Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

Mathematics 5

Analytic Number Theory

Assignment 3

2022/23

Please hand in by 12 noon on Friday, 18 November.

The Prime Number Theorem for Primes in Arithmetic Progression

For two integers a and q with gcd(a, q) = 1, consider the arithmetic progression APa,q  = {a + mq : m ∈ 勿}. The goal of this assignment is to show that

1     x  

φ(q) log x

 

counts the number of primes p Aa,q  which are no greater than x. Here φ is the Euler totient function.

We adapt D. Newmans proof of the PNT which is given in lecture. Also you may appeal to Workshop problems without reproducing the proofs. To accomplish this, we introduce the following functions: set

χ(p) log p

pz p

where χ is a Dirichlet character mod q .   Finally we set Φq,a (z)  = χ χ(a)ψ(z; χ).

In this assignment, any sum     pB  or product    pB  denotes a sum or product over all primes p B .  If no B is explicit, then the sum or product is taken over all primes. Also any sum     χ  denotes a sum over all Dirichlet characters mod q .

1.  Let b denote any integer such that ba = 1 mod q . Show that

χ(a)χ(p)  =       χ(bp)  =  φ(q) ✶(p)

χ                                      χ

where ✶ is the indicator function of APa,q  and hence deduce that

(p) log p

pz         .

Hint: See Workshop Sheet 3.

2.  Show that

Φq,a (z)  _  

2

can be analytically continued to some open set Y Split the sum defining Φq,a (z) = χ (a)ψ(z; χ ) + Workshop Sheet 4.

containing  {Re z  > 1}.  Hint:

χχ6  χ(a)ψ(z; χ) and review

3.   Show that if θq (x) ~ x, then (1) holds by completing the following steps.  Fix any 0 < e < 1.

a. Show that φ(q)(1 _ e)[π(x; q) _ π(x1 –e ; q)] log x < θq (x) < φ(q)[π(x; q)] log x.

b. Show that (1 _ e)π(x1 –e ; q) log x < (1 _ e)x1 –e log x and hence deduce θq (x)  <  φ(q)π(x; q) log x  <  θq (x) + φ(q)x log x.

c. Show that if θq (x) ~ x, then for any b1  < 1 < b2 ,

φ(q) log x

x

holds for large x. Hence show that π(x; q) ~ x/[φ(q) log x].

4.   Show that if the limit

R  θq (x) _ x

R玄女    1             x2

5.   Let F (z) :=    f(t)e zt dt where f(t) = θq (e )et t _ 1 and suppose that F has an analytic continuation to some open set Y which contains {z : Re z > 0}.  Show

that the limit

R  θq (x) _ x

R玄女    1             x2

Hint: You may use a theorem from lecture as long as you verify the hypotheses of the theorem.

6.   Show that for Re z > 1,

φ(q)        (p) log p  =  z     θq (u) du  =  z     f(t)e t4z – 1| dt  +    z   

p

where f(t) = θq (et )e t _ 1. Hence show that

F (z)  =    _    =   Φq,a (z + 1) _ ]  _

when Re z > 0. Here F is defined in Exercise 5. Hint: see Exercise 1.

7.   Let F be as in Exercise 5. Show that F can be analytically continued to some open set Y containing {Re z > 0}.

8. Put everything together and deduce that (1) holds.