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一个简单的概率几何问题,竟与黎曼函数有着出人意料的联系

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黎曼ζ函数在数论中占有重要地位,揭示了许多深刻的数学现象。一个令人着迷的问题是,它与一个看似简单的几何问题有着出人意料的联系:

假设你站在一个无限的网格平面上。你可以朝所有方向无限远地看去,但你不能透视网格点:如果某个网格点位于你的视线中,则该点被遮挡。你能看到多少比例的网格点呢?

这是一个非常有趣的问题,它不依赖于起始位置。我需要稍微解释一下这个问题,因为你可以看到无限多的点,也有无限多的点你看不到,那我们如何理解它们的比例呢?以及我们讨论的“网格”是什么意思呢?

关于网格,可以假设它们指的是整数点。这些点(x, y)位于平面上,其中x和y都是整数,可以(不失一般性)假设我们站在坐标系的原点(0,0)。

解释这个问题的最简单方式是举一个例子。所以假设你站在一个无限的网格上,并将你的位置设为原点(0, 0)。然后很明显,点(9, 4)从原点可见,没有其他点挡住视线。



另一方面,点(6, 2)是不可见的,因为点(3, 1)“挡在了路上”。



如果你仔细想想,你会发现这是因为这两个点都位于穿过(0, 0)的一条线上。因此,其中一个点必须是另一个点的(标量)倍数。换句话说:这两个坐标必须有大于1的公共因子。

也就是说,如果两个坐标的最大公约数大于1,那么该点从原点不可见。在数学术语中,我们写作gcd(x, y) > 1。这个小分析使我们能够稍微转变一下问题。

让我们在原点周围画一个边长为2r的正方形,并计算正方形内可见的点数。然后将这个数目除以正方形内的总点数,得到每个这样的数r的函数CP(r)。



我们可以清楚地定义C(r) = 正方形内互质数对的数量 / 正方形内的总点数。现在的问题是,随着r趋近于无穷大,CP(r)的极限是多少?

让我们创建一些Python代码来解决这个问题。

from tqdm import tqdm
import matplotlib.pyplot as plt
def is_coprime(x, y):
x, y = abs(x), abs(y)
for i in range(2, max(x, y) + 1):
if x % i == 0 and y % i == 0:
return False
return True
def CP(r):
visible = 0
for x in range(-r, r):
for y in range(-r, r):
if is_coprime(x, y):
visible += 1
return visible / (2*r)**2
r = 1000
print(f"\nThe fraction of visible points with r = {r} is about: {round(CP(r), 5)}\n")
print("Tracking convergence...")
history = []
for i in tqdm(range(1, 300)):
history.append(CP(i))
plt.plot(range(1, len(history)+1), history)
plt.show()

如果运行这段代码,你会看到两个输出。首先,它会print:

r = 1000时,可见点的比例约为:0.60798

其次,会得到一个收敛图的图像:



所以无论这个数字是多少,它都接近于0.6079。这个数字是对上述问题的一个近似答案,即当我们站在原点时,我们可以看到约60.79%的点。

通过稍微修改代码,可以得到一个象限内可见点的图:



注意,在垂直线上的点越多,相应的数字就越“质数”,点越少就越是合数。你能根据这幅图找出1到100之间的孪生素数吗?

概率方法

让我们从概率的角度来考虑这个问题。我们需要计算当r非常大时选择一个可见点的概率。我们该如何计算呢? 随机选择一个可见点或等效地选择一个互质对P = (x, y)的概率与没有任何素数同时整除x和y的概率相同。

在这种情况下,实际上更容易计算这个事件的互补事件,即

我们选择的点不可见的概率是多少?

要使这种情况发生,我们需要一个质数同时整除x和y。质数p整除x的概率是1/p,因为在数轴上每隔p个数就有一个数能被p整除,质数p整除y的概率也是1/p。如果我们认为这些事件是独立的,那么p同时整除x和y的概率就是1/p²。

不同时整除x和y的概率是1-1/p²。由于这需要对所有素数都成立,因此没有任何素数同时整除x和y,因此点(x, y)可见的概率由乘积给出:



这可以用更紧凑的符号写成:



当展开这个乘积时,我们得到了一些形如1/m²的数的总和,但不是所有这样的数。

具体来说,我们得到一系列上述形式的数字,其中m是无平方因子的,意味着没有任何平方数可以整除m。等效地,m的质因数分解仅由不同的质数组成。此外,这些数字的符号(正或负)由m的质因数的数量决定:如果m的质因数数量是奇数,那么这个数字就是负数;如果质因数数量是偶数,则这个数字是正数。

这个函数被称为默比乌斯函数,用μ表示。从上面我们可以看到:



所以这个序列开始于



如果取这6个数字并将它们相加,将得到大约0.606。

但这个特殊的数字到底是什么?我们能找到一个封闭形式吗?

恰好,这个表达式正好等于1/ζ(2),其中ζ是黎曼ζ函数。幸运的是,欧拉证明了ζ(2) = π²/6。综合这些信息,我们得到可见点的比例确切地为



黎曼ζ函数定义为



当s > 1时,这个函数由欧拉在17世纪广泛研究过。黎曼在一个世纪后研究了这个函数(黎曼ζ函数),但他是把它作为复数变量的函数来研究的,这样的研究揭示了这个函数的真正魅力和强大之处。

欧拉找到了ζ函数的一个美丽的乘积公式,这基本上是算术基本定理的一个版本。他发现



当s > 1时,如果我们将欧拉找到的ζ函数的乘积形式取倒数,并将s设定为2,就得到了1/ζ(2)的确切乘积表达式。

如果我们在三维空间中提出相同的问题会怎样?

通过类似的论证,可以显示,在三维网格中可见点的比例是1/ζ(3)。这个常数是数学中最神秘的数字之一!没有人能找到它的封闭形式表达,谁如果找到了,将会世界闻名。

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