Riemann_Lab — Cours animé n°1 · θ(t) de Riemann-Siegel Auteur : hprzeta · Mise à jour : 6 juin 2026

La fonction $\theta(t)$ de Riemann-Siegel

Définition exacte, formule de Stirling, rôle dans la détection des zéros de $\zeta$ — animé et interactif.

Ce cours est le premier de la série. Dans le cours n°3 on verra que les zéros de $\zeta$ sur la droite critique sont exactement les changements de signe de $Z(t)$. Pour construire $Z(t)$, on a besoin de $\theta(t)$ : c'est l'objet de ce cours.

1. Définition exacte de $\theta(t)$

La fonction de phase de Riemann-Siegel $\theta(t)$ est définie par :

$$\theta(t) = \text{Im}\!\left[\ln\Gamma\!\left(\tfrac{1}{4}+\tfrac{it}{2}\right)\right] - \frac{t}{2}\ln\pi$$

C'est une fonction réelle et continue pour $t>0$. Elle mesure l'angle accumulé par la fonction zêta sur la droite critique. La branche du logarithme est choisie de manière à ce que $\theta(0) = 0$.

La définition via $\Gamma$ n'est pas commode pour le calcul numérique. On utilise l'approximation asymptotique ci-dessous.

2. Formule asymptotique — Stirling

Pour $t \geq 20$, l'approximation est précise à mieux que $10^{-9}$ :

$$\theta(t) \approx \frac{t}{2}\ln\frac{t}{2\pi} - \frac{t}{2} - \frac{\pi}{8} + \frac{1}{48t} + \frac{7}{5760\,t^3} - \frac{31}{80640\,t^5}$$

Le terme dominant est $\tfrac{t}{2}\ln\tfrac{t}{2\pi} - \tfrac{t}{2}$. Les corrections $-\tfrac{\pi}{8}$ et $\tfrac{1}{48t}$ viennent du développement de Stirling de $\ln\Gamma$. Croissance asymptotique : $\theta(t) \sim \tfrac{t}{2}\ln t$ quand $t\to+\infty$ : $\theta$ croît sans borne, mais lentement.

3. Équation fonctionnelle sur la droite critique

La factorisation de Hardy-Siegel relie $\zeta$ sur la droite critique à une fonction réelle :

$$\zeta\!\left(\tfrac{1}{2}+it\right) = e^{-i\theta(t)}\,Z(t) \qquad \text{avec } Z(t) \in \mathbb{R}$$

$\zeta(\tfrac{1}{2}+it)$ est un nombre complexe : il pointe dans une direction quelconque dans $\mathbb{C}$. En multipliant par $e^{-i\theta(t)}$, on le contra-rotationne exactement de la bonne phase, et le résultat $Z(t)$ atterrit sur l'axe réel. $\theta(t)$ est la phase intrinsèque de $\zeta$ sur la droite critique.

$Z(t)$ est calculé efficacement via la formule de Riemann-Siegel :

$$Z(t) = 2\sum_{n=1}^{N}\frac{\cos\!\left(\theta(t)-t\ln n\right)}{\sqrt{n}}+R(t), \qquad N=\left\lfloor\sqrt{\tfrac{t}{2\pi}}\right\rfloor$$
Animation — déplacer $t$ pour voir $\theta(t)$, $Z(t)$ et la rotation dans $\mathbb{C}$ simultanément
t = 14.13 θ(t) = −1.73 Z(t) ≈ 0.00 |ζ(½+it)| ≈ 0.00
Valeur de $t$ 14.1
θ(t) Z(t) > 0 Z(t) < 0 γₙ (LMFDB) position courante

4. Rôle dans la détection des zéros

La factorisation donne immédiatement :

$$\zeta\!\left(\tfrac{1}{2}+it\right) = 0 \;\Longleftrightarrow\; Z(t) = 0$$

puisque $e^{-i\theta(t)}\neq 0$ pour tout $t\in\mathbb{R}$. Chercher les zéros de $\zeta$ sur la droite critique revient à chercher les racines réelles de $Z(t)$. On passe d'un problème complexe à une recherche de racines réelles classique. En pratique :

5. Connexion avec $N(T)$ — formule de Backlund

Notons $N(T)$ le nombre de zéros $\rho = \sigma + i\gamma$ avec $0 < \gamma \leq T$. La formule de Backlund (1918) :

$$N(T) = \frac{\theta(T)}{\pi} + 1 + S(T), \qquad S(T) = O(\log T)$$

En pratique $|S(T)| \leq 3$ pour tous les $T$ calculés. La formule de von Mangoldt donne l'approximation principale :

$$N(T) \approx \frac{T}{2\pi}\ln\frac{T}{2\pi e}$$

Test de Turing : si le nombre de changements de signe de $Z$ dans $[0,T]$ coïncide avec $\lfloor\tfrac{\theta(T)}{\pi}\rfloor+1$, il ne manque aucun zéro dans cet intervalle. Le projet Riemann_Lab applique ce test sur les 10 142 zéros calculés jusqu'à $T=10\,000$ — résultat : aucun manquant.

6. Valeurs aux 10 premiers zéros (LMFDB)

$n$$\gamma_n$$\theta(\gamma_n)$$\lfloor\theta(\gamma_n)/\pi\rfloor + 1$$N(\gamma_n)$
114,134 725…−1,729 rad01
221,022 039… 1,787 rad12
325,010 857… 4,091 rad23
430,424 876… 7,254 rad34
532,935 061… 8,863 rad35
637,586 178…12,038 rad46
740,918 719…14,248 rad57
843,327 073…15,826 rad68
948,005 150…18,920 rad79
1049,773 832…20,095 rad710

Valeurs $\theta$ calculées par la formule asymptotique. Source zéros : lmfdb.org/zeros/zeta/

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