Somme de Ramanujan

En théorie des nombres, une branche des mathématiques, une somme de Ramanujan, habituellement notée cq(n), est une fonction de deux variables entières q et n, avec q ≥ 1, définie par la formule :

,

Ne doit pas être confondu avec Sommation de Ramanujan.

où le pgcd est le plus grand commun diviseur. La somme est donc effectuée sur les classes de congruence inversibles modulo q.

Srinivasa Ramanujan fit une publication sur le sujet en 1918[1]. Les sommes de Ramanujan interviennent de façon récurrente en théorie des nombres, par exemple dans la preuve du théorème de Vinogradov sur les sommes de trois nombres premiers[2].

Notations

Pour 2 nombres entiers a et b, se lit "a divise b", et signifie qu'il existe un entier c tel que b = ac. De même, se lit "a ne divise pas b".

Le symbole de sommation

signifie que d passe par tous les diviseurs positifs de m, par ex.

est le plus grand diviseur commun,

est l'indicatrice d'Euler,

est la fonction de Möbius et

est la fonction zêta de Riemann.

Des formules pour cq(n)

Formules trigonométriques

Ces formules proviennent de la formule d'Euler et des identités trigonométriques élémentaires.

et ainsi de suite (A000012, A033999, A099837, A176742, A100051...). Cela montre que cq(n) est toujours un nombre réel (algébrique, comme somme de racines de l'unité).

Formule de Kluyver

Posons ζq est donc une solution de l'équation xq − 1 = 0. Chacune de ses puissances ζq, ζq2, ... ζqq = ζq0 = 1 est également une solution, et puisque ces q nombres sont distincts, ce sont toutes les solutions de l'équation. Les ζqn où 1 ≤ nq sont appelés les racines q-èmes de l'unité. ζq est appelé une racine primitive, parce que la plus petite valeur de n telle que ζqn = 1 est q. Les autres racines primitives sont les , où a et q sont premiers entre eux. Donc, il y a φ(q) racines primitives q-ièmes de l'unité.

La somme de Ramanujan cq(n) est somme de puissances n-ièmes des racines primitives q-ièmes de l'unité[3].

Exemple. Supposons q = 12. Alors

ζ12, ζ125, ζ127, et ζ1211 sont les racines primitives douzièmes de l'unité,
ζ122 et ζ1210 sont les racines primitives sixièmes de l'unité,
ζ123 = i et ζ129 = −i sont les racines primitives quatrièmes de l'unité,
ζ124 et ζ128 sont les racines primitives troisièmes de l'unité.

Par conséquent, si

est la somme de la n-ième puissance de toutes les racines primitives et imprimitives,

on a par la formule d'inversion de Möbius,

Il résulte de l'identité xq − 1 = (x − 1)(xq-1 + xq-2 + ... + x + 1) que

et cela conduit à la formule

,

publiée par Kluyver en 1906[4].

Cela montre que cq(n) est toujours un entier ; cette formule est analogue à la formule classique sur l'indicatrice d'Euler :

Fonction arithmétique de Von Sterneck

Il est facile de démontrer à partir de la définition que cq(n) est multiplicative, lorsqu'elle est considérée comme une fonction de q pour une valeur fixe de n[5], c'est-à-dire que :

À partir de la définition (ou de la formule de Kluyver), il est facile de prouver que, si p est un nombre premier,

et si pk est un nombre premier élevé à la puissance k où k > 1, alors :

Ce résultat et la propriété multiplicative peuvent être utilisés pour montrer que

Cette expression est appelée la fonction arithmétique de von Sterneck[6]. L'équivalence de cette fonction et de celle de Ramanujan est due à Hölder[7],[8].

Autres propriétés de cq(n)

Pour tous les entiers positifs q,

Pour q fixé, les valeurs absolues des termes de la suite cq(1), cq(2), ... sont majorées par φ(q), et pour n fixé, les valeurs absolues des termes de la suite c1(n), c2(n), ... sont majorées par n.

Si q > 1

Posant m = ppcm(m1, m2), les sommes de Ramanujan satisfont une propriété d'orthogonalité[9] :

Supposez n, k > 0. Alors[10]

connu comme l'identité Brauer-Rademacher.

Si n > 0 et a est un entier, on a aussi[11]

Table

Somme de Ramanujan cs(n)
  n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
s 1 1 111111111 1111111111 1111111111
2 1 1 11111111 1111111111 1111111111
3 11 2 112 112112 112112 112112 112112
4 0202 0202 0202 0202 0202 0202 0202 02
5 11114 11114 11114 11114 11114 11114
6 112112 112112 112112 112112 112112
7 1111116 1111116 1111116 1111116 11
8 00040004 00040004 00040004 000400
9 003003006 003003006 003003006 003
10 1111411114 1111411114 1111411114
11 111111111110 111111111110 11111111
12 020204020204 020204020204 020204
13 11111111111112 11111111111112 1111
14 11111161111116 11111161111116 11
15 112142112412118 112142112412118
16 0000000800000008 00000008000000
17 111111111111111116 1111111111111
18 003003006003003006 003003006003
19 11111111111111111118 11111111111
20 0202020208 0202020208 0202020208
21 1121126121121621121112 112112612
22 111111111110 111111111110 11111111
23 111111111111111111111122 1111111
24 0004 0004 0008 0004 0004 0008 0004 00
25 00005 00005 00005 00005 000020 00005
26 11111111111112 11111111111112 1111
27 000000009 000000009 0000000018 000
28 020202020202012 020202020202012 02
29 111111111111111111111111111128 1
30 112142112412118 112142112412118

Développements de Ramanujan

Si f(n) est une fonction arithmétique (c'est-à-dire une valeur complexe de la fonction des entiers ou des nombres naturels), alors une série infinie convergente de la forme :

ou de la forme:

où le akC, est appelé un développement de Ramanujan[6] de f(n).

Ramanujan a trouvé les développements de beaucoup de fonctions bien connues de la théorie des nombres. Tous ces résultats sont prouvés de manière très "élémentaires" (c'est-à-dire uniquement à l'aide des manipulations de séries et de résultats simples sur la convergence)[12],[13],[14].

Le développement de la fonction nulle dépend d'un résultat de la théorie analytique des nombres premiers, à savoir que la série semi-convergente

a pour valeur 0, et les résultats pour r(n) et r'(n) dépend de théorèmes publiés dans un document antérieur[15].

Toutes les formules présentées dans cette section sont tirées de la publication de Ramanujan de 1918.

Séries génératrices

Les séries génératrices des sommes de Ramanujan sont des séries de Dirichlet :

est une série génératrice de la séquence cq(1), cq(2), ... où q est maintenue constante, et

est une fonction génératrice de la séquence c1(n), c2(n), ..., où n est maintenu constant.

Il y a aussi la double série de Dirichlet

σk(n)

σk(n) est la somme de la k-ème puissance des diviseurs de n, y compris 1 et n. σ0(n), le nombre de diviseurs de n, est généralement écrit d(n) et σ1(n), la somme des diviseurs de n, est généralement écrit σ(n).

Si s > 0,

et

Mettons s = 1, nous avons alors

Si l'hypothèse de Riemann est vraie, et

d(n)

d(n) = σ0(n) est le nombre de diviseurs de n, y compris 1 et n lui-même.

où γ = 0.5772... est la constante d'Euler-Mascheroni.

φ(n)

L'indicatrice d'Euler φ(n) est le nombre de nombres entiers positifs inférieurs à n et premiers entre eux à n. Ramanujan définit une généralisation si

est la factorisation premier de n, et s est un nombre complexe. Supposez

alors  φ1(n) = φ(n) est l'indicatrice d'Euler[16].

Il prouve que

et il s'en sert pour montrer que

Supposez s = 1,

Remarquez que la constante est l'inverse[17] de un dans la formule pour σ(n).

Λ(n)

La fonction de Von Mangoldt Λ(n) = 0 sauf si n = pk est une puissance d'un nombre premier, auquel cas c'est le logarithme naturel log p.

Zéro

Pour tout n > 0,

C'est l'équivalent du théorème des nombres premiers[18],[6].

r2s(n) (somme des carrés)

r2s(n) est le nombre de manière de représenter n comme somme de 2s carrés, en comptant les différents ordres et signes (par ex., r2(13) = 8, 13 = (±2)2 + (±3)2 = (±3)2 + (±2)2.)

Ramanujan définit une fonction δ2s(n) et la référence dans une publication[15] , dans lequel il prouve que r2s(n) = δ2s(n) pour s = 1, 2, 3, et 4. Pour s > 4, il montre que δ2s(n) est une bonne approximation de r2s(n).

s = 1 a une formule spéciale:

Dans les formules suivantes, les signes se répète avec une période de 4.

Si s ≡ 0 (mod 4),

Si s ≡ 2 (mod 4),

Si s ≡ 1 (mod 4) et s > 1,

Si s ≡ 3 (mod 4),

et donc,

r'2s(n) (sommes de nombres triangulaires)

r'2s(n) est le nombre de façons de n peut être représenté comme la somme de 2s nombres triangulaires (c'est-à-dire le nombre 1, 3 = 1 + 2, 6 = 1 + 2 + 3, 10 = 1 + 2 + 3 + 4, 15, ...; le n-ième nombre triangulaire est donnée par la formule n(n + 1)/2.)

L'analyse ici est similaire à celle pour les carrés. Ramanujan se réfère à la même publication qu'il a écrit sur les carrées, où il a montré qu'il existe une fonction δ'2s(n) tel que r'2s(n) = δ'2s(n) pour s = 1, 2, 3, et 4, et que pour s > 4, δ'2s(n) est une bonne approximation de r'2s(n).

Encore une fois, s = 1, il faut une formule spéciale:

Si s est un multiple de 4,

Si s est le double d'un nombre impair,

Si s est un nombre impair et s > 1,

Par conséquent,

Sommes

Supposez

Ensuite, pour s > 1,

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Ramanujan's sum » (voir la liste des auteurs).
  1. Ramanujan, « On Certain Trigonometric Sums ».
  2. Nathanson, ch. 8.
  3. Hardy & Wright, Thms 65, 66
  4. G. H. Hardy, P. V. Seshu Aiyar et B. M. Wilson, notes to On certain trigonometrical sums.
  5. Schwarz & Spilken (1994) p. 16
  6. B. Berndt, commentary to On certain trigonometrical sums.
  7. Knopfmacher, p. 196
  8. Hardy & Wright, p. 243
  9. Tóth, external links, eq. 6
  10. Tóth, external links, eq. 17.
  11. Tóth, external links, eq. 8.
  12. Ramanujan, On certain trigonometrical sums.
  13. La théorie formelle des séries de Dirichlet est abordée dans Hardy & Wright, § 17.6 et dans Knopfmacher.
  14. Knopfmacher, ch. 7, aborde les développements de Ramanujan comme un cas particulier de développement de Fourier dans un espace muni d'un produit scalaire pour lequel les fonctions cq sont une base orthonormée.
  15. Ramanujan, On Certain Arithmetical Functions
  16. C'est la fonction totient de Jordan, Js(n).
  17. Cf. Hardy & Wright, Thm. 329, which states that
  18. Hardy, Ramanujan, p. 141

Voir aussi

Bibliographie

  • (en) G. H. Hardy, Ramanujan: Twelve Lectures on Subjects Suggested by his Life and Work, AMS / Chelsea, 1999 (ISBN 978-0-8218-2023-0)
  • (en) John Knopfmacher, Abstract Analytic Number Theory , Dover, 1990 (ISBN 0-486-66344-2)
  • (en) Melvyn B. Nathanson, Additive Number Theory: the Classical Bases, vol. 164 de Graduate Texts in Mathematics, 1996 (ISBN 0-387-94656-X).
  • (en) C. A. Nicol, Some formulas involving Ramanujan sums, Canad. J. Math., vol. 14, 1962, p. 284-286 DOI:10.4153/CJM-1962-019-8
  • (en) Srinivasa Ramanujan, On Certain Trigonometric Sums and their Applications in the Theory of Numbers, volume 22, issue 15 du journal Transactions of the Cambridge Philosophical Society, 1918, pages 259-276
  • (en) Srinivasa Ramanujan, « On Certain Arithmetical Functions », Transactions of the Cambridge Philosophical Society, vol. 22, no 9, 1916, p. 159-184
  • (en) Ramanujan Srinivasa, Collected Papers, 2000 (ISBN 978-0-8218-2076-6)
  • (en) Wolfgang Schwarz, Jürgen Spilker, Arithmetical Functions. An introduction to elementary and analytic properties of arithmetic functions and to some of their almost-periodic properties, 1994, Cambridge University Press (ISBN 0-521-42725-8)

Articles connexes

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