק' בה מקבלת ערך מינימלי.
ערך זה לא יכול להתקבל ב- כיוון ש- ולכן הפונקציה יורדת בסביבת , ולא יכול להתקבל ב- כיוון ש- ולכן הפונקציה עולה בסביבת .
כלומר , ולכן היא נקודת קיצון מקומית.
אזי לפי משפט פרמה, , כלומר ואזי כנדרש.
משפט דה-מואבר, הקרוי על שמו של אברהם דה-מואבר, קובע שלכל מספר ממשי ולכל מספר שלם מתקיים:
כאשר מייצג את הרכיב הממשי במספר המרוכב , ו־ מייצג את הרכיב המדומה במספר זה.
חשיבותו של משפט דה-מואבר היא בכך שהוא מקשר בין מספרים מרוכבים וטריגונומטריה.
באופן פרקטי, המשפט מאפשר להשתמש בקשר זה כדי להעלות מספרים מרוכבים בחזקה או למצוא שורש שלהם.
לנוסחה יש שני שימושים עיקריים: הוצאת שורש ממספר מרוכב, והצגת גדלים טריגונומטריים ו- כפולינומים ב- ו-, בהתאמה.
את נוסחת דה-מואבר אפשר להוכיח באינדוקציה.
מן הזהות , השקולה לזהויות הטריגונומטריות ו-.
אברהם דה-מואבר היה חבר טוב של אייזק ניוטון, בשנת 1698 הוא כתב שנוסחה זו הייתה ידועה לניוטון עוד ב-1676. ניתן להגיע לנוסחה זאת בקלות מנוסחת אוילר (שהתגלתה מאוחר יותר).
זאת משום שלפי נוסחת אוילר, משפט דה-מואבר היא פשוט השוויון הטריוויאלי .
ניתן להשתמש בנוסחת דה-מואבר כדי לחשב את השורשים מסדר n של מספר מרוכב כלשהו.
אם הוא מספר מרוכב שונה מאפס, ניתן לייצג אותו באופן יחיד בצורה , ו- .
המספר (עם ), הוא שורש מסדר n של z אם , כלומר, לפי נוסחת דה-מואבר, .
זה קורה בדיוק כאשר :
כיוון שלכל מספר חיובי קיים שורש חיובי יחיד מסדר n וכיוון שהפונקציות הטריגונומטריות מחזוריות, עם מחזור (רדיאנים):
כאשר , ואלו בדיוק n השורשים של z.
משפט האין-שיער הוא משפט בתורת היחסות הכללית המגדיר את התכונות של חור שחור יציב שאותן ניתן למדוד מחוץ לאופק האירועים שלו.
תכונות אלו, מסת החור השחור, התנע הזוויתי שלו והמטען החשמלי, מגדירות את החור השחור עבור כל צופה חיצוני, ומאפיינות אותו באופן מלא.
הצופה החיצוני אינו יכול למדוד את צפיפות החומר המקומית באזורים השונים של החור השחור או להבחין בשדות מקומיים.
שם המשפט, שאותו טבע ג'ון וילר, מסמל את העובדה שאופק האירועים של החור השחור הוא משטח נטול אינפורמציה (למעט שלושת הפרמטרים האמורים), בדומה לראש נטול שערות.
משפט האין-שיער הוא אוסף של מספר תוצאות תאורטיות שהושגו בסוף שנות ה-60 של המאה העשרים ובתחילת שנות ה-70, שהתגבשו להוכחה שלמה בעבודתם של סטיבן הוקינג וורנר ישראל.
משפט האין-שיער מתייחס לחור שחור במצב יציב.
במשך פרק הזמן הקצר לפני שהחור השחור מתייצב הוא מכיל עדיין את התכונות העודפות שאותן יכול צופה חיצוני למדוד.
התהליך המהיר של איבוד התכונות הללו מכונה "התקרחות".
כך, למשל, מקורם של חלק מתוצרי ההתפרקות של חור שחור זעיר צפוי לנבוע משלב ה"התקרחות" הקצר לאחר היווצרותו.
צופה שנמצא פנימה לאופק האירועים יוכל למדוד פרמטרים נוספים, כמו למשל פיזור המסה בתוך החור השחור או שדות חשמליים ומגנטיים מקומיים.
גוף שנכנס לחור שחור נושא עמו מידע נוסף על שלושת הפרמטרים המוגדרים על ידי משפט האין-שיער, אך מידע זה אובד עבור צופים חיצוניים כאשר הגוף עובר את אופק האירועים.
תופעה זו היא המקור לפרדוקס פיזיקלי הקרוי "פרדוקס השמדת המידע".
לפרדוקס זה טרם נמצא פתרון.
משפט האין-שיער לא מאפשר לצופים חיצוניים להבחין בסינגולריות הכבידתית המצויה בתוך החור השחור.
בכך נמנע פרדוקס פיזיקלי נוסף שעלול לנבוע ממצב שבו צופה יכול להבחין בנקודת סינגולריות.
השערה זו בדבר מיקומן ה"מוסתר" של נקודות הסינגולריות מאחורי אופק אירועים קרויה "השערת הצנזורה הקוסמית" (בגרסתה החלשה).
משפט דה-גואה הוא משפט בגאומטריה המהווה הכללה של משפט פיתגורס לשלושה ממדים.
המשפט נקרא על שמו של המתמטיקאי הצרפתי ז'אן פול דה-גואה דה-מלבס.
המשפט קובע שאם בפירמידה יש פינה ישרה (שלוש הזוויות היוצרות את הפינה, הן זוויות ישרות, ראו תמונה משמאל) אז סכום ריבועי השטחים היוצרים את הפינה הישרה שווה לריבוע שטח הפאה הרביעית.
ניתן להכליל את משפט פיתגורס ואת משפט דה-גואה גם לממדים גבוהים יותר משלוש.
נעביר אנך מהקודקוד O החותך את הפאה ABC בנקודה H ואנך מ-C החותך את הישר AB בנקודה K.
(CK עובר דרך הנקודה H).
אזי מתקיים: (כי שני הביטויים מייצגים את קוסינוס הזווית שבין המישורים AOB ו ACB).
מהשיווין הקודם נקבל כי .
באותו אופן מראים כי וְ- .
לאחר סיכום שלושת השוויונים הנ"ל ומכיוון ש נקבל: .
נצייר מערכת צירים קרטזית בשלושה ממדים.
שטח המשולש ABC שווה למחצית המכפלה וקטורית של הווקטורים AB ו AC ולכן:
במתמטיקה, ובמיוחד בתורה של מרחבי בנך, משפט דבורצקי הוא משפט מבנה חשוב אשר הוכח על ידי המתמטיקאי הישראלי אריה דבורצקי בתחילת שנות ה-60 של המאה ה-20. המשפט ענה על שאלה שנוסחה על ידי אלכסנדר גרותנדיק.
הוכחה חדשה למשפט, שהתגלתה על ידי ויטלי מילמן בשנות ה-70 של המאה ה-20, הייתה אחת התגליות אשר הביאו לפיתוח התורה הלוקלית של מרחבי בנך.
באופן פשטני, המשפט אומר כי לגופים קמורים מממד גבוה יש חתכים שהם כמעט מעגליים.
בצורה מדויקת יותר, המשפט מראה כי לכל מספר טבעי k, בכל מרחב בנך שממדו גדול מספיק, יש תת-מרחב מממד k שהנורמה עליו קרובה מאוד לכזו המושרית על ידי מכפלה פנימית.
בכך המשפט מכניס לתורה של מרחבי בנך, שהנורמה המוגדרת עליהם יכולה להיות כללית ביותר, כלים מן התחום של מרחבי הילברט שבהם הנורמה מושרית על ידי מכפלה פנימית, ויש לה מבנה גאומטרי הדוק.
לכל , ולכל , קיים כך שלכל מרחב בנך מממד שגדול או שווה ל-, יש תת-מרחב מממד עם מכפלה פנימית , כך שהנורמה המושרית על ידי המכפלה הפנימית מקיימת לכל .
משפט דיריכלה הוא משפט מתמטי, הקובע כי יש אינסוף מספרים ראשוניים בסדרה חשבונית שבסיסה זר להפרש שלה.
גרסאות חזקות יותר של המשפט קובעות את הצפיפות היחסית של המספרים הראשוניים בסדרות חשבוניות.
את המשפט הוכיח המתמטיקאי הגרמני יוהאן פטר גוסטב לז'ן דיריכלה בשנים 1837–1839.
עוד מימי אוקלידס ידוע שקיימים אינסוף מספרים ראשוניים.
הוכחות דומות לזו של אוקלידס מאפשרות להראות גם שקיימים אינסוף ראשוניים מן הצורות
, וידועות גם תוצאות כלליות יותר.
דיריכלה היה הראשון שהראה שבכל סדרה חשבונית שבה הדבר אפשרי (כלומר סדרה מהצורה שבה זרים), קיימים אינסוף ראשוניים.
דיריכלה הוכיח שלקבוצת המספרים הראשוניים השקולים ל- מודולו יש צפיפות דיריכלה ביחס לקבוצת כל הראשוניים, והיא שווה ל-, כאשר היא פונקציית אוילר.
ההוכחה מבוססת על התמרת פורייה דיסקרטית על חבורת אוילר המאפשרת לבטא את הצפיפות היחסית באמצעות סיכום משוקלל של לוגריתמים של פונקציות L של דיריכלה – וריאנטים על פונקציית זטא של רימן התלויים בקרקטר כפליים מודולו .
ההוכחה של דיריכלה נחשבת פורצת דרך, שכן היא עירבה לראשונה שימוש מרובה באנליזה מתמטית מתקדמת כדי להשיג תוצאה בתורת המספרים.
הוכחת המשפט נחשבת להולדת תורת המספרים האנליטית.
כמו כן, ההוכחה השפיעה על התפתחות תורת המספרים האלגברית ותורת ההצגות.
ב-1896, יחד עם הוכחת משפט המספרים הראשוניים, הראו ז'אק אדמר ושארל דה לה ואלה פוסן שהטענה נכונה גם אם מחליפים את צפיפות דיריכלה בצפיפות הטבעית.
הגרסה הבסיסית של משפט דיריכלה אומרת:
כל ההוכחות הידועות למשפט (התקפות באופן כללי) מוכיחות גם חסם כמותי לצפיפות הראשוניים במובן זה או אחר.
הוכחתו המקורית של דיריכלה הוכיחה גם את המשפט הבא:
כאן, וביתר הערך, השימוש באות מסמן שמדובר במספר ראשוני.
המקרה הוכח על ידי אוילר עוד ב.
לכן גרסה זאת נובעת מהגרסה הבאה שגם אותה הוכיח דיריכלה:
הטורים המוזכרים מעלה מהווים מדד עקיף לצפיפות קבוצת הראשוניים בסדרה חשבונית.
משפט המספרים הראשוניים מספק מדד ישיר ומדויק יותר לצפיפות קבוצת המספרים הראשוניים.
יחד עם הוכחת משפט המספרים הראשוניים, שילבו ז'אק אדמר ושארל דה לה ואלה פוסן בין הוכחת משפט המספרים הראשוניים והוכחת משפט דיריכלה וקיבלו את המשפט הבא:
המונה בנוסחה האחרונה מסמל את גודל קבוצת הראשוניים הקטנים מ - ונמצאים בסדרה החשבונית .
המקרה הוא משפט המספרים הראשוניים, כך שבהינתן משפט המספרים הראשוניים, ניסוח זה שקול לניסוח הבא:
אוקלידס וארטוסתנס, מתמטיקאים יוונים במאות השלישית והרביעית לפני הספירה, אבות המחקר על מספרים ראשוניים.
העובדה שישנם אינסוף מספרים ראשוניים הייתה ידועה עוד ביוון העתיקה.
ההוכחה הראשונה הידועה שלה מופיעה בספר "יסודות" של אוקלידס עוד במאה השלישית לפני הספירה.
מספר עשורים לאחר מכן פיתח ארטוסתנס את הנפה של ארטוסתנס, שהיא שיטה יעילה ליצירת טבלאות של מספרים ראשוניים.
באמצעות שיטה זו ניתן היה להבחין בתבניות הקשורות להתפלגות המספרים הראשוניים.
המשוואה (כאשר הוא פרמטר טבעי ו- הם נעלמים שלמים) נחקרה עוד בעת העתיקה.
ב המתמטיקאי ההודי בהסקארא השני הציג פתרון כללי למשוואה, אולם פתרון זה לא הגיע לאירופה.
כ-500 שנה מאוחר יותר פייר דה פרמה פתר משוואה זו מחדש, והפתרון נודע באירופה.
אוילר כינה משוואה זו משוואת פל, מכיוון שייחס את הפתרון בטעות לג'ון פל, ומאז התקבע השם.
במקרה בו ל- יש גורמים ראשוניים המשאירים שארית 3 בחלוקה ל-4, ההוכחה הראשונה של משפט דיריכלה השתמשה בפתרון של גרסה של משוואת פל.
עבור שאר המקרים, את מקומה של משוואת פל מחליפה המשוואה , והיא פשוטה מאוד.
אנליזה מתמטית וקשריה עם תורת המספרים
אייזק ניוטון וגוטפריד וילהלם לייבניץ, מתמטיקאים אירופיים מהמאות ה-17–18, אבות האנליזה המתמטית.
אחד החידושים בהוכחתו של דיריכלה הוא שימוש מרכזי באנליזה מתקדמת כדי לקבל תוצאות בתורת המספרים.
האנליזה המתמטית פותחה ב על-ידי אייזק ניוטון וגוטפריד וילהלם לייבניץ (אף שניצניה הופיעו מאות רבות קודם לכן, החל לפחות בעבודותיו של ארכימדס).
אף שהאנליזה המתמטית פותחה לצורך מחקר הפיזיקה ולשימושים בהנדסה, מתמטיקאים רבים הוסיפו לפתח את האנליזה המתמטית ובמרוצת השנים היא נהייתה שימושית מאוד במגוון תחומים במתמטיקה ובמדעים אחרים.
האנליזה המתמטית איפשרה לטפל באופן שיטתי בסכומים אינסופיים.
לאונרד אוילר פיתח מאוד את תורת הטורים והשתמש בה (ובכלים נוספים מהאנליזה) לטובת תורת המספרים.
אפשר לראות בעבודותיו אלה של אוילר את לידתה של תורת המספרים האנליטית, אולם השימוש באנליזה לצורך ההוכחה של משפט דיריכלה מובהק בהרבה מהשימוש של אוילר בכלים מהאנליזה בתורת המספרים.
לכן רבים רואים בהוכחה של משפט דיריכלה את נקודת לידתה של תורת המספרים האנליטית המודרנית.
האנליזה המתמטית פותחה תחילה ללא הגדרות והוכחות ריגורוזיות.
במשך השנים היא קיבלה צורה מתמטית ריגורוזית.
בתהליך השתתפו מתמטיקאים רבים והוא הושלם רק לקראת סוף המאה ה-19, אולם כבר בתחילת המאה ה-19 הכלים האנליטיים שבהם השתמש דיריכלה בהוכחתו היו ריגורוזיים למדי, כך שהוכחתו נחשבת למלאה גם בסטנדרטים מודרניים.
במאה ה-18 חקר לאונרד אוילר את התפלגותם של מספרים ראשוניים.
הוא חקר את הפונקציה שלימים הורחבה על ידי רימן ונקראה פונקציית זטא של רימן.
פונקציה זו היא ארכיטיפוס של משפחה רחבה של פונקציות הנקראות פונקציות L.
לפוקציות אלה (כמו גם לפונקציית זטא של רימן) היה תפקיד מכריע בהוכחה של דיריכלה.
אוילר פיתח את נוסחת המכפלה של אוילר עבור פונקציית זטא של רימן, נוסחה זו הפכה לימים כלי מרכזי בתורת המספרים האנליטית בכלל ובהוכחת משפט דיריכלה בפרט.
באמצעות נוסחה זו הוכיח אוילר (בשנת 1737) כי טור ההופכיים של המספרים הראשוניים מתבדר.
אוילר התייחס בעבודותיו לטענה של משפט דיריכלה ללא הוכחה.
בנוסף, התברר לימים כי עבודותיו של אוילר על חבורת המספרים ההפיכים מודולו חיוניות להוכחה.
בשנת 1798 ניסח אדריאן-מארי לז'נדר את משפט דיריכלה ואף הציג הוכחה לו, אולם הוכחה זו הייתה שגויה.
הוא השתמש בטענה טכנית מסוימת וכתב שקל להוכיח אותה.
אולם לא כך היה הדבר.
טענה זו הופרכה בשנת 1858 על-ידי אתאנאס דופרה .
עם זאת לז'נדר נתן הוכחה נכונה למספר מקרים פרטיים.
בשנת 1801 פרסם קרל פרידריך גאוס את הספר "מחקרים אריתמטיים", שבנוסף לידע שהיה קיים אז בתורת המספרים, הכיל גם עבודות חדשות של גאוס על תבניות ריבועיות.
בעבודותיו אלה חקר את השאלה איזה מספרים שלמים אפשר לבטא בצורה כאשר שלמים נתונים ו- משתנים שלמים.
במחקריו של גאוס הופיע אינווריאנט הנקרא מספר המחלקה של מספר שלם, הקשור לתבנית ריבועית.
כמו כן, כלל גאוס בספר זה את ההוכחות הראשונות (שלו) להדדיות הריבועית.
להדדיות הריבועית ולמספר המחלקה היה תפקיד חשוב בהוכחתו של דיריכלה, אם כי חלק מההוכחות המאוחרות יותר לא משתמשות בהם.
בתחילת המאה ה-19 פיתח ז'וזף פורייה שיטה לקרב כל פונקציה מחזורית על ידי קומבינציה של פונקציות טריגונומטריות.
שיטה זו היא אנליטית מטבעה ועוסקת באובייקטים רציפים.
עד היום מרבית השימושים בשיטה הם אנליטיים ורציפים.
אולם לימים התברר שגרסה דיסקרטית של השיטה היא בעלת תפקיד מפתח בהוכחת משפט דיריכלה.
בשנים 1837–1839 הוכיח יוהאן פטר גוסטב לז'ן דיריכלה את המשפט בסדרת מאמרים.
בשנת 1837 דיריכלה הצהיר על כך שהוכיח את המשפט ופרסם את ההוכחה עבור ראשוני.
הוא גם הצביע על הטעות בהוכחתו של לז'נדר.
את ההוכחה למקרה הכללי פרסם דיריכלה ב-1839.
הוכחתו של דיריכלה מתבססת על התמרת פורייה דיסקרטית, על חבורת אוילר ועל משפחת פונקציות שהוא הגדיר הנקראות כיום פונקציות L של דיריכלה ומהוות הכללה של פונקציית זטא של רימן.
השלב הראשון בהוכחתו של דיריכלה מהווה רדוקציה לאי־התאפסות של פונקציות בנקודה 1. שלב זה הופיע במאמרים מ-1837 למקרה הכללי.
דיריכלה גם נתן במאמרים אלו נוסחה מפורשת לערך של פונקציות בנקודה 1 והצליח להוכיח מנוסחה זו את אי־ההתאפסות עבור ראשוני.
במאמרים משנת 1839 הציג דיריכלה נוסחה אחרת לערך של פונקציות בנקודה 1 הקושרת בין ערך זה לאינווריאנט מסוים של מספר שלם הנקרא מספר המחלקה.
נוסחה זו נקראת נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה והוכחתה מתבססת על עבודותיו של גאוס על תבניות ריבועיות.
הנוסחה גוררת באופן מיידי את אי־ההתאפסות של פונקציות בנקודה 1 ובכך משלימה את ההוכחה.
הוכחתו של דיריכלה נותנת גם מידע כמותי על התפלגות הראשוניים בסדרה חשבונית: היא מוכיחה שצפיפות דיריכלה שלהם מבין כל הראשוניים היא חיובית.
אולם היא לא מספקת מידע על הצפיפות הטבעית של קבוצת הראשוניים בסדרה חשבונית.
כאמור ההוכחה של משפט דיריכלה מחולקת לשני חלקים:
רדוקציה לאי־התאפסות של פונקציית בנקודה 1.
החלק הראשון כמעט ולא השתנה עם השנים.
ישנן מספר גרסאות לחלק זה, אך הן דומות למדי.
הדרכים המודרניות להציג את ההוכחה שונות במקצת מההצגה המקורית.
לעומת זאת, במרוצת השנים, מתמטיקאים רבים מצאו גרסאות רבות ושונות לחלק השני של ההוכחה.
ישנן גם הוכחות מועטות למשפט דיריכלה שאינן עוברות דרך פונקציית כלל.
עבודותיו של דדקינד על תורת המספרים האלגברית
במחצית השנייה של המאה ה-19 כתב ריכרד דדקינד את הספר "הרצאות בתורת המספרים" (Vorlesungen über Zahlentheorie), שסיכם את עבודותיו של דיריכלה והכיל מספר תוספות של דדקינד.
בספר זה הוא ניסח מחדש את הוכחתו של דיריכלה בצורה מודרנית וקונספטואלית יותר.
בגרסאות המאוחרות של הספר, הוא פיתח את התורה של חוגי השלמים בשדות מספרים והאידיאלים שלהם.
תורה זו מאפשרת ניסוח מחדש של המושג מספר המחלקה במונחים של הרחבות ריבועיות של במקום תבניות ריבועיות.
בכך היא מאפשרת גם הכללת מושג זה עבור שדות מספרים כלליים.
דדקינד הוכיח הכללה של נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה לשדות מספרים כלליים.
הכללה זו נקראת נוסחת מספר המחלקה של דדקינד.
היא מספקת הוכחה נוספת למשפט דיריכלה.
הוכחה זו לא עושה שימוש בהדדיות ריבועית, ובמובן מסוים היא קונספטואלית יותר, אבל היא פחות אלמנטרית כיוון שהיא עושה שימוש בכלים מתקדמים יותר מתורת המספרים האלגברית.
בפרט היא החליפה את השימוש במשוואת פל (הפשוטה יחסית) בשימוש במשפט היחידות של דיריכלה המהווה הכללה של משוואת פל.
בשלהי המאה ה-19 הציג פרנץ מרטנס מספר הוכחות אנליטיות אלמנטריות לאי־התאפסות של פונקציית בנקודה 1. ההוכחות האלה היו פשוטות יותר מהוכחתו של דיריכלה.
הן לא עברו דרך נוסחת מספר המחלקה.
למעשה הן לא נתנו מידע ישיר על הערך של פונקציית , אלא רק את העובדה שהיא לא מתאפסת.
הרחבה של פונקציית זטא ופונקציות L למישור המרוכב
בשנת 1859 פרסם ברנהרד רימן את מאמרו על מספר הראשוניים מתחת לגודל נתון, שבו הוא הרחיב את ההגדרה של פונקציית זטא של רימן (שהוגדרה במקור על ידי אוילר עבור משתנה ממשי גדול מ-1) לכל משתנה מרוכב.
הרחבה זו איפשרה לקבל מידע רב על מספרים ראשוניים באמצעות אנליזה מרוכבת, ובכך סללה את הדרך להוכחת משפט המספרים הראשוניים.
Lipschitz) הרחיבו את תוצאותיו של רימן עבור פונקציות L של דיריכלה.
משפט המספרים הראשוניים וגרסה מדויקת יותר של משפט דיריכלה
בשנת 1896 הוכיחו ז'אק אדמר ושארל דה לה ואלה פוסן את משפט המספרים הראשוניים, בהתבסס על עבודותיו של רימן.
ביחד עם הוכחותיהם למשפט המספרים הראשוניים, הוכיחו אדמר ודה לה ואלה פוסן גרסה של משפט דיריכלה שנותנת מידע על הצפיפות הטבעית של קבוצת המספרים הראשוניים בסדרה חשבונית.
הוכחתם משלבת בין הוכחתו של דיריכלה והוכחת משפט המספרים הראשוניים.
בתחילת המאה ה-20 מצא אדמונד לנדאו שתי הוכחות אנליטיות נוספות לאי־התאפסות של פונקציית L ב-1. הוכחות אלו קצרות אף יותר מההוכחות של מרטנס, אך משתמשות בכלים של אנליזה מרוכבת ובכך פחות אלמנטריות.
ההוכחות ללא פונקציות L של דיריכלה
החל מאמצע המאה ה-20 נמצאו מספר הוכחות (על ידי אטלה סלברג, הרולד שפירו, הנס זסנהאוס ואחרים) למשפט דיריכלה אשר לא משתמשות בפונקציית L של דיריכלה.
הוכחות אלה משתמשות בכלים מאנליזה ואינן אלמנטריות או פשוטות יותר מהוכחתו של דיריכלה, אולם הן שונת ממנה באופן מהותי.
ההוכחות מתבססות בין היתר על הכלים שפותחו על ידי סלברג ופאול ארדש בהוכחתם האלמנטרית של משפט המספרים הראשוניים.
אחת מההוכחות של סלברג למשפט דיריכלה מוכיחה את הגרסה על הצפיפות הטבעית של הראשוניים בסדרה חשבונית.
בדומה להוכחה של סלברג וארדש למשפט המספרים הראשוניים, הוכחה זו לא משתמשת באנליזה מרוכבת אלה רק באנליזה ממשית.
למשפט דיריכלה נמצאו הכללות במשך השנים.
כמו כן מספר השערות ידועות מהוות הכללות שלו.
משפט הצפיפות של צ'בוטרב ומשפט פרובניוס: שני משפטים אלה מחשבים את הצפיפות של תתי-קבוצות מסוימות של קבוצת המספרים הראשוניים.
משפט פרובניוס אינו מכליל את משפט דיריכלה אך אנלוגי לו, והוכחתו התבססה על הוכחת משפט דיריכלה.
משפט הצפיפות של צ'בוטרב מהווה הכללה משותפת של משפט דיריכלה ומשפט פרובניוס.
לשני המשפטים גרסאות הנוגעות לצפיפות דיריכלה ולצפיפות הטבעית.
בהינתן פולינום (עם מקדמים שלמים), משפט פרובניוס מחשב את הצפיפות של קבוצת המספרים הראשוניים כך שהפולינום מודולו מתפרק לגורמים בלתי פריקים בתבנית פירוק מסוימת.
תבנית פירוק היא מספר הגורמים הבלתי פריקים, ריבויים ודרגותיהם.
דוגמה לתבנית פירוק היא התפצלות הפולינום לגורמים ליניאריים.
משפט צ'בוטרב אומר שבהינתן הרחבת שדות ואיבר בחבורת גלואה קיימים אינסוף ראשוניים כך שמחלקת פרובניוס המתאימה להם ב תכיל את .
המשפט גם מחשב את הצפיפות של קבוצת הראשוניים האלה.
כדי לקבל את משפט דיריכלה ממשפט צ'בוטרב יש להציב את המקרה בו היא הרחבה ציקלוטומית (או באופן שקול את המקרה בו ).
הוכחת המשפטים האלו מקבילה להוכחת משפט דיריכלה.
היא משתמשת בכלים מתורת המספרים האלגברית שפיתחו דדקינד ופרובניוס.
את אי־ההתאפסות (והסופיות) של פונקציית L של דיריכלה ב - 1 מחליפה אי־ההתאפסות (והסופיות) של פונקציית L של ארטין ב - 1.
ניתן לראות במשפט דיריכלה חלק מתופעה כללית, על-פיה במקרים רבים בהינתן תנאי מסוים שאין מניעה ברורה שמספרים ראשוניים יקיימו אותו, אז קיימים מספרים ראשוניים המקיימים אותו.
דוגמאות נוספות לתופעה זו הן:
משפט דיריכלה הוא הדוגמה הראשונה לתופעה זו שהוכחה.
השערה מרחיקת לכת הממחישה תופעה זו היא השערת דיקסון המוכללת, האומרת שאם הם פולינומים במשתנה אחד עם מקדמים שלמים המקיימים תנאים מסוימים, אז קיימים אינסוף מספרים טבעיים כך שהמספרים הם ראשוניים.
השערה זו נקראת גם השערת בוניאקובסקי (Bunyakovsky conjecture) המוכללת.
ההשערה מכלילה את כל הטענות שנמנו מעלה למעט השערת גולדבך.
חלק מרכזי במשפט דיריכלה הוא אי־ההתאפסות של פונקציית L של דיריכלה ב-1. ישנן טענות אי־התאפסות של פונקציות L שונות, בהן כאלה שמכלילות את משפט דיריכלה.
אי־התאפסות של פונקציית זטא של רימן על הישר הוכחה על ידי אדמר ודה לה ולה פוסן.
היא גוררת את משפט המספרים הראשוניים.
אי־התאפסות של פונקציית של דיריכלה על הישר הוכחה על ידי אדמר ודה לה ולה פוסן.
היא גוררת את הגרסה של משפט דיריכלה לגבי הצפיפות הטבעית.
אי־התאפסות של פונקציית של ארטין ב-1 גוררת את משפט הצפיפות של צ'בוטרב.
אי־התאפסות של פונקציית של ארטין על הישר גוררת גרסה של משפט צ'בוטרב התקפה לגבי הצפיפות הטבעית.
ההכללה האולטימטיבית של כל אי־ההתאפסויות האלה היא השערת רימן המוכללת.
עיקר השפעתו של משפט דיריכלה היא עקיפה.
אולם למשפט גם מספר שימושים ישירים.
משפט דיריכלה והגרסאות הכמותיות שלו מהווים כלי מרכזי בהוכחת השערת גולדבך החלשה.
משפט דיריכלה גורר כי עבור אינסוף ראשוניים , הפולינום מתפצל לגורמים ליניאריים מעל השדה .
משפט צ'בוטרב גורר את אותו הדבר עבור כל פולינום עם מקדמים שלמים.
כך שבעוד שעבור כל מספר ראשוני השדה הסופי אינו סגור אלגברית, לפי משפט דיריכלה ומשפט צ'בוטרב, כל השדות האלה יחד מהווים מעין "מערכת סגורה אלגברית".
בהינתן מערכת משוואות פולינומיות עם מקדמים שלמים במספר משתנים, השערות וייל מספקות קשר בין הטופולוגיה של היריעה של הפתרונות המרוכבים של ובין מספר הנקודות בקבוצה של הפתרונות ב- של .
השימוש המרכזי של השערות וייל הוא לקבל מידע על הקבוצה באמצעות היריעה .
אולם בזכות משפט דיריכלה ומשפט צ'בוטרב ניתן גם לקבל מידע על היריעה באמצעות כל הקבוצות כאשר רץ על כל הראשוניים.
ניתן לראות במשפט דיריכלה את לידתה של תורת המספרים האנליטית.
אומנם שימוש באנליזה לטובת תורת המספרים הופיע עוד בעבודותיו של אוילר, אולם תפקידה של האנליזה בהוכחתו של דיריכלה היה סיסטמטי ומסיבי בהרבה.
משפט דיריכלה יצר פרדיגמה חדשה בתורת המספרים.
על פי פרדיגמה זו, כדי לחקור שאלה מסוימת בתורת המספרים יש לבצע את השלבים הבאים:
להתאים לשאלה הנחקרת פונקציית L, זו אומרת טור דיריכלה המקודד את הבעיה.
להוכיח תכונות בסיסיות של פונקציית L זו: מכפלת אוילר, ולאחר עבודותיו של רימן, גם המשכה אנליטית (למישור המרוכב) ומשוואה פונקציונלית.
לחקור פונקציית L זו בכלים אנליטיים.
הוכחת אי־ההתאפסות שלה באזורים מסוימים במישור המרוכב.
הוכחת הרגולריות שלה באזורים מסוימים במישור המרוכב.
להסיק מהתנהגות פונקציית L זו מסקנות על השאלה המקורית בתורת המספרים.
פרדיגמה זו השתרשה עד כדי כך, שכיום תוצאות רבות בתורת המספרים מנוסחות כתוצאות על תכונות של פונקציות L, ללא גזירה של מסקנות לגבי האובייקטים מתורת המספרים שפונקציות L אלה מבוססות עליהם.
להלן מספר דוגמות לפונקציות L הנחקרות כיום:
פונקציית זטא של רימן – מקודדת תכונות של המספרים הראשוניים.
פונקציית L של דיריכלה – מקודדת תכונות של המספרים ראשוניים בסדרה חשבונית וקרקטרי דיריכלה.
פונקציית זטא של דדקינד – מקודדת תכונות של שדות מספרים.
פונקציית L של ארטין – מקודדת תכונות של הצגות גלואה של הרחבות שדות מספרים.
פונקציית L של הקה – מקודדת תכונות של חבורת מחלקות האידלים וקרקטרי הקה.
פונקציית L של תבנית אוטומורפית – מקודדת תכונות של תבניות אוטומורפיות.
פונקציית L מוטיבית – מקודדת תכונות של אובייקטים מגאומטריה אלגברית אריתמטית.
פונקציית זטא של הסה-וויל ופונקציית זטא אריתמטית - שתיהן סופרות נקודות ביריעות אלגבריות מעל שדה סופי.
פונקציית זטא של איגוסה – סופרת נקודות ביריעות אלגבריות מעל חוגים סופיים.
פונקציות L מופיעות גם מחוץ לתורת המספרים, כאשר סופרים אובייקטים.
פונקציית זטא של חבורה – טור דיריכלה הסופר תתי-חבורות של חבורה.
פונקציית זטא הצגתית של חבורה - טור דיריכלה הסופר הצגות של חבורה.
הערה: פונקציות זטא הן מקרה פרטי של פונקציות L, בו כל המקדמים הם חיוביים.
לעיתים, הדרך לקשר בין שני אובייקטים שונים היא להוכיח שיש להם אותה פונקציית L.
השערת לנגלנדס והשערת טניאמה-שימורה הן דוגמאות לקשר כזה.
תורת המספרים האלגברית ואלגברה קומוטטיבית
שימושים בכלים אלגבריים לטובת תורת המספרים עתיקים כמו תורת המספרים עצמה, כך שתורת המספרים האלגברית התפתחה לאורך תקופה ארוכה.
במהלך המאה ה-19 חלה התפתחות דרמטית בתחום זה.
אחת מאבני הדרך המשמעותיות בתחום זה הן העבודות של דדקינד על חוגי שלמים בשדות המספרים והאידיאלים שלהם.
עבודות אלה שמתבססות על עבודותיו של קומר מהוות המשך ישיר לעבודותיו של דיריכלה על משפט דיריכלה.
האלגברה הקומוטטיבית פותחה על ידי הילברט ונתר בהתבסס על עבודותהם של דדקינד וקומר.
ההתפתחות של תורת ההצגות ושל תורת המספרים האלגברית שזורות זו בזו.
ניתן לראות בעבודותיו של פורייה על פירוק של פונקציה לקומבינציה של פונקציות טריגונומטריות את תחילתה של תורת ההצגות.
פירוק זה נקרא טור פורייה (או התמרת פורייה).
מנקודת מבט מודרנית, אפשר לראות פירוק זה כפירוק של מרחב הפונקציות על הישר (או המעגל) לתתי מרחבים אינווריאנטים לגבי הזזות.
במילם אחרות: פירוק של ההצגה הרגולרית של הישר (או המעגל) להצגות בלתי פריקות.
אולם בשלב זה, רעיונות אלה הוגבלו למספר מצומצם של דוגמאות דומות, ורק לחבורות קומוטטיביות.
דיריכלה, שהיה תלמידו של פורייה, הוציא את הרעיונות האלה מההקשר של אנליזה שבה הם פותחו והפעיל אותם על דוגמאות נוספות של חבורות קומוטטיביות.
מהלך זה היה אחד הרעיונות המשמעותיים בהוכחת משפט דיריכלה.
דדקינד שיכתב את עבודותיו של דיריכלה בשפה כללית ונקייה יותר, ובכך פיתח את התמרת פורייה ותורת הקרקטרים עבור חבורה אבלית סופית כלשהי.
דדקינד הבין שבשביל שימושים מתקדמים יותר בתורת המספרים הוא צריך גם אנלוגים של תורת הקרקטרים גם עבור חבורות לא קומוטטיביות.
במכתביו לפרובניוס הציע לו דדקינד לפתח תורה כזאת.
פרובניוס הצליח לפתח תורה זו במאמרו המפורסם משנת 1896. במאמר זה פותחה תורה מעמיקה של קרקטרים של חבורות לא קומוטטיביות, ואנלוגים של פירוק פורייה בשבילן, אולם מושג ההצגה עוד לא היה קיים.
עבודותיו של פרובניוס איפשרו להגדיר את פונקציית L של ארטין, שהיא הכללה של פונקציית L של דיריכלה, ולהוכיח את משפט צ'בוטרב שהוא הכללה של משפט דיריכלה.
את מושג ההצגה הגדיר תלמידו של פרובניוס, ישי שור, ובכך הניח את היסודות לתורת ההצגות בצורתה המודרנית.
שור גם הסביר את הקשר בין הצגות וקרקטרים.
במהלך המאה ה-20 התפתחה תורת ההצגות והפכה לתחום מרכזי במתמטיקה המקושר לתחומים שונים הכוללים לצד תורת המספרים גם אלגברה, גאומטריה, אנליזה ואפילו פיזיקה.
אולם תורת המספרים האנליטית הייתה ונשארה אחד המקורת המרכזיים לשאלות בתורת ההצגות.
כך לדוגמה התחום של תבניות והצגות אוטומורפיות הוא תחום משותף לתורת המספרים ותורת ההצגות.
כמו כן תורת ההצגות של חבורות p-אדיות הוא תחום בתורת ההצגות השואב את עיקר המוטיבציה שלו מתורת המספרים.
כל ההוכחת הידועות למשפט דיריכלה הן אנליטיות, ומוכיחות טענה חזקה יותר מאינסופיות קבוצת הראשוניים בסדרה חשבונית.
אולם עבור מקרים פרטיים של משפט דיריכלה יש הוכחות אלגבריות הדומות להוכחתו של אוקלידס לכך שיש אינסוף ראשוניים וכמעט שאינן מספקות מידע על צפיפות קבוצה זו.
רוב ההוכחות האלה מבוססות על הרעיון הבא: מוצאים פולינום כך שלכל טבעי, למספר יש גורם ראשוני בסדרה החשבונית.
אז מציבים מכפלה של ראשוניים מהסדרה החשבונית לפולינום כדי לקבל מחלקים ראשוניים מהסדרה החשבונית שלא השתתפו במכפלה.
נדגים שיטה זו במספר מקרים:
מספרים שמשאירים שארית 3 בחלוקה ל-4
משפט יש אינסוף ראשוניים שמשאירים שארית 3 בחלוקה ל-4.
מספרים שאינם ריבוע מודולו m
הוכחה דומה נותנת את המשפט הבא:
אז יש אינסוף ראשוניים שאינם ריבוע מודולו .
מספרים שהם 1 מודולו m
אז יש אינסוף ראשוניים בסדרה החשבונית
הוכחת המשפט מתבססת על הלמה הבאה:
למה לכל קיים פולינום עם מקדמים שלמים ומקדם חופשי שווה ל- כך שלכל טבעי, כל מחלק ראשוני של מקיים .
הפולינום הוא למעשה כאשר הוא הפולינום הציקלוטומי של .
הוכחת הלמה מתבססת על כלים של תורת המספרים האלגברית, ההוכחה איננה פשוטה אך אלגברית לחלוטין.
לצורך המחשה נביא כאן את ההוכחה כאשר ראשוני.
מטענות אלה נובע משפט דיריכלה ל- .
נקודת המוצא של הוכחתו של דיריכלה (כמו גם של כמעט כל ההוכחות המאוחרות יותר) היא נוסחת המכפלה של אוילר:
כאשר המכפלה עוברת על כל המספרים הראשוניים.
הנוסחה מבוססת על טורים הנדסיים ועל משפט קיום ויחידות של פירוק לגורמים ראשוניים.
הנוסחה מאפשרת לקבל מידע על ההתפלגות של מספרים ראשוניים (מאגף ימין) באמצעות כלים של אנליזה (בהם מנתחים את אגף שמאל).
עם זאת, בצורתה זו הנוסחה לא נותנת מידע רב, שכן שני אגפיה מתבדרים.
כדי להפוך אותה לשימושית יותר, מכניסים פרמטר ממשי ומחליפים את הנוסחה בנוסחת המכפלה של אוילר עבור פונקציית זטא של רימן:
באופן כללי, כדי לקבל מנוסחה זו את המידע הדרוש לנו, יש לנתחה כאשר שואף ל-.
בדרך כלל כדי להבין את הטיעונים ברמה האינטואיטיבית אפשר להציב , אבל זה לא מספיק כדי לקבל הוכחה ריגורוזית.
ממכפלת אוילר ניתן לקבל שטור ההופכיים של המספרים הראשוניים מתבדר.
לשם כך לוקחים לוגריתם של שני הצדדים של הנוסחה ומשתמשים בקירוב טיילור מסדר ראשון של הלוגריתם, ומקבלים:
באופן פשטני אפשר לומר כי הרעיון בהוכחתו של דיריכלה הוא להתאים טיעון זה לטור דומה עבור הראשוניים בסדרה חשבונית.
אחד הרעיונות המהפכניים של רימן בתורת המספרים האנליטית היא להציב לפונקציית זטא ערכים מרוכבים של המשתנה (עם חלק ממשי גדול מ-1) ואז להמשיך את פונקציית זטא של רימן לפונקציה מרומורפית המוגדרת על המישור המרוכב כולו.
זה הופך את פונקציית זטא לכלי עוצמתי לחקר ההתפלגות של המספרים הראשוניים.
רעיון זה הוביל בין היתר להוכחת משפט המספרים הראשוניים.
אולם רעיון זה הופיע כ-30 שנה לאחר הוכחת משפט דיריכלה ואינו מופיע בהוכחה המקורית של דיריכלה.
חלק מההוכחות המאוחרות יותר משתמשות ברעיון זה, מה שמקצר את ההוכחה.
המחיר של קיצור זה הוא שימש בכלים מתקדמים יחסית מאנליזה מרוכבת, שהוכחתם לא פשוטה.
הוכחתו של דיריכלה (כמו גם כמעט כל ההוכחות המאוחרות יותר) משתמשת במספרים מרוכבים במקום אחר: פונקציות של דיריכלה, שהן גרסאות של פונקציית זטא של רימן הנחוצות בהוכחה, הן פונקציות עם ערכים מרוכבים גם כאשר המשתנה שלהן ממשי.
שימוש זה לא דורש אנליזה מרוכבת אלא רק הבנה של מספרים מרוכבים, ולכן פשוט בהרבה.
גם שימוש זה לא הכרחי, אפשר להחליף אתו בשימוש בפונקציות טריגונומטריות, אולם החלפה כזאת תסרבל את ההוכחה ותסתיר את הרעיונות שבה, כך שהיא לא מקובלת.
מכפלת אוילר נותנת מידע על התפלגות כל הראשוניים, בעוד שעבור משפט דיריכלה יש צורך במידע על התפלגות הראשוניים בסדרה חשבונית.
לא ניתן להתאים את מכפלת אוילר באופן ישיר כדי שהיא תערב רק מספרים בתת-קבוצה מסוימת, אולם לעיתים ניתן להתאים את מכפלת אוילר כדי שהיא תערב את כל המספרים עם משקלים מסוימים.
עבור פונקציה חסומה אפשר להגדיר גרסה ממושקלת של פונקציית זטא של רימן באופן הבא:
טור כזה נקרא באופן כללי טור דיריכלה.
עבור בחירות מסוימות של יהיו לפונקציה זו חלק מהתכונות הטובות של פונקציית זטא של רימן, לרבות מכפלת אוילר.
מקרה אחד כזה הוא כאשר הפונקציה היא קרקטר דיריכלה.
הגדרהקרקטר דיריכלה עם מנחה (condactor) הוא פונקציה המקימת:
לכל שאינו זר ל- מתקיים:
לטורי דיריכלה עם פונקציית משקל שהיא קרקטר דיריכלה קוראים פונקציות של דיריכלה.
עבור פונקציות אלה מתקימת נוסחת המכפלה של אוילר:
כיוון שקרקטר דיריכלה הוא פונקציה מחזורית (תנאי 1) ניתן לראות בו פונקציה על החוג הסופי .
כיוון שהוא מתאפס על האיברים הלא הפיכים בחוג זה (תנאי 2) ניתן לראות בו פונקציה על חבורת האיברים ההפיכים בחוג זה.
חבורה זו נקראת חבורת אוילר ומסומנת ב-.
מנקדת מבט זו קרקטר דיריכלה הוא קרקטר כפלי של החבורה .
קרי הומומורפיזם מחבורה זו לחבורה .
אוסף כל הקרקטרים של חבורה נקרא החבורה הדואלית של ומסומן ב-.
בהתאם, אוסף כל קרקטרי דיריכלה עם מנחה מסומן ב-.
אנו מעוניינים בראשוניים בסדרה החשבונית .
באופן עקרוני ניתן לבודד ראשוניים אלה על ידי שימוש בפונקציית משקל שתהיה הפונקציה המציינת של הסדרה החשבונית.
אולם פונקציה זו איננה קרקטר, ולכן מכפלת אוילר לא תקפה עבורה.
דיריכלה התמודד עם קושי זה בכך שהוא הציג את הפונקציה המציינת של הסדרה החשבונית בתור צירוף ליניארי של קרקטרים.
באופן ספציפי, הוא הוכיח את הטענה הבאה:
או, באופן מפורש יותר, לכל מתקיים:
טענה זו היא מקרה פרטי של התמרת פורייה על חבורות אבליות סופיות:
משפטלכל חבורה סופית ולכול פונקציה מתקיים:
למשפט זה יש הכללה לחבורת אבליות טופולוגיות קומפקטיות מקומית ואף לחבורת לא אבליות.
ניתן להוכיח את המשפט על ידי ליכסון משותף של אופרטורים ממרחב הפונקציות לעצמו המתקבלים מהזזה באיברי .
אך יש למשפט גם הוכחות אלמנטריות יותר.
למשל הוא נובע בקלות יחסית מהלמה הבאה:
למהלכל חבורה אבלית סופית ולכל מתקיים:
עובדה זו (הנכונה בנוסח המוכלל לכל חבורה סופית) נובעת מ"יחס שור השני" על טבלת הקרקטרים.
ניתן להסיק אותה גם מן הלמה הבאה:
למהלכל חבורה סופית ולכל קיים כך שמתקיים: .
למה זו נובעת בקלות ממשפט המיון לחבורות אבליות נוצרות סופית המראה ש-x שייך למחובר ישר ציקלי; אך ניתן גם להוכיח אותה ישירות על ידי הרחבה הדרגתית של קרקטר מתת-חבורה לכל החבורה.
כמו כן, במקרה שרלוונטי למשפט דיריכלה ניתן גם להוכיח אותה באמצעות ניתוח המבנה של החבורה המבוסס על משפט השאריות הסיני.
רדוקציה להתכנסות ואי־התאפסות של פונקציית L של דיריכלה
משפט דיריכלה נובע מהטענה הבאה:
כאשר היא הפונקציה המציינת שהוגדרה למעלה.
באופן דומה להסבר למעלה, מכאן, ניתן להסיק ש:
כאשר היא פונקציה חסומה בקרן .
אם הוא הקרקטר הטריוויאלי אז דומה מאוד לפונקציית זטא של רימן, ובפרט .
כך שכדי להוכיח ש די להוכיח ש חסום בסביבת עבור לא טריוויאלי.
במילים אחרות, די להוכיח ש:
הערה: לשוויונים למעלה יש משמעות ריגורוזית רק כאשר .
כמו כן, פונקציית הלוגריתם איננה מוגדרת ביחידות, כך שהטיעון שהוצג איננו ריגורוזי.
ניתן לקבל טיעון ריגורוזי בהתבסס על הלמה הפשוטה הבאה:
התכנסות של פונקציית L של דיריכלה
נקבע קרקטר לא טריוויאלי בעל מחזור .
ההתכנסות (בתנאי) של הטור היא טענה פשוטה למדי.
היא נובעת בקלות ממבחן דיריכלה להתכנסות טורים ומהלמה הפשוטה הבאה:
למעשה קל להסיק מלמה זו גם חסם יעיל על קצב ההתכנסות של הטור.
לפיכך, כדי להוכיח את המשפט דיריכלה, די להוכיח את המשפט הבא:
משפט עבור כל קרקטר דיריכלה לא טריוויאלי מתקיים:
משפט זה לא פשוט כלל, ולמעשה מהווה את עיקר הקושי בהוכחת משפט דיריכלה, אולם, יש הבדל עקרוני משמעותי בינו לבין משפט דיריכלה:
בעוד שגם עבור סדרה חשבונית נתונה, משפט דיריכלה אינו טריוויאלי כלל, משפט זה קל לבדיקה לכל קרקטר דיריכלה נתון: כדי להוכיח את המשפט לקרקטר נותון די לחשב את הסכום החלקי עד ל גדול מספיק כך שהערכה לשגיאה בחישוב הטור תהיה קטנה מערך הסכום החלקי.
אומנם בהיעדר חסם מלרע לערך של פונקציית ב-1, אין דרך לדעת כמה זמן יערוך חישוב כזה, אך (בהנחה שהמשפט מתקיים; מה שאנו יודעים בדיעבד) החישוב בהכרח יוכיח אותו בזמן סופי עבור הקרקטר הנתון.
כיוון שיש מספר סופי של קרקטרי דיריכלה עם מנחה (conductor) נתון, טיעון זה מאפשר להוכיח את משפט דיריכלה עבור כל סדרה חשבונית נתונה באמצעות חישוב סופי.
במחשב מודרני, קל לבצע את החישוב עד ערכי גדולים למדי (אלפים).
גם באמצעות חישוב ידני אפשר להוכיח את המשפט לערכי שעבורם הוא לא היה ידוע בטרם דיריכלה פיתח שיטה זו.
מההתכנסות של יחד עם הנוסחה למעלה, קל להסיק שההתבדרות של גוררת את ההתבדרות של לכל זר ל- .
במילים אחרות מקבלים רדוקציה של הגרסה הכמותית של משפט דיריכלה למקרה בו .
עם זאת רדוקציה זו לא תקפה לגרסה הרגילה של משפט דיריכלה.
כך שההוכחה האלגברית שהוסברה למעלה למשפט דיריכלה למקרה איננה מספיקה כדי לסיים את ההוכחה.
אולם ניתן להתאים את ההוכחה הזאת לכדי הוכחה של הגרסה הכמותית של משפט דיריכלה ובכך לסיים את ההוכחה.
דיריכלה מצא טיעון פשוט ואלגנטי להוכיח ש כאשר לא כל ערכי ממשיים.
לא כל ההוכחות למשפט דיריכלה משתמשות בטיעון זה.
זאת כיוון שאת רוב ההוכחות לאי־התאפסות במקרה שערכי ממשיים ניתן להתאים גם למקרה הכללי.
עם זאת, התאמות אלה בדרך כלל מכבידות על ההוכחה.
לכן, הרבה מקורות מציגים את הטיעון של דיריכלה למקרה הלא ממשי בנפרד, ובכך מפשטים את שאר ההוכחה.
כך גם נראתה ההוכחה המקורית של דיריכלה.
אפשר לראות בטיעון זה של דיריכלה כטעון דיכוטומיה: או ש לא מתאפס, או שהוא מתאפס באופן מובהק מספיק שיגרור מסקנות לא הגיונית על התפלגות הראשוניים בסדרה חשבונית שיובילו לסתירה.
באופן פורמלי יותר, הטיעון מבוסס על הלמה הבאה:
יהיו שני קרקטרים עם אותו מנחה (condactor).
הרעיון בהוכחת הלמה מבוסס על ניתוח צפיפות דיריכלה של הראשוניים בסדרה החשבונית : כאמור למעלה צפיפות זו נתונה על ידי הנוסחה
נסמן ב את הקרקטר הטריוויאלי.
באופן לא ריגורוזי, אם מניחים בשלילה ש- ומציבים לנוסחה מקבלים:
מה שלא ייתכן כי .
אמנם אין כל משמעות ריגורוזית לחיבור וחיסור של ערכים אינסופיים, אבל ניתן להפוך טיעון זה לריגורוזי:
מלמה זו קל להסיק אי־התאפסות של פונקציית לקרקטר לא ממשי:
הוכחה ש - עבור לא ממשי.
נקבל זה סותר את הלמה הקודמת.
מטענה זו ומהנוסחה למעלה קל להסיק את משפט דיריכלה (בגרסה הכמותית) עבור שאינו ריבוע מודולו אף מחלק גדול מ-2 של .
כמו כן, בשיטה דומה, אפשר לקבל רדוקציה של משפט דיריכלה לטענה הבאה:
כאשר היא הפונקציה המציינת של קבוצת המספרים שהם ריבוע מודולו .
מהלמה למעלה קל גם להסיק את הטענה הבאה:
רדוקציה להתבדרות פונקציית זטא של דדקינד
נקבע קרקטר דיריכלה ממשי .
על ידי פתיחת סוגריים קל להראות כי זהו טור דיריכלה עם מקדמים חיוביים.
למעשה (עד כדי מודיפיקציה קלה) זוהי פונקציית זטא של דדקינד עבור הרחבה ריבועית מסוימת של שדה המספרים הרציונליים.
השלב הבא ברוב ההוכחות של משפט דיריכלה הוא להראות שהתבדרות של טור זה ב - גוררת ש - .
באופן אינטואיטיבי אפשר להסביר זאת בכך שאם אז
קל להפוך טיעון זה לריגורוזי, באופן דומה להוכחת הלמה למעלה
מתכנס כש לכן התבדרות שקולה למעשה להתבדרות
זו בתורה שקולה להתבדרות הטור
ההתבדרות האחרונה היא למעשה מקרה פרטי של הגרסה הכמותית של משפט דיריכלה.
ואכן למקרה זה יש הוכחות אלגבריות כמעט לחלוטין שלא עושות שימוש בכל הארגומנטים לעליל, כך שאפשר לראות בכל ההוכחה עד כאן בתור רדוקציה למקרה זה.
אולם יש גם הוכחות אנליטיות למקרה זה אשר משתמשות בטיעונים לעליל וספציפית בפירוק
שאותו לא ניתן לראות סתם מחקר של קבוצת הראשוניים המקיימים .
המקרה של קרקטר לא ממשי
אומנם הראינו איך ניתן לטפל במקרה של קרקטר לא ממשי למעלה, אבל ניתן לטפל גם בו באמצעות פונקציית זטא של דדקינד מתאימה.
והיא למעשה פונקציית זטא של דדקינד עבור השדה הציקלוטומי (עד כדי מודיפיקציה קלה).
גם במקרה זה קל להראות שהתבדרות פונקציה זו ב גוררת עבור כל ושקול להתבדרות הטור
גם במקרה זה, ניתן להוכיח זאת הן בגישה אלגברית והן בגישה אנליטית, אך הוכחות אלה מסובכות יתר מההוכחות למקרה הממשי.
ההוכחות האנליתיות מתבססות על תופעת הדיכוטומיה הבאה: אם אז לא רק שטור הדיריכלה מתכנס ב אלא הוא גם מתכנס עבור כל חיובי.
זה מוביל לסתירה מכיוון שקל לראות שהטור מתבדר.
באופן מפורט יותר, תחילה כותבים את הפונקציה כטור דיריכלה: ומוכיחים את הלמה הפשוטה הבאה:
הוכחה המשתמשת באנליזה מרוכבת (ספציפית בלמה של לנדאו)
הוכחה אלמנטרית, אך קשה יותר טכנית
תחילה מוכיחים (באמצעות מבחן דיריכלה) שהטור מתכנס (בתנאי) כאשר .
לאחר מכן שמים לב כי עבור מתקיים:
מכאן מסיקים כי אם אז למכפלה יש המשכה אנליטית לחצי המישור .
לכן מכיוון שמקדמי הטור הם חיוביים, הלמה של לנדאו גוררת שטור זה מתכנס כאשר .
הוכחה זאת היא אחת מהוכחותיו של לנדאו.
ההוכחה האלמנטרית מתבססת על שיערוך הטור
ובשיטת ההיפרבולה של דיריכלה כדי לקבל שיערוך אסימפטוטי של הסכום
לשם כך יש לקבל את השיערוכים האסימפטוטיים הבאים:
כל אלה נותנים את השיערוך
כך שאם זה מוביל לסתירה עם החסם מלרע.
הוכחה זאת היא אחת מהוכחותיו של מרטנס.
קל למדי להתאים את ההוכחה שמשתמשת באנליזה מרוכבת לכל קרקטר .
ההוכחה האלמנטרית נהיית מסורבלת בהרבה אם מנסים להתאימה לקרקטר כללי, כך שהדבר לא נעשה מכיוון שהוא מיותר.
כאמור, אין הוכחות אלגבריות לחלוטין למשפט דיריכלה.
אולם ישנן הוכחות הדומות באופיין להוכחות האלגבריות למעלה להתבדרות , או באופן שקול לעובדה שיש הרבה ראשוניים המקיימים .
היתרונות בהוכחות האלגבריות הוא שהן מפורשות יותר ונותנות נוסחה מפורשת לערך כאשר הוא קרקטר ממשי.
נוסחה זו נקראת נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה.
הרעיון הוא למצוא פולינום כך שחלק ניכר מהמחלקים הראשוניים של ערכיו (בנקודות שלמות) יקיימו .
אולם הפעם לא די בכך, מכיוון שאנו צריכים שלפולינום יהיו די ערכים כדי לגרור את התבדרות הטור המתאים.
לכן זה צריך להיות פולינום במספר משתנים, מכיוון שקבוצת הערכים של פולינום לא ליניארי ממשתנה אחד דלילה מידי.
מתברר שהפולינום המתאים הוא כאשר מספר שלם מסוים התלוי ב- (עד כדי כפל בסימן וב-2 זה המנחה של ).
הנקודה המרכזית בחלק זה של ההוכחה היא הלמה הבאה:
לכל קרקטר ממשי קיים שלם כך שלכול שני שלמים כל מחלק של כך ש לא מחלק את מקיים .
למה זו איננה פשוטה כלל, והוכחתה משתמשת בהדדיות ריבועית.
עם זאת ניתן להוכיח אותה בצורה אלמנטרית ואלגברית לחלוטין.
כדי להשלים את ההוכחה, די להראות כי יש אחוז חיובי של מספרים מהצורה עד גודל מסוים.
הרי אם הם בטווח אז מספר האפשרויות ל הוא כ- והם כולם קטנים (בערכם המוחלט) מ- .
אולם מכיוון שהפולינום איננו פונקציה חח"ע זו אינה הוכחה.
כדי לקבל הוכחה יש לחסום את מספר הזוגות השונים שנותנים את אותו הערך בהצבה ל-.
בפרט יש להבין את פתרונות המשוואה
כאשר חיובי זו משימה קלה מאוד.
כאשר שלילי, משוואה זו נקראת משוואת פל וניתוחה מצריך עבודה מסוימת.
ניתן להביא טיעון זה לידי הוכחה ריגורוזית, אך הדבר קשה מבחינה טכנית.
הוכחתו המקורית של דיריכלה הייתה לאורך קווים אלו.
דדקינד פיתח שיטה אלגנטית ופשוטה להציג טיעון זה באמצעות כלים מתקדמים יותר מתורת המספרים האלגברית.
גישה המשתמשת בתורת המספרים האלגברית
הרחבה סופית של ), ניתן להגדיר את חוג השלמים בו להיות חוג כל איברי המהווים שלמים אלגבריים.
פונקציית זטא של דדקינד של השדה מוגדרת כך:
כאשר הסכום הוא על כל האידיאלים ב .
דדקינד הוכיח כי (עד כדי מודיפיקציה קלה) פונקציה זו שווה לפונקציה אם בוחרים את להיות הרחבה ריבועית מסוימת של המתאימה ל-.
טענה זו היא גרסה מתקדמת של הלמה למעלה, והוכחתה משתמשת בפריקות יחידה לאידיאלים בחוגי דדקינד ובהדדיות ריבועית.
כעת נותר להוכיח את ההתבדרות של בנקודה 1. לשם כך נשים לב ש:
כאשר הסכום הוא על כל האידיאלים הראשיים ב (ז.א.
אידיאלים הנוצרים על ידי איבר אחד).
כאשר הוא הערך המוחלט של נורמת גלואה של .
כמו כן, קל לראות ש אם ורק אם כאשר מסמן את חבורת האיברים ההפיכים ב .
במקרה ש היא הרחבה ריבועית החוג איזומורפי כחבורה אבלית לסריג .
הפונקציה היא (ערך מוחלט של) פונקציה ריבועית על סריג זה.
החבורה היא חבורה סופית (במקרה שההרחבה היא מרוכבת) או חבורה ציקלית חופשית המתוארת על ידי משוואת פל (במקרה שההרחבה היא ממשית).
לכן קל למדי להראות את התבדרות הטור ובכך לסיים את הוכחת המשפט.
ניתן גם לנתח באופן מדויק את האסימפטוטיקה של כאשר .
לשם כך יש להעריך את היחס .
במילים אחרות צריך להבין מהו חלקם של האידיאלים הראשיים מתוך כלל האידיאלים.
חלק זה נמדד באמצעות חבורת המחלקה שגודלה נקרא מספר המחלקה של .
מכיוון שהאסימפטוטיקה של כאשר קשורה בקשר ישיר לערך , אנו מקבלים נוסחה הקושרת ערך זה למספר המחלקה.
נוסחה זו גוררת באופן מידי את אי־ההתאפסות .
הניסוח המקורי של דיריכלה לנוסחת מספר המחלקה לא משתמש במספר המחלקה של השדה , אלא במספר המחלקה של תבנית ריבועית מתאימה.
זהו מושג שפיתח גאוס ומהווה גרסה מוקדמת למספר המחלקה של שדה מספרים.
נוסחת מספר המחלקה כוללת גם את המנחה של ומידע על חבורת האיברים ההפיכים .
אומנם דיריכלה השתמש בנוסחת המחלקה כדי לקבל מידע על הערך באמצעות מספר המחלקה, אבל רוב השימשים המודרניים לנוסחת המחלקה הם בכיוון ההפוך.
זאת מכיוון שחישוב מספר המחלקה איננה משימה פשוטה, בעוד שחישוב של עבור קרקטר נתון היא משימה פשוטה למדי.
למעשה די לשערך את ואין צורך לחשב אותו במדויק, מכיוון שמספר המחלקה תמיד שלם ולכן נוסחת מספר המחלקה כופה מגבלות על הערך .
במקרה של דיריכלה המצב היה הפוך מכיוון שהוא התעניין בתוצאה כללית על אי־התאפסות, כך שלא די בשיטות חישוב לקרקטר נתון.
מאידך אי־התאפסות של מספר המחלקה מובנת מההגדרה.
ניתן להתאים את ההוכחות האלגבריות למקרה הלא ממשי.
את מקומה של ההרחבה הריבועית , תתפוס ההרחבה הציקלוטומית .
פונקציית זטא של דדקינד של הרחבה זו נותנת (לאחר מודיפיקציה קלה) את הפונקציה שהוגדרה מעלה, שהיא מכפלת כל פונקציות ה- של דיריכלה עם קרקטרים בעלי מנחה .
טענה זו נובעת מפריקות יחידה לאידיאלים ראשוניים בחוג דדקינד, בדומה לטענות למעלה.
במובן מסוים טענה זו פשוטה יותר מכיוון שאיננה משתמשת בהדדיות ריבועית.
דבר זה אינו מפתיע, מכיוון שאחת ההוכחות של ההדדיות הריבועית משתמשת בסכום גאוס המראה שניתן לשכן כל הרחבה ריבועית בהרחבה ציקלוטומית, כך שאם מלכתחילה אנו עובדים עם הרחבה ציקלוטומית חלק זה נחסך מאיתנו.
כדי להשלים את ההוכחה בגישה זו, נותר להראות שפונקציית זטא של דדקינד של הרחבה ציקלוטומית מתבדרת ב-.
למעשה פונקציית זטא של דדקינד של כל שדה מספרים מתבדרת ב-.
ההוכחה של טענה זו דומה להוכחה למקרה של הרחבה ריבועית, אך מסובכת יותר, מכיוון שבמקום ניתוח משוואת פל יש לנתח את חבורת האיברים ההפיכים בחוג השלמים בשדה מספרים כללי.
ניתוח זה מהווה את משפט היחידות של דיריכלה.
גם כאן ניתן לקבל מידע מדויק יותר לגבי האסימפטוטיקה של פונקציית זטא של דדקינד ב-.
ספציפית עבור כל שדה מספרים אפשר להביע את הגבול באמצעות מספר המחלקה של ואינווריאנטים נומריים נוספים של .
קשר זה נקרא נוסחת מספר המחלקה של דדקינד.
בשונה מהמקרה הריבועי, הגבול איננו ערך של פונקציית מסוימת.
אולם אם הרחבה ציקלוטומית אז גבול זה שווה (עד כדי מודיפיקציה קלה) למכפלה
באופן מפורש יותר אפשר לסכם את הגישה הזאת באמצעות הלמה הבאה:
למה קיים פולינום במקדמים שלמים כך ש:
כל מחלק ראשוני ערך של הפולינום כך ש לא מחלק את מקיים .
מספר הערכים של בטווח הוא (אסימפטוטית) .
הפולינום הוא למעשה נורמת גלואה בחוג השלמים של הרחבה ציקלוטומית.
זה פולינום מסובך למדי אך מפורש לחלוטין.
מלמה זו קל להסיק את הגרסה הכמותית של משפט דיריכלה עבור הסדרה החשבונית .
כאמור גרסה זו גוררת את משפט דיריכלה באופן כללי.
נשים לב כי הפולינום מההוכחה האלגברית האלמנטרית למעלה הוא צימצום של הפולימום כאן, לישר.