Exponential and infinitary divisors

We study several problems in the field of modified divisors; more precisely, from the theory of exponential and infinitary divisors.We analyze the behavior of modified divisors, sum-of-divisors, and totient functions. Our main results are connected with the asymptotic behavior of mean values and exp...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2016
Автори: Lelechenko, A. V., Лелеченко, А. В.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2016
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1902
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860507790926151680
author Lelechenko, A. V.
Лелеченко, А. В.
author_facet Lelechenko, A. V.
Лелеченко, А. В.
author_sort Lelechenko, A. V.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2019-12-05T09:31:14Z
description We study several problems in the field of modified divisors; more precisely, from the theory of exponential and infinitary divisors.We analyze the behavior of modified divisors, sum-of-divisors, and totient functions. Our main results are connected with the asymptotic behavior of mean values and explicit estimates of the extremal orders.
first_indexed 2026-03-24T02:14:55Z
format Article
fulltext УДК 511.3 А. В. Лелеченко (Одес. нац. ун-т iм. I. I. Мечникова) ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНI ТА IНФIНIТАРНI ДIЛЬНИКИ We study several problems in the field of modified divisors; more precisely, from the theory of exponential and infinitary divisors. We analyze the behavior of modified divisors, sum-of-divisors, and totient functions. Our main results are connected with the asymptotic behavior of mean values and explicit estimates of the extremal orders. Статья посвящена некоторым вопросам из области модифицированных делителей, а именно теории экспоненци- альных и инфинитарных делителей. Изучается поведение аналогов функции делителей, функции суммы делите- лей и функции Эйлера. Получены новые асимптотические оценки этих функций в среднем и явные оценки их экстремальных значений. 1. Вступ. Будемо казати, що m є експоненцiальним дiльником (або е-дiльником) числа n (позна- чається m | (e) n), якщо m | n та для кожного простого p | n маємо a | b, де pa | | m, pb | | n. Це означення, введене Суббарао [18], приводить до функцiї е-дiльникiв \tau (e)(n) = \sum m| (e)n 1 (послi- довнiсть A049419 в OEIS [20]) та функцiї суми е-дiльникiв \sigma (e)(n) = \sum m| (e)n m (послiдовнiсть A051377). Цi функцiї вивчалися багатьма авторами, зокрема Ву та Петерманном [17, 25]. Розглянемо множину арифметичних функцiй \scrA , множину мультиплiкативних простонеза- лежних функцiй \scrM PI та такий оператор E : \scrA \rightarrow \scrM PI , що (Ef)(pa) = f(a). Можна перевi- рити, що \tau (e) = E\tau , але \sigma (e) \not = E\sigma . Пункт 2 присвячено функцiї E\sigma , яка, на вiдмiну вiд \sigma (e), ранiше не розглядалася. З iншого боку, кiлька авторiв, включаючи Тота [22, 24] та Петерманна [16], вивчали екс- поненцiальний аналог функцiї Ейлера, побудований як \phi (e) = Ef. Однак функцiя \phi (e) не має багатьох важливих ознак, притаманних \phi : вона простонезалежна та \phi (e) \ll n\varepsilon . У пунктi 3 ми побудуємо бiльш природну модифiкацiю функцiї Ейлера. Нехай m є унiтарним дiльником n (позначається m | \ast n), якщо m | n та \mathrm{g}\mathrm{c}\mathrm{d}(m,n/m) = 1. Визначимо бiунiтарнi дiльники: нехай m | \ast \ast n, якщо m | n та найбiльший спiльний унiтарний дiльник m та n/m дорiвнює 1. Визначимо триунiтарнi дiльники: нехай m | \ast \ast \ast n, якщо m | n та найбiльший спiльний бiунiтарний дiльник m та n/m дорiвнює 1, i т. д. Коен [1] показав, що цей процес збiгається до множини так званих iнфiнiтарних дiльникiв (або \infty -дiльникiв): m | \infty n, якщо m | n та для кожного p | n, pa | | m, pb | | n двiйковий запис a має нулi в усiх позицiях, в яких їх має b. Це одразу дає нам функцiю \infty -дiльникiв \tau \infty (послiдовнiсть A037445) та функцiю суми \infty -дiльникiв \sigma \infty (послiдовнiсть A049417). Нещодавно Мiнкулете та Тот [15] означили та вивчили експоненцiальний аналог унiтарних дiльникiв. Введемо е-\infty -дiльники: нехай m | (e)\infty n, якщо m | n та для кожного p | n, pa | | m, pb | | n маємо a | \infty b. В пунктi 4 ми покращуємо оцiнку для \sum n\leq x \tau \infty (n) Коена та Хагiса [2] та коротко розглядаємо \tau (e)\infty . Пункт 5 присвячено е-\infty -досконалим числам: \sigma (e)\infty (n) = 2n. Лiтерою p позначають просте число. Запис pa | | n означає, що pa | n, але pa+1 \nmid n. Ми позначаємо згортку Дiрiхле через f \star g: (f \star g)(n) = \sum d| n f(d)g(n/d). c\bigcirc А. В. ЛЕЛЕЧЕНКО, 2016 1068 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНI ТА IНФIНIТАРНI ДIЛЬНИКИ 1069 В асимптотичних спiввiдношеннях символи \sim , \asymp , символи Ландау O та o, символи Вино- градова \ll та \gg використовуються в їх звичайному значеннi. Всi асимптотичнi спiввiдношення записанi для аргументу (зазвичай x), що прямує до нескiнченностi. Лiтера \gamma позначає константу Ейлера – Маскеронi. Скрiзь \varepsilon > 0 є довiльно малим числом, яке може бути рiзним навiть у рамках одного й того ж рiвняння. Як завжди, \zeta (s) — дзета-функцiя Рiмана. Дiйсна та уявна компоненти комплексного s позначаються через \sigma := \Re s та t := \Im s, тобто s = \sigma + it. Ми скорочуємо \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} := \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \circ \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}, \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} := \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \circ \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \circ \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x, де \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x позначає натуральний логарифм. Нехай \tau — функцiя дiльникiв, \tau (n) = \sum d| n 1. Позначимо \tau (a1, . . . , ak;n) = \sum d a1 1 \cdot \cdot \cdot dakk =n 1 та \tau k = \tau (1, . . . , 1\underbrace{} \underbrace{} k разiв ; \cdot ). Тодi \tau \equiv \tau 2 \equiv \tau (1, 1; \cdot ). Далi, позначимо через \Delta (a1, . . . , ak;x) залишковий член в асимптотичнiй оцiнцi для\sum n\leq x \tau (a1, . . . , ak;n). Щодо форми головного члена див. [11]. Для стислостi будемо писа- ти \Delta k(x) = \Delta (1, . . . , 1\underbrace{} \underbrace{} k разiв ;x). Нарештi, \theta (a1, . . . , ak) позначає таке дiйсне число, що \Delta (a1, . . . , ak;x) \ll x\theta (a1,...,ak)+\varepsilon , а \theta k є скороченням для \theta (1, . . . , 1\underbrace{} \underbrace{} k разiв ). 2. Значення \bfitE \bfitsigma . Теорема 1. Має мiсце така оцiнка максимального порядку функцiї E\sigma : \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m} \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} n\rightarrow \infty \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}E\sigma (n) \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n = \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 3 2 . (1) Доведення. Теорема Сур’янараяни та Сiти Рами Чандри Рао [19] показує, що \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m} \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} n\rightarrow \infty \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}E\sigma (n) \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n = \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} n\geq 1 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \sigma (n) n . Розiб’ємо супремум на двi частини: для малих n маємо \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x} n\leq 6 \bigl( \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \sigma (n) \bigr) /n = \bigl( \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \sigma (2) \bigr) /2 = (\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 3)/2, а для n > 6 застосуємо оцiнку Iвiча [7] \sigma (n) < 2,59n \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n, (2) щоб отримати ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 1070 А. В. ЛЕЛЕЧЕНКО \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \sigma (n) n < \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 2,59 + \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n+ \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n n := f(n), де f — спадна функцiя при n > 6 та f(7) < (\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 3)/2. Таким чином, \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} n\geq 1 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \sigma (n) n = \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 3 2 . Теорему 1 доведено. Рiвняння (1) показує, що E\sigma (n) \ll n\varepsilon . Теорема 2. Для суматорної функцiї вiд E\sigma виконується асимптотична оцiнка\sum n\leq x E\sigma (n) = C1x+ (C2 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x+ C3)x 1/2 + C4x 1/3 + E(x), (3) де C1, C2, C3, C4 — обчислюванi константи та x1/5 \ll E(x) \ll x1153/3613+\varepsilon . Доведення. Нехай F (s) = \sum \infty n=1 E\sigma (n)n - s. Використовуючи (2), маємо F (s) = \prod p \infty \sum a=0 E\sigma (pa)p - as = \prod p \Biggl( 1 + \infty \sum a=1 \sigma (a)p - as \Biggr) = = \prod p \bigl( 1 + p - s + 3p - 2s + 4p - 3s + 7p - 4s +O(p\varepsilon - 5s) \bigr) = = \prod p 1 +O(p\varepsilon - 5s) (1 - p - s)(1 - p - 2s)2(1 - p - 3s) , отже, F (s) = \zeta (s)\zeta 2(2s)\zeta (3s)H(s), (4) де ряд H(s) збiгається абсолютно при \sigma > 1/5. Рiвняння (4) показує, що E\sigma = \tau (1, 2, 2, 3; \cdot ) \star h, де \sum n\leq x | h(n)| \ll x1/5+\varepsilon . Використо- вуючи результат Кретцеля [12] (теорема 3) разом с результатом Хакслi [6] щодо експонентної пари k = 32/205 + \varepsilon , l = k + 1/2, отримуємо \sum n\leq x \tau (1, 2, 2, 3;n) = B1x + (B2 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x + + B3)x 1/2 + B4x 1/3 + O(x1153/3613+\varepsilon ) для деяких обчислюваних констант B1, B2, B3, B4. Тепер стандартний метод згортки посвiдчує (3) та верхню оцiнку E(x). Оцiнка E(x) знизу випливає з теореми Кюхлейтнера й Новака [14]. Теорему 2 доведено. Теорема 3. Для квадрата E\sigma виконується асимптотична оцiнка\sum n\leq x (E\sigma (n))2 = Dx+ P7(\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x)x 1/2 + E(x), де D — обчислювана константа, а P7 — полiномом з \mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{g}P = 7 i x4/17 \ll E(x) \ll x8/19+\varepsilon . Доведення. Маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНI ТА IНФIНIТАРНI ДIЛЬНИКИ 1071 \infty \sum n=1 (E\sigma (n))2n - s = \prod p \Biggl( 1 + \infty \sum a=1 (\sigma (a))2p - as \Biggr) = \prod p \bigl( 1 + p - s + 9p - 2s +O(p\varepsilon - 3s) \bigr) = = \prod p 1 +O(p\varepsilon - 3s) (1 - p - s)(1 - p - 2s)8 = \zeta (s)\zeta 8(2s)G(s), де ряд G(s) збiгається абсолютно при \sigma > 1/3. \Omega -оцiнка залишкового члена E(x) випливає знову з [14]. Щоб отримати E(x) \ll x8/19, використаємо теорему 6.8 з [11], яка дає \theta (1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2) \leq 1/(1 + 2 - \theta 8) \leq 8/19. Тут ми скористалися оцiнкою Хiз-Брауна \theta 8 \leq 5/8 [21, с. 325]. 3. Значення f(\bfite ) . Для звичайної функцiї Мебiуса \mu , тотожної функцiї \mathrm{i}\mathrm{d} та одиничної функцiї \bfone маємо \tau = \bfone \star \bfone , \mathrm{i}\mathrm{d} = \bfone \star \mu , \sigma = \bfone \star \mathrm{i}\mathrm{d} . Суббарао [18] увiв таку експоненцiальну згортку \odot , що для мультиплiкативних f та g їхня згортка f \odot g також є мультиплiкативною функцiєю i (f \odot g)(pa) = \sum d| a f(pd)g(pa/d). (5) Для функцiї \mu (e) = E\mu та вказаних у пунктi 1 функцiй \tau (e) i \sigma (e) маємо \tau (e) = \bfone \odot \bfone , \mathrm{i}\mathrm{d} = \bfone \odot \mu (e), \sigma (e) = \bfone \odot \mathrm{i}\mathrm{d} . Це приводить нас до природного означення f(e) = \mu (e) \odot \mathrm{i}\mathrm{d} (пор. зi звичайним \phi = \mu \star \mathrm{i}\mathrm{d}). Тодi згiдно з означенням (5) f(e)(pa) = \sum d| a \mu (a/d)pd. Наведемо кiлька перших значень f(e) на степенях простих чисел: a 1 2 3 4 5 f(e)(pa) p p2 - p p3 - p p4 - p2 p5 - p . Зазначимо, що f(e)(n)/n залежить лише вiд квадратноповної частини n. Вочевидь \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m} \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} n\rightarrow \infty f(e)(n)/n = 1. Тому, використовуючи формулу Мертенса, можна отримати (пор. з теоремою 328 [5]) \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m} \mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{f} n\rightarrow \infty f(e)(n) \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n n = e - \gamma . Доведемо явний результат щодо максимального порядку f(e). Теорема 4. Для будь-якого n > 44100 f(e)(n) \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n n \geq Ce - \gamma , C = 0,993957. (6) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 1072 А. В. ЛЕЛЕЧЕНКО Доведення. Позначимо для стислостi f(n) = f(e)(n) \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} n/n. Нехай функцiя s(n) пiдраховує простi числа, квадрати яких є дiльниками n: s(n) = = \sum p2| n 1. Нехай pk позначає k-е просте: p1 = 2, p2 = 3 i т. д. Можна перевiрити, що f(n) \leq f \Bigl( \prod p\leq ps(n) p2 \Bigr) . Ми покажемо, що нерiвнiсть (6) має мiсце для будь-якого n = \prod p\leq x p2, де x \geq 11. На таких числах маємо f(n) = \prod p\leq x (1 - p - 1) \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \left( 2 \sum p\leq x \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} p \right) , i наша задача полягає в оцiнюваннi правої частини знизу. Дусарт [3] довiв, що для x \geq x0 = = 10 544 111 \sum p\leq x p - 1 \leq \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x+B + 1 10 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}2 x + 4 15 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}3 x , (7) \sum p\leq x \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} p \geq x \biggl( 1 - 0,006788 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x \biggr) . (8) Тепер, оскiльки \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} ( - y - y2/2 - cy3) \leq 1 - y для 0 \leq y \leq 1/2 i c = 8 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 2 - 5,\prod p\leq x (1 - p - 1) \geq \prod p\leq x \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}( - p - 1 - p - 2/2 - cp - 3) \geq \geq \Biggl( \prod p \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}( - p - 2/2 - cp - 3) \Biggr) \prod p\leq x \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}( - p - 1) =: C1 \prod p\leq x \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}( - p - 1), де C1 = 0,725132. З (7) для x \geq x0 випливає \prod p\leq x \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}( - p - 1) = \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - \sum p\leq x p - 1 \right) \geq \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} - 1 x \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( - B - 1 10 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}2 x - 4 15 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}3 x \biggr) \geq \geq \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} - 1 x \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( - B - 1 10 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}2 x0 - 4 15 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}3 x0 \biggr) =: C2 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} - 1 x, де C2 = 0,769606. Згiдно з (8) для x \geq x0 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \left( 2 \sum p\leq x \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} p \right) \geq \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} \biggl( 2x \biggl( 1 - 0,006788 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x \biggr) \biggr) \geq \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x. Отже, за умов x \geq x0, n = \prod p\leq x p 2 маємо f(n) \geq C1C2 = 0,993957e - \gamma . (9) Обчислення показують, що насправдi (9) має мiсце для p5 = 11 \leq x < x0 i n = (2 \cdot 3 \cdot 5 \cdot 7)2 = = 44100 є найбiльшим винятком форми \prod p\leq x p2. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНI ТА IНФIНIТАРНI ДIЛЬНИКИ 1073 Для завершення доведення достатньо показати, що теорема виконується для кожного n > > 44100 з s(n) \leq 4. По-перше, можна перевiрити, що єдиними квадратноповними k, для яких f(k) \geq Ce - \gamma i s(k) \leq 4, є 4, 8, 9, 36, 900, 44100. По-друге, нехай n = kl, де k > 1 позначає квадратноповну частину, а l — квадратновiльну частину, \mathrm{g}\mathrm{c}\mathrm{d}(k, l) = 1. Тодi f(n) = f(e)(k) \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} k k f(e)(l) l \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} kl \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} k \geq 2 \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 4 4 \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 4l \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 4 = \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 4l 2 . Ця нерiвнiсть показує, що якщо f(n) \leq Ce - \gamma , то \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} 4l \leq 2Ce - \gamma , тобто l \leq 5. Таким чином, повний список пiдозрiлих чисел має вигляд\bigl\{ kl | k \in (4, 8, 9, 36, 900, 44100), l \in \{ 1, 2, 3, 5\} , \mathrm{g}\mathrm{c}\mathrm{d}(k, l) = 1 \bigr\} i всi вони меншi або дорiвнюють 44100. Теорема 5. Має мiсце така оцiнка суматорної функцiї вiд f(e) :\sum n\leq x f(e)(n) = Cx2 +O(x \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}5/3 x), де C — обчислювана константа. Доведення. Нехай s — таке комплексне число, що \sigma > 4/5. Для a \geq 4 маємо f(e)(pa) = = pa +O(pa/2) i \sum \infty a=4 pa/2 - 4a/5 = \sum \infty a=4 p - 3a/10 \ll p - 12/10 \ll p - 1. Звiдси \frakF (p) := \infty \sum a=0 f(e)(pa)p - as = 1 + p1 - s + (p2 - 2s - p1 - 2s) + (p3 - 3s - p1 - 3s) + \infty \sum a=4 pa - as +O(p - 1). Тодi (1 - p1 - s)\frakF (p) = 1 - p1 - 2s + p2 - 3s - p1 - 3s + p2 - 4s +O(p - 1) = 1 - p1 - 2s + p2 - 3s +O(p - 1) i (1 - p1 - s)(1 - p2 - 3s) 1 - p1 - 2s \frakF (p) = 1 +O(p - 1). Перемножаючи по p, отримуємо \infty \sum n=1 f(e)(n)n - s = \prod p \frakF (p) = \zeta (s - 1)\zeta (3s - 2) \zeta (2s - 1) G(s), де G(s) збiгається абсолютно при \sigma > 4/5. Це означає, що f(e) = z \star g, де z(n) = \sum n1n2 2n 3 3=n n1\mu (n2)n2n 2 3 i \sum n\leq x | g(n)| \ll x4/5+\varepsilon . Згiдно з теоремою 1 [17] маємо \sum n1n3 3\leq y n1n 2 3 = y2\zeta (4)/2 +O(y \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}2/3 y), тож \sum n\leq x z(n) = \sum n2\leq x1/2 \mu (n2)n2 \biggl( \zeta (4) 2 x2 n4 2 +O \biggl( x n2 2 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}2/3 x \biggr) \biggr) = \zeta (4) 2\zeta (3) x2 +O(x \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}5/3 x). Стандартний метод згортки завершує доведення теореми 5. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 1074 А. В. ЛЕЛЕЧЕНКО 4. Значення \bfittau \infty та \bfittau (\bfite )\infty . Зазначимо, що \tau \infty (p) = \tau \infty (p2) = \tau \infty (p4) = 2, \tau \infty (p3) = = \tau \infty (p5) = 4 i взагалi \tau \infty (pa) = 2u(a), (10) де u(a) дорiвнює числу одиниць у двiйковому записi a. Таким чином, \tau \infty (pa) \leq a+1 i \tau \infty (n) \ll \ll n\varepsilon . Теорема 6. Для суматорної функцiї вiд \tau \infty маємо\sum n\leq x \tau \infty (n) = (D1 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x+D2)x+ E(x), де D1, D2 — обчислюванi константи. У безумовному випадку E(x) \ll x1/2 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}( - A \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}3/5 x \mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} - 1/5 x), A > 0, а за умови чинностi гiпотези Рiмана E(x) \ll x5/11+\varepsilon . Доведення. Перетворимо ряд Дiрiхле для \tau \infty на добуток дзета-функцiй: \infty \sum n=1 \tau \infty (n)n - s = \prod p \infty \sum a=0 \tau \infty (pa)p - as = \prod p \bigl( 1 + 2p - s + 2p - 2s + 4p - 3s +O(p\varepsilon - 4s) \bigr) = = \prod p \bigl( 1 +O(p\varepsilon - 4s) \bigr) (1 - p - 2s) (1 - p - s)2(1 - p - 3s)2 = \zeta 2(s)\zeta 2(3s) \zeta (2s) G(s), де ряд G(s) збiгається абсолютно при \sigma > 1/4. З теореми 6.8 [11] разом з оцiнкою \theta 2 < 131/416 + \varepsilon з [6] випливає\sum n\leq x \tau (1, 1, 3, 3;n) = (C1 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x+ C2) + (C3 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x+ C4)x 1/3 +O(x547/1664+\varepsilon ). Твердження теореми тепер можна отримати як наслiдок теореми Iвiча з [8] (теорема 2). На жаль, член (C3 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x+ C4)x 1/3 буде поглинений залишковим членом. Теорему 6 доведено. Теорема 7. Для квадрата \tau \infty виконується оцiнка\sum n\leq x \bigl( \tau \infty (n) \bigr) 2 = P3(\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x)x+O(x1/2 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}9 x), (11) де P3 — полiном, \mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{g}P3 = 3. Доведення. Маємо \bigl( \tau \infty (p) \bigr) 2 = \bigl( \tau \infty (p2) \bigr) 2 = 4, тому F (s) := \infty \sum n=1 \bigl( \tau \infty (n) \bigr) 2 n - s = \zeta 4(s) \zeta 6(2s) H(s), де ряд H(s) абсолютно збiгається при \sigma > 1/3. Згiдно з формулою Перрона при c := 1 + 1/ \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x, \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} T \asymp \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНI ТА IНФIНIТАРНI ДIЛЬНИКИ 1075 \sum n\leq x \bigl( \tau \infty (n) \bigr) 2 = 1 2\pi i c+iT\int c - iT F (s)xss - 1ds+O(x1+\varepsilon T - 1). Зрушуючи контур до [1/2 - iT, 1/2 + iT ], отримуємо\sum n\leq x \bigl( \tau \infty (n) \bigr) 2 = \mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s} s=1 F (s) xs s - 1 +O(I0 + I - + I+ + x1+\varepsilon T - 1), де I0 := 1/2+iT\int 1/2 - iT F (s)xss - 1ds, I\pm := c\pm iT\int 1/2\pm iT F (s)xss - 1ds. Функцiя F (s)xss - 1 має полюс четвертого порядку в s = 1, отже, \mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}s=1 F (s)xss - 1 має ви- гляд P3(\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g} x)x. Оцiнимо залишковий член. Виберемо T = x3/4. По-перше, I+ \ll T - 1 c\int 1/2 \zeta 4(\sigma + iT ) \zeta 6(2\sigma + 2iT ) x\sigma d\sigma . Використовуючи класичнi оцiнки \zeta (\sigma + iT ) \ll T (1 - \sigma )/3 для \sigma \in [1/2, 1) та \zeta (\sigma + iT ) \ll T \varepsilon для s \not = \sigma \geq 1, отримуємо I+ \ll x1/4+\varepsilon . Те саме має мiсце i для I - . По-друге, враховуючи оцiнки \zeta - 1(1+ it) \ll \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}2/3 t та \int T 1 \zeta (1/2+ it)2t - 1dt \ll \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}5 T (див. [9] або [21]), маємо I0 \ll x1/2 T\int 1 \zeta 4(1/2 + it) \zeta 6(1 + 2it) dt t \ll x1/2 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}9 T. (12) Теорему 7 доведено. Нещодавно Джiа й Санкаранараянан [10] довели, що T\int 1 \zeta 4(1/2 + it) \zeta k(1 + 2it) dt \ll T \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}4 T. Отже, пiдсумовуючи iнтеграли за iнтервалами [2n, 2n+1] для n = 0, . . . , \lfloor \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}2 T \rfloor , одержуємо T\int 1 \zeta 4(1/2 + it) \zeta k(1 + 2it) dt t \ll \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}5 T. Таким чином, замiсть (12) отримуємо I0 \ll x1/2 \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}5 x, що дає кращу оцiнку залишкового члена в (11). Функцiя E\tau \infty має ряд Дiрiхле \zeta (s)\zeta (2s)\zeta - 1(4s)H(s), де H(s) збiгається абсолютно за умови \sigma > 1/5. Функцiя E\tau \infty дуже схожа на функцiю t(e), що вивчалася Тотом [23] та Петер- ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 1076 А. В. ЛЕЛЕЧЕНКО манном [16]. Останнiй отримав залишковий член O(x1/4) в асимптотичнiй оцiнцi \sum n\leq x t(e); такий же результат має мiсце i для E\tau \infty . Ряд Дiрiхле для \bigl( E\tau \infty (n) \bigr) 2 дуже схожий на ряд для \bigl( \tau (e)(n) \bigr) 2 : обидва вони дорiвню- ють \zeta (s)\zeta 3(2s)H(s), де H(s) збiгається абсолютно при \sigma > 1/3. Кретцель [13] довiв, що асимптотичний розклад \sum n\leq x \bigl( \tau (e)(n) \bigr) 2 має залишковий член O(x10/31); те ж саме викону- ється i для \bigl( E\tau \infty (n) \bigr) 2 . 5. Е-\infty -досконалi числа. Нехай \sigma (e)\infty — функцiя суми е-\infty -дiльникiв, означення яких було наведене в пунктi 1. Будемо казати, що число n є е-\infty -досконалим, якщо \sigma (e)\infty (n) = 2n. Оскiльки \sigma (e)\infty (n)/n залежить лише вiд квадратноповної частини n, далi розглядатимемо лише квадратноповнi n. Наступнi числа є е-\infty -досконалими: 36, 2700, 1800, 4769 856, 357 739 200, 238 492 800, 54 531 590 400, 1307 484 087 615 221 689 700 651 798 824 550 400 000. Всi вони є також е-досконалими, тобто \sigma (e)(n) = 2n. Нам невiдомо, чи iснують е-\infty -досконалi, але не е-досконалi числа. Рiвняння (10) приводить до того, що \tau \infty (n) є парним для n \not = 1. Тому при p > 2 та a > 1 значення \sigma (e)\infty (pa) є сумою парної кiлькостi непарних доданкiв i тому є парним числом. Таким чином, якщо n непарне i \sigma (e)\infty (n) = 2n, то n = pa, p > 2. Але, мабуть, \sigma (e)\infty (pa) \leq \sigma (pa) < < 2pa. Як висновок, всi е-\infty -досконалi числа є парними. Чи iснують е-\infty -досконалi числа, якi не дiляться на 3? Для е-досконалих чисел Фабриков- ськi й Суббарао [4] отримали, що якщо \sigma (e)(n) = 2n та 3 \nmid n, то n > 10664. Ми покажемо, що у випадку е-\infty -досконалих чисел можна отримати навiть кращу оцiнку. Лема 1. Мають мiсце такi явнi верхнi оцiнки функцiї \sigma (e)\infty : \sigma (e)\infty (pa) pa \leq 1 + 2p - a/2 для a \geq 6, (13) \sigma (e)\infty (pa) pa \leq 1 + p - 2 для a \geq 3. (14) Доведення. Для a \geq 6 усi невласнi дiльники a меншi або дорiвнюють a/2, тому \sigma (e)\infty (pa) \leq pa + a/2\sum b=1 pb \leq pa + p(pa/2 - 1)/(p - 1) \leq pa + 2pa/2. Звiдси випливає (13). Нерiвнiсть (14) можна безпосередньо перевiрити для a = 3, 4, 5, i вона є наслiдком (13) при a \geq 6. Лема 2. Нехай b(t) := \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\tau \geq t \sigma (e)\infty (2\tau )2 - \tau — допомiжна функцiя. Тодi b(t) \leq \left\{ 3/2, t \leq 2, 5/4, t = 3, 39/32, 3 < t \leq 6, 1 + 21 - t/2, t > 6. (15) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНI ТА IНФIНIТАРНI ДIЛЬНИКИ 1077 Доведення випливає з (13) та безпосереднiх обчислень: \sigma (e)\infty (23) = 10, \sigma (e)\infty (26) = 78. Теорема 8. Якщо n є е-\infty -досконалим i 3 \nmid n, то n > 1,35 \cdot 10816. Доведення. Насправдi ми встановимо нижню оцiнку таких квадратноповних n, що для u/v = \sigma (e)\infty (n)/n, \mathrm{g}\mathrm{c}\mathrm{d}(u, v) = 1, маємо 3 \nmid u, 3 \nmid v, (16) 2 | u, 4 \nmid u, 2 \nmid v, (17) u/v \geq 2. (18) Якщо цi умови не виконуються, то n або не є е-\infty -досконалим, або 3 | n. Нехай n = 2t \prod p\in P p2 \prod q\in Q qaq , t \geq 1, aq \geq 3, де множини P та Q складаються з простих чисел, якi бiльшi або дорiвнюють 5, i P \cap Q = \varnothing . Тодi u v = \sigma (e)\infty (n) n = \sigma (e)\infty (2t) 2t \prod p\in P p+ 1 p \prod q\in Q \sigma (e)\infty (qaq) qaq . З (16) випливає, що всi p \in P мають вигляд p = 6k + 1. Розiб’ємо P на три множини: P8 = \{ p \in P | p+1 \equiv 0 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} 8)\} , P4 = \{ p \in P | p+1 \equiv 4 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} 8)\} , P2 = P \setminus P4 \setminus P8. Позначимо t2 = | P2| , t4 = | P4| , t8 = | P8| . Тодi умова (17) приводить до того, що t \geq \geq t2 + 2t4 + 3t8 + | Q| + 1. Тепер використаємо (18), щоб отримати 2 \leq u v \leq b(t2 + 2t4 + 3t8 + | Q| + 1) \prod p\in P (1 + p - 1) \prod p\in Q (1 + q - 2) = = b(t2 + 2t4 + 3t8 + | Q| + 1) \prod p\in P 1 + p - 1 1 + p - 2 \prod q\in P\cup Q (1 + q - 2). Але \prod q\in P\cup Q (1 + q - 2) \leq \prod q(1 + q - 2) (1 + 2 - 2)(1 + 3 - 2) = \zeta (2)/\zeta (4) 25/18 = 54 5\pi 2 , (19) отже, маємо 10\pi 2 54 \leq b(t2 + 2t4 + 3t8 + 1) \prod p\in P 1 + p - 1 1 + p - 2 . Позначимо f(p) = (1 + p - 1)/(1 + p - 2). Оскiльки f є спадною, то оцiнимо \prod p\in P f(p) = \prod j\in \{ 2,4,8\} p\in Pj f(p) \leq t2\prod k=1 f(p2,k) t4\prod k=1 f(p4,k) t8\prod k=1 f(p8,k), де p2 — послiдовнiсть таких послiдовних простих чисел, що p2,k \equiv 1 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} 6) i p2,k + 1 \not \equiv 0 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} 4); p4 — послiдовнiсть таких послiдовних простих чисел, що p4,k \equiv 1 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} 6), але p4,k + 1 \equiv 4 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} 8), i, нарештi, p8 є такою, що p8,k \equiv 1 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} 6), p8,k + 1 \equiv 0 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} 8). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 1078 А. В. ЛЕЛЕЧЕНКО Тепер умови (16) – (18) можна записати у виглядi n \geq \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n} t2,t4,t8 \left\{ 2t2+2t4+3t8+1 \prod j\in \{ 2,4,8\} tj\prod k=1 p2j,k \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| 10\pi 2 54 \leq b(t2 + 2t4 + 3t8 + 1) \prod j\in \{ 2,4,8\} tj\prod k=1 1 + p - 1 j,k 1 + p - 2 j,k \right\} . Ця екстремальна задача може бути розв’язана чисельно з використанням (15): t2 = 70, t4 = 32, t8 = 31, n > 8,49 \cdot 10801. Ми можемо використати множники n, що знаходяться у \prod q\in Q qaq , щоб додатково покра- щити отриману оцiнку. Припустимо, що хоча б одне з простих 5, 11, 17, 23 (всi вигляду 6k - 1) не входить в Q. Тодi замiсть (19) отримаємо\prod q\in P\cup Q (1 + q - 2) \leq 54 5\pi 2(1 + 23 - 2) . Iз вищевказаних аргументiв також випливає, що у цьому випадку n > 3 \cdot 10823. З iншого боку, якщо 5, 11, 17 та 23 одночасно мiстяться в Q, то маємо n > (8,49 \cdot 10801) \cdot (5 \cdot 11 \cdot 17 \cdot 23)3 \cdot 24 > > 1,35 \cdot 10816. Теорему 8 доведено. Лiтература 1. Cohen G. L. On an integer’s infinitary divisors // Math. Comput. – 1990. – 54, № 189. – P. 395 – 411. 2. Cohen G. L., Hagis Jr. P. Arithmetic functions associated with the infinitary divisors of an integer // Int. J. Math. and Math. Sci. – 1993. – 16, № 2. – P. 373 – 383. 3. Dusart P. Inegalites explicites pour \psi (X), \theta (X), \pi (X) et les nombres premiers // C. R. Math. Acad. Sci., Soc. Roy. Can. – 1999. – 21, № 2. – P. 53 – 59. 4. Fabrykowski J., Subbarao M. V. On e-perfect numbers not divisible by 3 // Nieuw arch. wisk. – 1986. – 4. – P. 165 – 173. 5. Hardy G. H., Wright E. M. An introduction to the theory of numbers. – New York: Oxford Univ. Press, 2008. – xxi+635 p. 6. Huxley M. N. Exponential sums and the Riemann zeta function V // Proc. London Math. Soc. – 2005. – 90, № 1. – P. 1 – 41. 7. Ivić A. Two inequalities for the sum of divisors functions // Zb. Rad., Prir.-Mat. Fak., Univ. Novom Sadu. – 1977. – 7. – P. 17 – 22. 8. Ivić A. A convolution theorem with applications to some divisor functions // Publ. Inst. Math. Nouv. Ser. – 1978. – 24, № 38. – P. 67 – 78. 9. Ivić A. The Riemann zeta-function: theory and applications. – Mineola; New York: Dover Publ., 2003. – 562 p. 10. Jia C., Sankaranarayanan A. The mean square of divisor function. – 2014. – URL: http://arxiv.org/pdf/1311.4041v2. 11. Krätzel E. Lattice points. – Dordrecht: Kluwer, 1988. – 436 p. 12. Krätzel E. Estimates in the general divisor problem // Abh. Math. Semin. Univ. Hamburg. – 1992. – 62, № 1. – P. 191 – 206. 13. Krätzel E. New estimates in the four-dimensional divisor problem with applications // Acta Math. hung. – 2010. – 126, № 3. – P. 258 – 278. 14. Kühleitner M., Nowak W. G. An omega theorem for a class of arithmetic functions // Math. Nachr. – 1994. – 165, № 1. – P. 79 – 98. 15. Minculete N., Tóth L. Exponential unitary divisors // Ann. Univ. sci. budapest. Sec. comput. – 2011. – 35. – P. 205 – 216. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8 ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНI ТА IНФIНIТАРНI ДIЛЬНИКИ 1079 16. Pétermann Y.-F. S. Arithmetical functions involving exponential divisors: Note on two papers by L. Tóth // Ann. Univ. sci. budapest. Sec. comput. – 2010. – 32. – P. 143 – 149. 17. Pétermann Y.-F. S., Wu J. On the sum of exponential divisors of an integer // Acta Math. hung. – 1997. – 77, № 1-2. – P. 159 – 175. 18. Subbarao M. V. On some arithmetic convolutions // Theory of Arithmetical Functions: Proc. Conf. Western Mich. Univ., April 29 – May 1, 1971. – Berlin: Springer-Verlag, 1972. – P. 247 – 271. 19. Suryanarayana D., Sita Rama Chandra Rao R. On the true maximum order of a class of arithmetic functions // Math. J. Okayama Univ. – 1975. – 17. – P. 95 – 101. 20. The on-line encyclopedia of integer sequences / Ed. by N. J. A. Sloane. – URL: http://oeis.org. 21. Titchmarsh E. C. The theory of the Riemann zeta-function. – New York: Oxford Univ. Press, 1986. – 418 p. 22. Tóth L. On certain arithmetic functions involving exponential divisors // Ann. Univ. sci. budapest. Sec. comput. – 2004. – 24. – P. 285 – 294. 23. Tóth L. On certain arithmetic functions involving exponential divisors II // Ann. Univ. sci. budapest. Sec. comput. – 2007. – 27. – P. 155 – 166. 24. Tóth L. An order result for the exponential divisor function // Publ. Math. Debrecen. – 2007. – 71, № 1-2. – P. 165 – 171. 25. Wu J. Probleme de diviseurs exponentiels et entiers exponentiellement sans facteur carre // J. Theor. Nombres Bordx. – 1995. – 7, № 1. – P. 133 – 141. Одержано 14.06.14, пiсля доопрацювання — 04.12.15 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 8
id umjimathkievua-article-1902
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-03-24T02:14:55Z
publishDate 2016
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/8f/68f9769d39b149cada75afb67746138f.pdf
spelling umjimathkievua-article-19022019-12-05T09:31:14Z Exponential and infinitary divisors Експоненціальні та інфінітарні дільники Lelechenko, A. V. Лелеченко, А. В. We study several problems in the field of modified divisors; more precisely, from the theory of exponential and infinitary divisors.We analyze the behavior of modified divisors, sum-of-divisors, and totient functions. Our main results are connected with the asymptotic behavior of mean values and explicit estimates of the extremal orders. Статья посвящена некоторым вопросам из области модифицированных делителей, а именно теории экспоненциальных и инфинитарных делителей. Изучается поведение аналогов функции делителей, функции суммы делителей и функции Эйлера. Получены новые асимптотические оценки этих функций в среднем и явные оценки их экстремальных значений. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2016-08-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1902 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 68 No. 8 (2016); 1068-1079 Український математичний журнал; Том 68 № 8 (2016); 1068-1079 1027-3190 uk https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1902/884 Copyright (c) 2016 Lelechenko A. V.
spellingShingle Lelechenko, A. V.
Лелеченко, А. В.
Exponential and infinitary divisors
title Exponential and infinitary divisors
title_alt Експоненціальні та інфінітарні дільники
title_full Exponential and infinitary divisors
title_fullStr Exponential and infinitary divisors
title_full_unstemmed Exponential and infinitary divisors
title_short Exponential and infinitary divisors
title_sort exponential and infinitary divisors
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1902
work_keys_str_mv AT lelechenkoav exponentialandinfinitarydivisors
AT lelečenkoav exponentialandinfinitarydivisors
AT lelechenkoav eksponencíalʹnítaínfínítarnídílʹniki
AT lelečenkoav eksponencíalʹnítaínfínítarnídílʹniki