Liouville函数与非线性指数和振荡问题

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在解析数论中,研究等分布理论,L-函数的零点分布等问题,自然会涉及到非线性指数函数的振荡问题.我们通常考虑一般的非线性指数和,其形如S(X,α)=∑n~Xane(αnβ),0≠α∈R,0≤β≤1.  这里,n~X表示X≤n≤2X,且e(z)=e2πiz.当β=1/2,Vinogradov[12]研究了关于vonMangoldt函数an=Λ(n)的非线性指数和S(X,α)的振荡问题.对于an=Λ(n)和an=μ(n)(μ为莫比乌斯函数)的情形已经被Iwaniec,Luo和Sarnak[3]所研究,他们发现这些指数和与GL2上的L-函数密切相关,假设f是上半平面权为偶数的全纯尖形式,他们也证明了S(X,α)的一个更好的上界,这意味着对于L(s,f)[3]的拟黎曼猜想成立.Ren和Ye[7]研究了当β是变量,an是自同构形式的傅里叶系数的情形,并得到以下结论:  令0<β<1,0≠α≠R.  (i)对于β≠1/2和所有α≠0,我们有∑X<n≤2Xλf(n)e(αnβ)<<|2β-1|-1/2(|α|βXβ)1+ε+X1/2+ε(|α|βXβ)-1/4.  (ii)对于|α|≤1或者|α|≥X1/2,我们有∑X<n≤2Xλf(n)e(α√n)<<(|α|√X)1/2+ε+X1/2+ε(|α|√X)-1/4.  (iii)对于1<|α|<X1/2,如果存在一个正整数q满足||α|-2√q|<X-1/2(q是唯一的),那么∑X<n≤2Xλf(n)e(α√n)=(c)0λf(q)q-1/4X3/4+O((|α|√X)1/2+ε+X1/2(|α|√X)-1/4),其中,(c)0=-sgn(α)c0∫√21t1/2+φ(t2)e(sgn(α)(|α|X-1/2-2√n0X)t)dt.  如果不存在这样一个q,那么上式在没有前导项的情况下成立.  (iv)具体来说,如果α=±2√q,其中,q是大于等于1小于X/4的整数,那么上式变成∑X<n≤2Xλf(n)e(±2√qn)=(c)0λf(q)q-1/4X3/4+O((qX)1/4+ε+X3/8+εq-1/8),其中,(c)0可以写成(c)0=±(-1)k+12/3(23/4-1)(1+i).  对于素数阶pk,Liouville函数λ(n)=∑d2/nμ(n/d2),λ(pk)=(-1)k.在本文中,我们考虑非线性指数和S(X,α)=∑n~Xλ(n)e(αnβ).(1.1)  Murty和Sankaranarayanan[4]指出猜想,对于θ<1,∑n≤Xλ(n)=O(Xθ).  它包含了拟黎曼猜想.黎曼猜想跟上述估计对于θ>1/2成立是等价的.Iwaniec,Luo和Sarnak[3]还考虑了非线性指数和Sq(X)=∑nane(-2q1/2nβ)φ(n/X),  其中,对于任意ε>0,有an<<nε,这里的φ在R+上是紧的稳定的光滑函数.在一定条件下,Iwaniec,Luo和Sarnak[3]建立Sq(X)<<q1/4X3/4+ε.(1.2)  对于β=1/2,Sun[9]无条件的建立了S(X,α)=∑n~Xλ(n)e(αnβ)的一个上界.在Sankaranarayanan[8]中,Sankaranarayanan给出了一个上界并且得到∑n~Xλ(n)e(αn1/2)<<X3/4(logX)7/2(1+|α|)1/2+X1/2(logX)7/2(1+1/|α|)1/2+X1/2+ε(|α|+/1|α|).(1.3)  本文的主要目的是考虑β是变量的情况,并推广Sankaranarayanan[8]和Sun[9]中的结果.本文的主要结果是以下两个定理.  定理1.1.令λ(n)是Liouville函数.对于任意0≠α∈R和0<β≤1,对于任意ε>0,我们有∑n~Xλ(n)e(αnβ)<<β5/2X1+β/2log7/2X√1+|α|β+Xβ+ε(|α|β+1/|α|β)+β5/2√Xlog7/2X(1+1/|α|β)1/2+|α|1/2β3/2X1-β/2log3X+β/|α|X1-βlog4X+βX-1βlog3X,  其中包含的常数只依赖于ε.  注1.为了证明定理1.1,我们将应用Sankaranarayanan[8]和Sun[9]的方法.我们主要使用的技术是Vaughan恒等式和Perron公式.由于β是变量,为了计算出β的依赖性,我们必须小心处理分母上有β的项,尤其是误差项,另外,我们必须在某些地方选择新的参数以确保该方法可行.当β=1/2时,我们的结果与Sankaranarayanan[8]一致,并且改进了Sun[9]的结果,  定理1.2.令μ(n)是莫比乌斯函数.对于任意0≠α∈R和0<β≤1,对于任意ε>0,我们有∑n~Xμ(n)e(αnβ)<<β5/2X1+β/2log7/2X√1+|α|β+Xβ+ε(|α|β+1/|α|β)+β5/2√Xlog7/2X(1+1/|α|β)1/2+|α|1/2β3/2X1-β/2log3X+β/|α|X1-βlog4X+βX-1βlog3X,(1.4)其中包含的常数只依赖于ε  注2.当β=1/2时,我们得到非线性指数和的上界估计是|α|1/2X3/4.对于任意的正整数q,我们取α=-2√q,an=λ(n)或者μ(n),这跟(1.2)式是一致的.当X的指数是1/2+ε时.该结果是迄今为止最好的结果.
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