论小于某给定值的素数的个数（黎曼提出黎曼猜想的原始论文）黎曼（Riemann ）原稿 谢国芳（Roy Xie ）译注Email:**************承蒙（柏林）科学院接纳我为通讯院士，我想表达被赐予这份殊荣的感谢之情的最好方式是立即利用由此得到的许可向其通报一项关于素数分布密度的研究，考虑到高斯和狄利克雷曾长期对此问题抱有浓厚的兴趣，它似乎并不是完全配不上这样性质的一个报告。

我以欧拉的发现、即下面这个等式作为本研究的起点：11 1 s s p n -=-∑∏其中等式左边的p 取遍所有质数，等式右边的n 取遍所有自然数，我将用()s ζ表记由上面这两个级数（当它们收敛时）表示的复变量s 的函数。

{注1： 即定义复变函数11()1s s s n pζ-==-∑∏} 上面这两个级数只有当s 的实部大于1时才收敛，但很容易找到一个（对任意s ）总是有效的函数()s ζ的表达式。

{注2：用现代数学语言讲，即要对复变函数()s ζ进行解析延拓，而解析延拓的最好方法是寻找一个该函数的更广泛有效的表示如积分表示或适当的函数方程。

}利用等式{注3：()s ∏是高斯引入的伽玛函数记号，现在一般把伽玛函数记作()s Γ，()(1)()s s s s ∏=Γ+=Γ，10()s x s x e dx ∞--Γ=⎰，令积分号中的哑变量x nx →即可导出上式。

}可得{注4：111 1111x nxx x x n e ee e e -∞---==-==---∑ }现在考虑积分{注5：按现代数学记号，该积分应记成 1()1s x C x dx e ---⎰或（考虑到一般用z 表示复数）1()1s z C z dz e ---⎰，其中的积分路径C 如下面的图1所示。

}积分路径沿从到、包含值0但不包含被积函数的任何其他奇点的区域的正向边界进行。

{注6：参见下面的图1。

}图1 易得该积分的值为其中我们约定在多值函数中，log()x -的取值对于负的x 为实数。

由此即得{注7： 2sin sisieei s πππ--=⋅ （注意复变量的三角函数的定义由欧拉公式sin 2iz izz ie e -=-给出），1()1s x x dx e ∞-∞--⎰按现代数学记号应记成1()1s z C z dz e ---⎰（参见注5），其中的积分路径C 如上面图1所示。

关于上式的详细推导参见/My%20Writings/Reply1.htm }其中的积分由上面所给出的方式定义。

现在这一等式对于任意复变量s 都给出了函数()s ζ的值，并表明它是单值解析的，并且对于所有有限的s （除了1之外）都取有限值，当s 等于一个负偶数时取零值。

{注8：实际上可证上面等式的右边是一个整函数（请读者思考如何证明），故左边也是一个整函数，注意(1)()s s ∏-=Γ（参见注3），而()s Γ在0,1,2,3,...s ---=的一级极点和sin s π的零点抵消。

}当s 的实部为负时，上面的积分可以不沿正向围绕给定值的区域进行，而是沿负向包含所有剩下的复数值的区域进行，{注9：参见下面的图2，其中的大圆C’的半径趋向无穷大，从而包含被积函数的所有极点即分母1x e -的所有零点 2n πi （n 为整数），接下来的计算用现代术语说就是应用柯西的留数定理。

}因为该积分的值对于模无限大的复数为无限小，而在该区域内部，被积函数只有当x 等于2i π的整数倍时才有奇点，于是该积分即等于负向围绕这些值的积分之和，但围绕值2n i π的积分等于，{注10：被积函数在2n i π（n ≠0）的留数等于11122()() (2)(1)'s s x x s x n i x n ix x n e e i πππ---==--==--⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ }于是我们得到它揭示了一个和之间的关系，利用函数()s ∏的已知性质，也可以将它表述为：/2(1)()2s ss πζ-∏- 在变换1s s →-下不变。

{注11：“()s ∏的已知性质”即伽玛函数()s Γ的余元公式和勒让德公式。

上述结果的推导参见[注11补]。

}该函数的这一性质诱导我在级数的一般项中引入而不是，由此我们能得到函数的一个很方便的表达式，事实上我们有{注12：2nn n （从笛卡尔开始直到黎曼的时代，一个变量的平方一般用叠写该变量表示，虽然其他次数的方幂都用指数表示）。

为了推导上式，只需在120(1)()22sx s s x e dx ∞--Γ-=Γ=⎰中作替换2x n x π→即可。

}因此，如果记即得又因为（雅可比《椭圆函数论新基础》S 卷第184页）{注13：黎曼引入的这个函数()x ψ本质上即雅可比theta 函数：2249161()1212(......)n xn x x x x x n n x ee e e e e ππππππθ∞∞------=-∞===+=+++++∑∑易见21()1()=2n xn x x eπθψ∞-=-=∑上述恒等式即theta 函数的变换公式：1()()x xθθ=它最早由柯西用傅立叶分析得到，后来雅可比又用椭圆函数给出了证明，详见[注13补]。

}我们又有{注14：注意在上面的最后一个等式中，我们可以明显看出/2(1)()2s ss πζ-∏- 在变换1s s →-下不变。

（ ∵ 1(1)s s - 和 11221()() s sx x x dx ψ∞+--+⎰ 都在1s s →-下不变 ） 这样黎曼就再次推导出了()s ζ的函数方程（这比前面用围道积分和留数定理的推导更简单）。

若引入辅助函数/2()(1)()2s ss s πζ-Φ=∏-函数方程可以简洁地写为 ()(1)s s Φ=Φ-，但更方便的做法是在()s Φ中添加因子(1)s s -（这正是黎曼接下来做的），即令（为了和黎曼的记号保持一致引入数字因子1/2）/21() (1)()()22s ss s s s ξπζ-=-Γ因为因子(1)s -消去了()s ζ在1s =处的一阶极点，因子s 消去了()2s Γ在0s =处的极点，而()s ζ的平凡零点 -2，-4，-6,....和()2sΓ的其余极点抵消，因此()s ξ是一个整函数，且仅以()s ζ的非平凡零点为零点。

注意到因子(1)s s -显然在1s s →-下不变，所以仍有函数方程() (1)s s ξξ=-.}现在设 12s ti =+,于是可得或{注15：黎曼定义的这个函数和现在通常使用的函数()s ξ（参见上注）本质上完全相同（注意()(1)()2222s s s s∏=Γ+=Γ，参见注3），仅有的差别是黎曼以t 为自变量，而现在通常使用的()s ξ仍以s 为自变量，s 和t 差一个线性变换：12ti s +=，即一个90°旋转加1/2的平移。

这样一来，s 平面中的直线12Re s = 就对应于t 平面中的实轴，zeta 函数在临界直线12Re s =上的零点就对应于函数()t ξ的实根。

注意在黎曼的记号中，函数方程() (1) s s ξξ=-（见上注）就变成了() () t t ξξ=-，即()t ξ是偶函数，故而其幂级数展开只有偶次幂，且零点关于0t =对称分布。

另外，从上面的两个积分表示也可以明显看出()t ξ是偶函数（∵1log 2cos()t x 是t 的偶函数）。

}对于所有有限的t ，该函数的值都是有限的，并可以按2t 的幂展开成一个快速收敛的级数，因为对于一个实部大于1的s 值，也是有限的，这对的其他因子的对数也同样成立，因此函数只有当t 的虚部位于12i 和12i-之间时才可能取零值。

{注16：即()s ξ只有当s 的实部位于0和1之间时才可能取零值（参见上注）。

}方程的实部在0和之间的根的数目约等于{注17：黎曼对零点数目估计的这一结果直到1895年才由Mangoldt 严格证明。

}这是因为沿包含所有虚部位于12i 和12i -之间、实部位于0和T 之间的t 值的正向回路的积分log ()d t ξ⎰（略去和1T同阶的小量后）的值约等于，而该积分的值等于位于此区域内的方程的根的数目乘以{注18：此即幅角原理}。

事实上我发现在该区域内的实根数目近似等于该数目，极有可能所有的根都是实数。

对此我们自然希望能有一个严格的证明，然而在一些仓促的不成功的初步尝试之后，我暂时把寻求证明搁在一边，因为对于我接下来研究的目的来说它并不是必需的。

{注19：黎曼轻描淡写写下的这几句话就是著名的黎曼猜想！}--- 正文第一部分终 ---【注11补】 由欧拉公式（cos sin ize z i z =+）可得(1)(1)112222() 2sin2s s i s i s iis s si i eeieieπππππ-------+=+=-=因此（注意(1)()s s ∏-=Γ, 参见注3）1112sin ()() (2)(() ) (2)(1)2sin2s s s s ss s s n i i ss πζπππζ---Γ=-+=-⋅∑再用倍角公式sin 2sincos22sss πππ=即得到1(1) 2cos()()2s s ss s s πζπζ---=Γ作替换1s s →-后即1() 2sin(1)(1)2s s ss s s πζπζ-=Γ-- （1）这就是()s ζ的函数方程。

为了将它改写成一种对称的形式，用伽玛函数的余元公式() (1)sin z z zππΓΓ-=和勒让德公式11/2 1() () 2()222z z z z π-ΓΓ+=Γ在式（1）中作替换sin2()(1)22ss sππ→ΓΓ-,1/2 1(1) 2()(1) 22s s ss π---Γ-→ΓΓ-就得到/2(1)/21()() ()(1)22s s s s s s πζπζ----Γ=Γ- 即/2()() 2s ss πζ-Γ在变换1s s →-下不变，亦即/2(1)()2s ss πζ-∏- 在变换1s s →-下不变。

【注13补】设第一类完全椭圆积分/2()K K k π==⎰/2'(')'K K k k π===⎰, 'k k 分别称为雅可比椭圆函数或椭圆积分的模（modulus ）和补模。

令'/K K τ=，有4916()12(......)e e e e πτπτπτπτθτ----==+++++将模k 和补模'k 互换又有/4/9/16/1()12(......)e e e e πτπτπτπτθτ----==+++++两式相比即得1()()θθττ=.--- 未完待续（to be continued ）---【译者和注释者简介】谢国芳，浙江绍兴人，独立语言学者和数学研究者，创立了外语解密学习法，著有《解密英语——学外语从零点到绝顶的最速路经》、《日语汉字读音规律揭秘》、《破解韩国语单词的奥秘》等，建有以传播外语和数学知识与文化为宗旨的网站“语数之光”。