Рассмотрим c – вещественный характер, т.е. принимающий только вещественные значения, несовпадающий с главным характером

2. Рассмотрим c – вещественный характер, т.е. принимающий только вещественные значения, несовпадающий с главным характером

Лемма 8. Пусть c – вещественный характер.

Рассмотрим функцию

F(S) = ξ(S) L (S, x) (2.15)

Докажем, что если Re S>1, то

(2.16)

представляется рядом Дирихле, которого справедливы следующие утверждения:

1) Все коэффициенты а_n≥ 0

2) при n=k², k ? / N(N)/ а_n≥1

3) В области ReS<1 можно почленно дифференцировать, то есть

F ^(k) (S)= (-1)^k(ln n)^k k=1,2…; (2.17)

4) Ряд (1) в точке S=1/2 расходится.

Доказательство. В области ReS > 1 ряды, определяющие функции S(S) и L (S,c), абсолютно сходятся, поэтому их можно перемножить:

где

(2.19)

Пусть - расположение числа n в произведение простых сомножителей. Тогда все натуральные делители l числа n имеют вид

 

поэтому из равенства (14) находим, что

где a_{ni =} 1+ c (p_i)+ … +c^Li (p_i), i=1,…, m (2.21)

так как c – вещественный характер, то он может принимать только три значения: 0, 1, -1. Из равенства (2.21) следует, что

(2.22)

Во всех случаях числа a_ni³0, а значит, и a_n=a_n1 … a_nm³0

Если же число п является полным квадратом, то

N=k²=p_/^2g … p_m^2g,

и из равенств (2.20) и (2.22) следует, что а_n ³1

При любом s > 0 в области ReS> 1 +s выполняется неравенство

Ряд (2.18) сходится в области ReS > 1. Поэтому по признаку Вейерштрасса ряд (2.16) сходится равномерно в области ReS > 1 + s, а по теореме Вейерштрасса его можно в этой области почленно дифференцировать любое число раз. Следовательно, в области ReS > 1 +s выполняется равенство (2. 17), а в силу произвольности s оно выполняется и в области ReS > 1.

Однако ряд (39) расходится, так как по второму утверждению леммы

Ряд (2.16) при S =  имеет неотрицательные члены. Поэтому, если бы он сходился, то также сходился бы ряд

(2.23)

Следовательно, ряд (2.23) расходится. Лемма доказана.

Переходим непоредственно к доказательству второго случая теоремы. Допустим, что L (1,c) = 0. Тогда полюс дзета-функции будет компенсироваться в произведении S(S) L (S, c) нулем функции L (S, c).

Поэтому функция (2.15) F(S) будет аналитической в области ReS > 0 так как в точке S=1 у F(z) – устраненная особая точка. Следовательно, ее можно разложить в ряд Тейлора в точке S = 2:

(2. 24)

радиус сходимости которого не меньше 2 R³2/

Из равенств (2.17), в частности S=2, находим

(2.25)

В радиусе сходимости будет брать не все S, а только вещественные ReS=s S=sÎ(0,2). Пользуясь разложениями (18) и (19), находим

Члены двойного ряда неотрицательны, поэтому он сходится абсолютно, и в нем можно поменять порядок суммирования. Тогда

Следовательно, ряд (2.16) сходится во всех точках, s < (, 0, 2), и в точке , а это противоречит четвертому утверждению леммы. Поэтому L (S,c)¹0/

Этим завершается доказательство теоремы

По следствию 2 леммы 2 функция  является аналитической в области ReS > 1. Для дальнейшего доказательства теоремы Дирихле нам будет необходимо представление этой функции в виде ряда, аналогичного ряда (2.16).

Лемма. Для каждого характера c(n) в области ReS > 1 справедливо равенство

(2.26)

Доказательство.

Так как S=s+it имеет место неравенство

получаем, что ряд стоящий в правой части равенства (2.26), абсолютно сходится в области s>1. Умножим этот ряд на ряд определяющий L (S, c). Получили

Предпоследнее равенство имеет место ввиду равенства ), а последнее – по следствию из леммы 3, равенство 2.7.

3. Доказательство теоремы Дирихле

Теорема. Если разность и первый член арифметической прогрессии есть взаимно простые натуральные числа, то она содержит бесконечное множество простых чисел.

Доказательство.

Рассмотрим равенство (2.26), которое справедливое по Лемме в области ReS > 1. Поскольку (n) = 0 для всех n, не являющихся степенями простых чисел, то все отличные от нуля члены ряда в правой части (2.26) имеют вид

где р – простое и k – натуральное числа. Ряд (2.26) абсолютно сходится, следовательно, его можно представить в виде двойного ряда) и, значит, в области ReS > 1

(3.1)

Второе слагаемое в правой части этого равенства равномерно ограничено по s в области ReS³3/4. Действительно, если S=p+it, p³3/4, то

Следовательно, при S®1+0 для каждого характера c имеет место равенство

(3.2)

Здесь и в дальнейшем s ® 1 + o обозначает, что S стремится к 1 по действительной оси справа.

Пусть u – некоторое натуральное число, удовлетворяющее сравнению

(3.3)

Умножим обе части равенства (3.2) на c(u) и просуммируем получившиеся равенства по всем числовым характерам c. Тогда получим

(3.3)

Если простое число р удовлетворяет сравнению р ºl (mod m), то pu ≠ 1 (mod m), и по теореме 1

Если же p≠l (mod m), то pu≠ 1 и по той же теореме

Таким образом, равенство (3.3) можно переписать в виде

(3.4)

По лемме 3 и теореме 2 для неглавного характера c функция  является аналитической в точке S = 1. Поэтому для таких характеров при S ®1 + 0 имеем

(3.5)

По следствию 1 леммы 4 функция L (S, c₁) имеет в точке S=1 полюс первого порядка. Значит, при S®1+0

(3/6)

Учитывая равенства (3.5) и (3.6.) из равенства (26) получаем, что

Так как число u удовлетворяет сравнению (3.3), то (u, m) = 1 и c₀(u)=1. Итак, при S®1+0

(3.7)

Правая часть равенства а (3.7) при S®1+0 имеет бесконечный предел. Значит, сумма, стоящая в левой части этого равенства, имеет бесконечное множество слагаемых. Поэтому существует бесконечное множество простых чисел, удовлетворяющих сравнению

pºe (mod m)

Теорема Дирихле доказана.