除数関数

約数関数σ 0 ( n ) ( n  = 250まで)
シグマ関数σ 1 ( n ) ( n  = 250まで)
約数の平方和σ 2 ( n )、 n  = 250まで
約数の立方の合計、σ 3 ( n )、 n  = 250まで

数学、特に数論において、約数関数(しゃくすうかん、英: divisor function)は、整数約数に関する算術関数である。数関数と呼ばれる場合、それは整数の約数の数(1と数自身を含む)を数える。約数関数は、リーマンゼータ関数アイゼンシュタイン級数モジュラー形式における関係など、多くの注目すべき恒等式に現れる。約数関数はラマヌジャンによって研究され、彼は多くの重要な合同式恒等式を与えた。これらはラマヌジャンの和に関する記事で別途扱われている

関連する関数として、除数合計関数があります。これは、名前が示すように、除数関数の合計です。

意味

実数または複素数zに対する正の約数の和関数 σ z ( n ) は、 n正の約数z乗のとして定義されます。シグマ表記では次のように表すことができます

ここでは「 dはnを割る」の略記である。d ( n )ν ( n )、τ ( n )(ドイツ語Teiler = 約数)という表記はσ0 ( n )、つまり約数関数[1] [2]OEIS : A000005)を表すのにも用いられる。zが1のときこの関数はシグマ関数または約数和関数[1] [3]と呼ばれ、添え字は省略されることが多いため、σ ( n )はσ1 ( n )(OEIS : A000203 )と同じである

nのアリコート s ( n )は真約数(つまり、n自身を除く約数、OEIS :A001065 )の合計でありσ1 ( n−nに等しい。nアリコートシーケンスはアリコート和関数を繰り返し適用することによって形成される。

例えば、σ 0 (12)は12の約数の個数です。

σ 1 (12)はすべての約数の合計です。

そして真約数の約数和s(12)は次式で表される。

σ −1 ( n ) はn豊富さ指数と呼ばれることもあり、次の式が成り立ちます。

値の表

x = 2 から 5 のケースはOEIS : A001157からOEIS : A001160にリストされておりx = 6 から 24 のケースはOEIS : A013954からOEIS : A013972にリストされています。

n素因数分解𝜎 0 ( n )𝜎 1 ( n )𝜎 2 ( n )𝜎 3 ( n )𝜎 4 ( n )
1111111
22235917
3324102882
42 2372173273
552626126626
62×3412502521394
7728503442402
82 3415855854369
93 2313917576643
102×5418130113410642
1111212122133214642
122 2 ×3628210204422386
1313214170219828562
142×7424250309640834
153×5424260352851332
162 4531341468169905
1717218290491483522
182×3 26394556813112931
19192203626860130322
202 2 ×56425469198170898
213×74325009632196964
222×1143661011988248914
232322453012168279842
242 3 ×386085016380358258
255 233165115751391251
262×1344285019782485554
273 344082020440538084
282 2 ×7656105025112655746
292923084224390707282
302×3×5872130031752872644
313123296229792923522
322 56631365374491118481
333×114481220372961200644
342×174541450442261419874
355×74481300433441503652
362 2 ×3 29911911552611813539
37372381370506541874162
382×194601810617402215474
393×134561700615442342084
402 3 ×58902210737102734994
41412421682689222825762
422×3×78962500866883348388
43432441850795083418802
442 2 ×116842562972363997266
453 2 ×56782366953824158518
462×2347226501095124757314
474724822101038244879682
482 4 ×31012434101310685732210
497 235724511179935767203
502×5 269332551417596651267

プロパティ

素数の累乗の公式

素数 pに対して

定義により、素数の因数は1とそれ自身であるからである。また、p n # は原始数を表す。

n個の素因数により、形成される各真約数に対してn個の項から2項(または1)を選択することができるためである。しかし、これらは一般に、約数の数が2のべき乗となる最小の数ではない。その代わりに、そのような最小の数は、指数が2のべき乗となる最初のn個のフェルミ・ディラック素数を掛け合わせることで得られる。 [4]

明らかに、すべての に対してであり、すべての に対してです

除数関数は乗法関数です(積mnの各約数cはm約数aとn約数bに明確に対応しているため)が、完全に乗法関数ではありません。

この結果、次のように書くと、

ここで、r =  ω  ( n )n異なる素因数の数pii番目の素因数ain割り切れるp iの最大べき乗である。すると、次式が得られる。[5]

これはx ≠0のとき 、次の式と等価である: [5]

x  = 0のとき、次の式が成り立ちます。[5]

この結果は、 のすべての約数が の異なる整数の組によって一意に決定される(つまり、ごとに独立した選択)という事実から直接推測できます

たとえば、nが 24 の場合、2 つの素因数(p 1は 2、p 2は 3)があります。24 は 2 3 ×3 1の積でありa 1は 3、a 2は 1 です。したがって、次のように計算できます

この式で数えられる 8 つの約数は、1、2、4、8、3、6、12、24 です。

その他の特性とアイデンティティ

オイラーはこの驚くべき再帰性を証明した:[6] [7] [8]

ここで、 が成り立つ場合、に対して となり、 とは一般化五角数OEIS : A001318 、オフセット1から始まる)の連続するペアである。実際、オイラーは五角数定理において、恒等式の対数微分によってこれを証明した

非平方整数nの場合、 nすべての約数dはnの約数n / dと対になって偶数なる。平方整数の場合、1つの約数(すなわち)は異なる約数と対になっておらず、奇数となる。同様に、数が奇数となるのは、 n が平方数であるか、平方数の2倍である場合に限る。 [9]

また、 s ( n ) = σ ( n ) −  nであることにも留意してください。ここでs ( n ) はn約数、つまりn自身を除くnの約数の和を表します。この関数は完全数を認識するために用いられます。完全数とは、s ( n ) =  nとなるnです。s ( n ) > nの場合、nは過剰数でありs ( n ) < nの場合、nは不足数です

nが 2 の累乗である場合、となりnはほぼ完全なになります

例えば、2つの素数 に対して

それから

そして

ここで、 はオイラーのトーティエント関数です。

そして、

pqをσ ( n )とφ ( n )のみで表すと、 nやの知識は必要なくなります

また、nと または、あるいはまたは のいずれかが分かれば、 pqを簡単に復元できます

1984年、ロジャー・ヒース・ブラウンは、

はnの値が無限にある場合に当てはまります。OEIS :A005237参照してください

ディリクレ畳み込み

定義により:メビウス反転により

系列関係

除数関数を含む2つのディリクレ級数は以下である: [10]

ここではリーマンゼータ関数である。d ( n ) =  σ 0 ( n )の級数は次式で表される: [10]

ラマヌジャン恒等[11]

これはRankin–Selberg 畳み込みの特殊なケースです

除数関数を含むランバート級数は[12]である。

任意の複素数| q | ≤ 1 かつ a (多重対数)に対して、この和はアイゼンシュタイン級数のフーリエ級数ワイエルシュトラスの楕円関数の不変量としても現れる。

に対して、ラマヌジャン和による明示的な級数表現が存在する[13]

の最初の項の計算は、「平均値」の周りでの振動を示しています

成長率

小文字のo表記では、除数関数は次の不等式を満たす: [14] [15]

より正確には、セヴェリン・ヴィゲルトは次のことを示しました。[15]

一方、素数は無限に存在するので、[15]

ビッグO記法ではピーター・グスタフ・ルジューン・ディリクレは、除数関数の平均位数が次の不等式を満たすことを示した。 [16] [17]

ここではオイラーのガンマ定数です。この式の境界値を改善することは、ディリクレの約数問題として知られています。

シグマ関数の挙動は不規則である。シグマ関数の漸近的増加率は次のように表される。[18]

ここで、lim sup はsuper の極限である。この結果は、1913年に発表されたグロンヴァルの定理である(Grönwall 1913)。彼の証明には、メルテンスの第三定理が用いられており、それは以下のことを意味する。

ここで、p は素数を表します。

1915年、ラマヌジャンはリーマン予想の仮定の下でロビンの不等式が成り立つことを証明した。

(ここでγはオイラー・マスケロニ定数

十分に大きいnに対して不等式が成り立つ(Ramanujan 1997)。不等式に反する既知の最大の値はn = 5040である。1984 年に Guy Robin は、不等式がn > 5040 のすべての場合に成立する場合、かつその場合に限りリーマン予想が成立することを証明した (Robin 1984)。これがRobin の定理であり、この不等式は彼の後に知られるようになった。Robin はさらに、リーマン予想が偽であれば不等式に反するnの値は無限個存在し、そのようなn > 5040 の最小の値は過剰でなければならないことも示した (Akbary & Friggstad 2009)。この不等式は大きな奇数および平方でない整数に対して成立すること、およびリーマン予想はnが素数の 5 乗で割り切れる場合のみ不等式と等価であることが示されている(Choie et al. 2007)。

ロビンはまた、次の不等式を無条件に証明しました。

n ≥ 3 のすべての場合に成立します。

関連する境界は2002 年にJeffrey Lagariasによって示され、彼はリーマン予想が次の命題と同等であることを証明しました。

すべての自然数 n > 1に対して、 n番目の調和数です(Lagarias 2002)。

参照

注記

  1. ^ ab Long (1972, p. 46)
  2. ^ ペットフレッツォ&ビルキット(1970年、63ページ)
  3. ^ ペットフレッツォ&ビルキット(1970年、58ページ)
  4. ^ ラマヌジャン, S. (1915)、「高度合成数」、ロンドン数学会報、s2-14 (1): 347– 409、doi :10.1112/plms/s2_14.1.347; 第47節、405~406ページを参照。シュリニヴァーサ・ラマヌジャン著作集、ケンブリッジ大学出版、2015年、124~125ページより転載。
  5. ^ abc Hardy & Wright (2008)、310ページ以降、§16.7。
  6. ^ オイラー、レオンハルト、ベル、ジョーダン (2004). 「約数の和に関する考察」arXiv : math/0411587 .
  7. ^ https://scholarlycommons.pacific.edu/euler-works/175/, Découverte d'une loi tout extraordinaire des nombres par rapport à la somme de leurs diviseurs
  8. ^ https://scholarlycommons.pacific.edu/euler-works/542/、ミラビリス・プロプリエタティブ・ヌメロラム・ペンタゴナリウム
  9. ^ Gioia & Vaidya (1967).
  10. ^ ハーディ&ライト(2008年)、326-328頁、§17.5。
  11. ^ ハーディ&ライト(2008年)、334-337頁、§17.8。
  12. ^ ハーディ&ライト(2008年)、338-341頁、§17.10。
  13. ^ E. クレッツェル (1981)。ザーレンテオリー。ベルリン: VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften。 p. 130.(ドイツ語)
  14. ^ アポストル(1976年)、296ページ。
  15. ^ abc Hardy & Wright (2008)、342–347頁、§18.1。
  16. ^ Apostol(1976)、定理3.3。
  17. ^ ハーディ&ライト(2008年)、347-350頁、§18.2。
  18. ^ ハーディ&ライト(2008年)、469-471頁、§22.9。

参考文献

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