¿Son estos ceros iguales a las partes imaginarias de los ceros de la zeta de Riemann?

Question

Edición 8.8.2013: Ver esta pregunta también.

La transformada del coseno de Fourier de una onda exponencial en forma de diente de sierra por $e^{-x/2}$ :

$$\operatorname{FourierCosineTransform}(\operatorname{SawtoothWave}(e^x)\cdot e^{-\frac{x}{2}})$$

puede trazarse con el siguiente programa de Mathematica 8:

scale = 1000000;
xres = .00001;
x = Exp[Range[0, Log[scale], xres]];
a = FourierDCT[SawtoothWave[x]*x^(-1/2)];
c = 62.357
d = N[Im[ZetaZero[1]]]
datapointsdisplayed = 300;
ymin = -10;
ymax = 10;
p = 0.013;
g1 = ListLinePlot[a[[1 ;; datapointsdisplayed]], 
   PlotRange -> {ymin, ymax}, 
   DataRange -> {0, N[Im[ZetaZero[1]]]/c*datapointsdisplayed}];
g2 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[1]]], 0}]}];
g3 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[2]]], 0}]}];
g4 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[3]]], 0}]}];
g5 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[4]]], 0}]}];
g6 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[5]]], 0}]}];
g7 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[6]]], 0}]}];
g8 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[7]]], 0}]}];
g9 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[8]]], 0}]}];
g10 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[9]]], 0}]}];
Show[g1, g2, g3, g4, g5, g6, g7, g8, g9, g10, ImageSize -> Large]
N[Im[ZetaZero[Range[15]]]]

que da salida:

Figura 1.

Donde los puntos negros son iguales a las partes imaginarias de los ceros de la zeta de Riemann.

¿La curva azul cruza el eje x en valores iguales a las partes imaginarias de los ceros de la zeta de Riemann?

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Edición 21.2.2012: Tomando la transformada del seno de Fourier del resultado de la figura 1:

(*Mathematica 8*)
Clear[x]
scale = 1000000;
xres = .00001;
x = Exp[Range[0, Log[scale], xres]];
a = FourierDST[FourierDCT[SawtoothWave[x]*x^(-1/2)]];
(*b=Length[a]*)
c = 1410000
datapointsdisplayed = scale;
ymin = -0.5;
ymax = 1.5;
p = 0.011;
g1 = ListLinePlot[a[[1 ;; datapointsdisplayed]], 
   PlotRange -> {ymin, ymax}, 
   DataRange -> {0, N[Im[ZetaZero[1]]]/c*datapointsdisplayed}];
g2 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[2]], 0}]}];
g3 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[3]], 0}]}];
g4 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[4]], 0}]}];
g5 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[5]], 0}]}];
g6 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[6]], 0}]}];
g7 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[7]], 0}]}];
g8 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[8]], 0}]}];
g9 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[9]], 0}]}];
g10 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[10]], 0}]}];
g11 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Log[11]], 0}]}];
Show[g1, g2, g3, g4, g5, g6, g7, g8, g9, g10, g11, ImageSize -> Large]
N[Log[Range[11]]]

obtenemos como sugiere draks un espectro con logaritmos como frecuencias:

Figura 2.

donde los puntos negros están en valores x de $\log(n)$ , $n=(1),2,3...$

Tratando de imitar esta imagen con deltas discretos:

(*Mathematica 8*)
Clear[x, xx]
scale = 1000000;
xres = .00001;
x = Exp[Range[0, Log[scale], xres]];
xx = Flatten[{0, Differences[Floor[Exp[Range[0, Log[scale], xres]]]]}];
ListLinePlot[xx*x^(-1/2), PlotRange -> {-0.1, 0.8}, 
 ImageSize -> Large]

que tenemos:

Figura 3.

---

Edición 22.2.2012: Ajuste de la resolución y la escala en la transformada sinusoidal de Fourier inversa

(*Mathematica 8*)
Clear[x, xx]
scale = 1000;
xres = .000001;
x = Exp[Range[0, Log[scale], xres]];
xx = Flatten[{0, Differences[Floor[Exp[Range[0, Log[scale], xres]]]]}];
a = FourierDST[xx*x^(-1/2), 3];
(*b=Length[a]*)
c = 31.2
vdatapointsdisplayed = 150;
ymin = -1/400;
ymax = 1/400;
p = 0.013;
g1 = ListLinePlot[a[[1 ;; datapointsdisplayed]], 
   PlotRange -> {ymin, ymax}, 
   DataRange -> {0, N[Im[ZetaZero[1]]]/c*datapointsdisplayed}];
g2 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[1]]], 0}]}];
g3 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[2]]], 0}]}];
g4 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[3]]], 0}]}];
g5 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[4]]], 0}]}];
g6 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[5]]], 0}]}];
g7 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[6]]], 0}]}];
g8 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[7]]], 0}]}];
g9 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[8]]], 0}]}];
g10 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[9]]], 0}]}];
g11 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[10]]], 0}]}];
Show[g1, g2, g3, g4, g5, g6, g7, g8, g9, g10, g11, ImageSize -> Large]
N[Im[ZetaZero[Range[15]]]]

nos encontramos con que:

Figura 4.

donde los puntos negros están en valores de x iguales a las partes imaginarias de los ceros de la zeta de Riemann.

Intentando imitar esta vez el gráfico de la Figura 4 podemos probar una serie de Fourier logarítmica con raíces cuadradas como múltiplos divisores, basándonos en el espectro de la Figura 2.

$$ \frac{\sin(\log(1) x)}{\sqrt 1} + \frac{\sin(\log(2) x)}{\sqrt 2} + \frac{\sin(\log(3) x)}{\sqrt 3} + ... + \frac{\sin(\log(n) x)}{\sqrt n}$$

Que como programa de Mathematica es:

Clear[c, p, u]
c = 4.885;
p = 0.013;
u = N[22 Pi]
Monitor[g1 = 
   ListLinePlot[
    Table[Total[Table[Sin[Log[i]*x]/i^(1/2), {i, 1, 80}]], {x, 0, u, 
      0.01}], DataRange -> {0, N[Im[ZetaZero[1]]]*c}];, x]
g2 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[1]]], 0}]}];
g3 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[2]]], 0}]}];
g4 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[3]]], 0}]}];
g5 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[4]]], 0}]}];
g6 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[5]]], 0}]}];
g7 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[6]]], 0}]}];
g8 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[7]]], 0}]}];
g9 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[8]]], 0}]}];
g10 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[9]]], 0}]}];
g11 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[10]]], 0}]}];
g12 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[11]]], 0}]}];
g13 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[12]]], 0}]}];
g14 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[13]]], 0}]}];
g15 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[14]]], 0}]}];
g16 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[15]]], 0}]}];
g17 = Graphics[{PointSize[p], Point[{N[Im[ZetaZero[16]]], 0}]}];
Show[g1, g2, g3, g4, g5, g6, g7, g8, g9, g10, g11, g12, g13, g14, \
g15, g16, g17, ImageSize -> Large]

Esto da la trama:

Figura 5.

Donde de nuevo los puntos negros están en valores x iguales a las partes imaginarias de los ceros de la zeta de Riemann.

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Editar 19 03 2015: Ondas de sierra con sobres.

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Edición 17 01 2013:

$$-\text{FourierDCT}\left[\log (x) \text{FourierDST}\left[\frac{1}{\sqrt{x}} (\text{SawtoothWave}[x]-1)\right]\right];$$

scale = 1000000;
xres = .00001;
x = Exp[Range[0, Log[scale], xres]];
a = -FourierDCT[Log[x]*FourierDST[(SawtoothWave[x] - 1)*(x)^(-1/2)]];
c = 62.357
d = N[Im[ZetaZero[1]]]
datapointsdisplayed = 500000;
ymin = -0.5;
ymax = 2;
p = 0.013;
g1 = ListLinePlot[a[[1 ;; datapointsdisplayed]], 
   PlotRange -> {ymin, ymax}, 
   DataRange -> {0, N[Im[ZetaZero[1]]]/c*datapointsdisplayed}];
Show[g1, ImageSize -> Large]

Edición 7.7.2014:

Función zeta de Riemann a partir de la transformada rápida de Fourier de la onda exponencial de diente de sierra en Mathematica 8.0:

scale = 1000000;
xres = .00001;
x = Exp[Range[0, Log[scale], xres]];
RealPart = -Log[x]*FourierDST[(SawtoothWave[x] - 1)*x^(-1/2)];
ImaginaryPart = -Log[x]*FourierDCT[(SawtoothWave[x] + 0)*x^(-1/2)];
datapointsdisplayed = 300;
ymin = -0.012;
ymax = 0.018;
g1 = ListLinePlot[{RealPart[[1 ;; datapointsdisplayed]], 
      ImaginaryPart[[1 ;; datapointsdisplayed]]}/xres/300, 
   DataRange -> {0, 68.00226987379779}, Filling -> Axis];
Show[Flatten[{g1, 
   Table[Graphics[{PointSize[0.013], 
      Point[{N[Im[ZetaZero[n]]], 0}]}], {n, 1, 16}]}], 
 ImageSize -> Large]

Answer 1

La respuesta es casi, pero no del todo . El por qué están tan cerca se aclarará momentáneamente.

Comenzamos por parcialmente evaluando (la mitad) de lo habitual Fourier transformar hasta $\log N$ :

$$F_N(\omega)=\int_0^{\log N} \big(e^x-\lfloor e^x\rfloor\big) e^{-x/2} e^{ix \omega}dx \tag{A}$$

$$=\int_1^N\big(u-\lfloor u\rfloor\big)u^{-1/2}u^{i\omega}\frac{du}{u} \tag{B}$$

$$=\sum_{n=1}^{N-1}\int_0^1 t(n+t)^{s-2}dt \tag{X}$$

$$=\frac{1}{s-1}\sum_{n=1}^{N-1} \left(\frac{n^s-(n+1)^s}{s}+(n+1)^{s-1}\right)\tag{Y}$$

$$=\frac{1}{s-1}\left(\frac{1-N^s}{s}+H_{N,1-s}-1\right).\tag{Z}$$

Arriba escribimos $H_{n,r}$ para el número armónico generalizado y $s=\frac{1}{2}+i\omega$ Nota $1-s=\bar{s}$ . El siempre útil Fórmula de Euler-Maclaurin proporciona la forma asintótica

$$H_{N,v}=\frac{N^{1-v}}{1-v}+\zeta(v)+\mathcal{O}\left(N^{-1/2}\right) \tag{C}$$

Ver Evaluación numérica de la función Zeta de Riemann (la primera ecuación). Véase también el trabajo realizado en respuestas a esta pregunta de Math.SE .

Enchufando $(6)$ en $(5)$ en $F_N(\omega)+F_N(-\omega)$ obtenemos

$$\frac{1}{s-1}\left(\frac{1}{s}+\zeta(1-s)-1\right)+\frac{1}{-s}\left(\frac{1}{1-s}+\zeta(s)-1\right)+\mathcal{O}\left(N^{-1/2}\right). \tag{D}$$

Utilizando las fórmulas $\overline{\alpha\beta}=\overline{\alpha}\overline{\beta\,}$ , $1-s=\overline{s}$ , $z+\overline{z}=2\mathrm{Re}(z)$ , $w\overline{w}=|w|^2$ y la fórmula de la transformada del coseno como límite de las transformadas parciales de Fourier, $\displaystyle C(\omega)=\lim_{N\to\infty}\frac{F_N(\omega)+F_N(-\omega)}{\sqrt{2\pi}}$ obtenemos

$$C(\omega)=-\sqrt{\frac{2}{\pi}}\left[\frac{1}{|s|^2}+\operatorname{Re}\left(\frac{\zeta(s)-1}{s}\right)\right], \tag{L}$$

y un cálculo similar muestra que la transformada sinusoidal de Fourier es (como se indica en los comentarios)

$$S(\omega)=\sqrt{\frac{2}{\pi}}\mathrm{Im}\left(\frac{\zeta(s)-1}{s}\right). \tag{R}$$

Es evidente que al introducir las raíces no triviales $s$ de $\zeta(s)$ en $(L)$ y $(R)$ arrojará valores bastante pequeños, casi inversamente proporcionales al módulo de $s$ . Esto explica la coincidencia numérica.