TARDÍGRADOS

Ciencia en español -ʟᴀ ʀᴀᴢóɴ ᴇsᴛá ᴀʜí ғᴜᴇʀᴀ-

Archive for September, 2016

Expansiones naturales completas de los productos de Euler

Posted by Albert Zotkin on September 11, 2016

Hola amigos de Tardígrados. Siguiendo esta secuencia matemática, hoy vamos a ver cómo expresar un Producto de Euler, de tal forma que el índice del producto corra no únicamente sobre todos los números primos, sino sobre los sucesivos números naturales.

El primer caso que vamos a ver es el Producto de Euler asociado a función Zeta de Riemann. Este producto es:

\displaystyle \prod _{p}(1-p^{-s})^{-1}=\prod _{p}{\Big (}\sum _{n=0}^{\infty }p^{-ns}{\Big )}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}=\zeta (s) (1)
donde el índice del producto corre sobre los sucesivos números primos. Ahora, aprovechando la función característica de los números primos que os presenté en el artículo anterior, vamos a ver cómo es posible hacer que el índice de ese producto infinito (porque sabemos que hay infinitos números primos) corra ahora sobre los sucesivos números naturales. Y la respuesta es simplemente esta:

\displaystyle \prod_{p}(1-p^{-s})^{-1}=\prod_{n=1}^{\infty}(1-\chi _{{{\mathbb {P}}}}(n)n^{-s})^{-1}=\zeta (s) (2)
donde obviamente ?P es la función característica de los números primos. Una forma inédita de expresar la función zeta de Riemann, parece, y descubierta por mi 😛 Vemos también, que puesto que sabemos usar la función característica de los números compuestos (los números no primos), es posible definir una nueva función zeta relacionada con ellos, así:

\displaystyle \zeta_{NP} (s)=\prod_{n=2}^{\infty}(1-\chi _{{{\mathbb {NP}}}}(n)n^{-s})^{-1} (3)
donde es más que obvio que la función caracteristica ?NP es la de los números no primos. Y llegamos a la conclusión de que la función zeta de Riemann y esta ?NP están relacionadas por medio de algún tipo propiedad de complementariedad, que todavía no vislumbro. Esta peculiar función zeta ?NP posee un polo en n = 1, por eso el índice del producto empieza a correr desde n = 2. Y lo primero que advertimos en la evaluación de dicha función es el notable y absolutamente increible resultado siguiente:

\displaystyle \zeta_{NP} (2)= \frac{2}{\zeta(2)}= \frac{12}{\pi^2} (4)

Saludos

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Conexión entre la Conjetura de Kepler y los números primos através de la Constante tridimensional de Hermite

Posted by Albert Zotkin on September 10, 2016

Hola amigos de Tardígrados. Hoy os voy a presentar un espectacular hallazgo matemático hecho por mí hoy mismo. Os lo presento sin dilación ya mismo:

\displaystyle \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{\pi(i)-\pi(i-1)}}{i^2}= \frac{\pi}{3\sqrt{2}} (1)
donde π(x) es la función contador de números primos, no confundir con el número irracional trascendente π, el cual aparece en el lado derecho de la fórmula. Es decir, esa función contador nos dice cuántos número primos hay desde 0 hasta el número real x. La identidad que he hallado es simplemente la Constante de Hermite en tres dimensiones, o al menos se le aproxima mucho, pues esa fórmula la he comprobado hasta el término i = 1000000. Parece converger rápidamente hacia ese limite.

Respecto a la función contador de números primos expresada como diferencia:

\displaystyle \chi _{{{\mathbb {P}}}}(n)=\pi(n)-\pi(n-1)

nos define exactamente una función característica χP(n) de números primos, es decir, una función tal que si n es primo entonces esa función es χP(n) = 1, y en caso contrario es χP(n) = 0.
En cuanto al número

\displaystyle \frac{\pi}{3\sqrt{2}} = 0.740480489693061041169313495\dots

que es la llamada Constante de Hermite en tres dimensiones, es simplemente, la máxima densidad que se puede alcanzar empaquetando esferas tridimensionales, tal como se explica en la Conjetura de Kepler.

De igual forma que hemos definido una función característica de los número primos, también podemos definir una para los números no primos, es decir, para los números compuestos, así:

\displaystyle \chi _{{{\mathbb {NP}}}}(n)=1-\pi(n)-\pi(n-1)

La función caracteristica χP(n) define una sucesión de ceros y unos, por lo que podemos considerar que representa a un número real expresado en sistema de numeración de base 2. Si la coma de ese número decimal la ponemos entre el primer digito a la izquierda y el siguiente tendremos en dicha base 2 el número:

\displaystyle \rho' =0.011010100010100010100010000\ldots _{2}

el cual, en base 10, se expresaría así:

\displaystyle \rho' =0.414682509851111660248109622\ldots

A este número real, el cual es fácil demostrar que es un número irracional, se le llama Constante Prima, y puede ser definida asi:

\displaystyle \rho' =\sum _{{p}}{\frac {1}{2^{p}}}=\sum _{{n=1}}^{\infty }{\frac {\chi _{{{\mathbb {P}}}}(n)}{2^{n}}}

Podemos hacer lo mismo con los números compuestos y obtener la constante de los números compuestos asi:

\displaystyle \rho =\sum _{{n=1}}^{\infty }{\frac {\chi _{{{\mathbb {NP}}}}(n)}{2^{n}}} =0.085317490148888339751890377845692291634\ldots

Es fácil ver que \rho +\rho'=1/2. Pero, toda esta presentación de estas dos funciones características complementarias viene porque, al igual que hice al principio presentando la identidad (1), ahora también puedo hacer lo mismo, pero con la función caracteristica de los no primos, y obtenemos:

\displaystyle \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{\chi _{{{\mathbb {NP}}}}(i)}}{i^2}= \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{1-\pi(i)-\pi(i-1)}}{i^2}=-\frac{\pi}{3\sqrt{2}} (2)
Intentemos ahora simplificar un poco las identidades (1) y (2). Fijémonos que podemos expresar

\displaystyle (-1)^{\chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}= 1- 2 \chi _{{{\mathbb {P}}}}(i) (3)
por lo que (1) puede ser escrita así:

\displaystyle \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{\chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}}{i^2}= \sum_{i=1}^\infty \cfrac{1- 2 \chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}{i^2}=
\displaystyle =\sum_{i=1}^\infty \cfrac{1}{i^2}- 2 \sum_{i=1}^\infty \cfrac{\chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}{i^2} \\ \\ \\ \sum_{i=1}^\infty \cfrac{1}{i^2} =\zeta(2)=\frac{\pi^2}{6} \\ \\ \\ 2 \sum_{i=1}^\infty \cfrac{\chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}{i^2} = 2 \sum_{i=1}^\infty \cfrac{i\chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}{i^3}=2 \sum_p \cfrac {p}{\pi(p)^3}
Por lo que, si la conjetura es cierta, tendremos que el siguiente sumatorio, que corre a lo largo de los infinitos números primos, está bastante relacionado con el número π:

\displaystyle \sum_p \cfrac {p}{\pi(p)^3} = \frac{\pi ^2-\pi \sqrt{2}}{12} (4)
donde, obviamente, π(p) es la función contador del número primo p, es decir, el orden que ocupa ese número primo en la sucesión de números primos.

Desafortunadamente la conjetura es falsa, ya que como demuestro en esta pregunta en math.stackexchange,

\displaystyle \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{\chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}}{i^2}= \sum_{i=1}^\infty \cfrac{1- 2 \chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}{i^2} = \sum_{i=1}^\infty \cfrac{1}{i^2}- 2 \sum_{i=1}^\infty \cfrac{\chi _{{{\mathbb {P}}}}(i)}{i^2} = \\ \\ =\zeta(2)-2 \sum_p \cfrac{1}{p^2} = \zeta(2)-2 P(2)= \\ \\ \\ = 0.7404392267660954394593\ldots
donde P(2) es la función zeta prima de 2. Porque,

\displaystyle \frac{\pi}{3\sqrt{2}}\neq \zeta(2)-2 P(2)

y efectivamente,

\displaystyle \frac{\pi ^2 -\pi \sqrt{2}}{12}<P(2)

Saludos

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