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Somme de Ramanujan

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En théorie des nombres, une branche des mathématiques, une somme de Ramanujan, habituellement notée cq(n), est une fonction de deux variables entières q et n, avec q ≥ 1, définie par la formule :

,

où le pgcd est le plus grand commun diviseur. La somme est donc effectuée sur les classes de congruence inversibles modulo q.

Srinivasa Ramanujan fit une publication sur le sujet en 1918[1]. Les sommes de Ramanujan interviennent de façon récurrente en théorie des nombres, par exemple dans la preuve du théorème de Vinogradov sur les sommes de trois nombres premiers[2].

Pour 2 nombres entiers a et b, se lit "a divise b", et signifie qu'il existe un entier c tel que b = ac. De même, se lit "a ne divise pas b".

Le symbole de sommation

signifie que d passe par tous les diviseurs positifs de m, par ex.

est le plus grand diviseur commun,

est l'indicatrice d'Euler,

est la fonction de Möbius et

est la fonction zêta de Riemann.

Des formules pour cq(n)

Formules trigonométriques

Ces formules proviennent de la formule d'Euler et des identités trigonométriques élémentaires.

et ainsi de suite (OEIS A000012, OEIS A033999, OEIS A099837, OEIS A176742, OEIS A100051...). Cela montre que cq(n) est toujours un nombre réel (algébrique, comme somme de racines de l'unité).

Formule de Kluyver

Posons ζq est donc une solution de l'équation xq − 1 = 0. Chacune de ses puissances ζq, ζq2, ... ζqq = ζq0 = 1 est également une solution, et puisque ces q nombres sont distincts, ce sont toutes les solutions de l'équation. Les ζqn où 1 ≤ n ≤ q sont appelées les racines q-èmes de l'unité. ζq est appelée une racine primitive, parce que la plus petite valeur de n telle que ζqn = 1 est q. Les autres racines primitives sont les , où a et q sont premiers entre eux. Donc, il y a φ(q) racines primitives q-ièmes de l'unité.

La somme de Ramanujan cq(n) est somme de puissances n-ièmes des racines primitives q-ièmes de l'unité[3].

Exemple. Supposons q = 12. Alors

ζ12, ζ125, ζ127, et ζ1211 sont les racines primitives douzièmes de l'unité,
ζ122 et ζ1210 sont les racines primitives sixièmes de l'unité,
ζ123 = i et ζ129 = −i sont les racines primitives quatrièmes de l'unité,
ζ124 et ζ128 sont les racines primitives troisièmes de l'unité.

Par conséquent, si

est la somme de la n-ième puissance de toutes les racines primitives et imprimitives,

on a par la formule d'inversion de Möbius,

Il résulte de l'identité xq − 1 = (x − 1)(xq-1 + xq-2 + ... + x + 1) que

et cela conduit à la formule

,

publiée par Kluyver en 1906[4].

Cela montre que cq(n) est toujours un entier ; cette formule est analogue à la formule classique sur l'indicatrice d'Euler :

Fonction arithmétique de Von Sterneck

Il est facile de démontrer à partir de la définition que cq(n) est multiplicative, lorsqu'elle est considérée comme une fonction de q pour une valeur fixe de n[5], c'est-à-dire que :

À partir de la définition (ou de la formule de Kluyver), il est facile de prouver que, si p est un nombre premier,

et si pk est un nombre premier élevé à la puissance k où k > 1, alors :

Ce résultat et la propriété multiplicative peuvent être utilisés pour montrer que

Cette expression est appelée la fonction arithmétique de von Sterneck[6]. L'équivalence de cette fonction et de celle de Ramanujan est due à Hölder[7],[8].

Autres propriétés de cq(n)

Pour tous les entiers positifs q,

Pour q fixé, les valeurs absolues des termes de la suite cq(1), cq(2), ... sont majorées par φ(q), et pour n fixé, les valeurs absolues des termes de la suite c1(n), c2(n), ... sont majorées par n.

Si q > 1

Posant m = ppcm(m1, m2), les sommes de Ramanujan satisfont une propriété d'orthogonalité[9] :

Supposez n, k > 0. Alors[10]

connu comme l'identité Brauer-Rademacher.

Si n > 0 et a est un entier, on a aussi[11]

Table

Somme de Ramanujan cs(n)
  n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
s 1 1 111111111 1111111111 1111111111
2 −1 1 −11−11−11−11 −11−11−11−11−11 −11−11−11−11−11
3 −1−1 2 −1−12 −1−12−1−12 −1−12−1−12 −1−12−1−12 −1−12−1−12
4 0−202 0−202 0−202 0−202 0−202 0−202 0−202 0−2
5 −1−1−1−14 −1−1−1−14 −1−1−1−14 −1−1−1−14 −1−1−1−14 −1−1−1−14
6 1−1−2−112 1−1−2−112 1−1−2−112 1−1−2−112 1−1−2−112
7 −1−1−1−1−1−16 −1−1−1−1−1−16 −1−1−1−1−1−16 −1−1−1−1−1−16 −1−1
8 000−40004 000−40004 000−40004 000−400
9 00−300−3006 00−300−3006 00−300−3006 00−3
10 1−11−1−4−11−114 1−11−1−4−11−114 1−11−1−4−11−114
11 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−110 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−110 −1−1−1−1−1−1−1−1
12 020−20−40−20204 020−20−40−20204 020−20−4
13 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−112 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−112 −1−1−1−1
14 1−11−11−1−6−11−11−116 1−11−11−1−6−11−11−116 1−1
15 11−21−4−211−2−41−2118 11−21−4−211−2−41−2118
16 0000000−800000008 0000000−8000000
17 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−116 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1
18 00300−300−600−3003006 00300−300−600−3
19 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−118 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1
20 020−2020−20−8 0−2020−20208 020−2020−20−8
21 11−211−2−61−211−21−6−211−21112 11−211−2−61−2
22 1−11−11−11−11−1−10 −11−11−11−11−1110 1−11−11−11−1
23 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−122 −1−1−1−1−1−1−1
24 0004 000−4 000−8 000−4 0004 0008 0004 00
25 0000−5 0000−5 0000−5 0000−5 000020 0000−5
26 1−11−11−11−11−11−1−12 −11−11−11−11−11−1112 1−11−1
27 00000000−9 00000000−9 0000000018 000
28 020−2020−2020−20−12 0−2020−2020−202012 02
29 −1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−1−128 −1
30 −11214−2−112−4−1−2−11−8 1−1−2−1−421−1−24121−18

Développements de Ramanujan

Notes et références

Voir aussi

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