Doctor of Philosophy / Department of Mathematics / Christopher G. Pinner

In recent years, the moments of L-functions has been a topic of growing interest in the field of analytic number theory. New techniques, including applications of Random Matrix Theory and multiple Dirichlet series, have lead to many well-posed theorems and conjectures for the moments of various L-functions. In this thesis, we theoretically and numerically examine the integral moments of quadratic Dirichlet $L$-functions. In particular, we exhibit and discuss the conjectures for the moments which result from the applications of Random Matrix Theory, number theoretic heuristics, and the theory of multiple Dirichlet series. In the case of the cubic moment, we further numerically investigate the possible existence of additional lower order main terms.

In recent years, the moments of L-functions has been a topic of growing interest in the field of analytic number theory. New techniques, including applications of Random Matrix Theory and multiple Dirichlet series, have lead to many well-posed theorems and conjectures for the moments of various L-functions. In this thesis, we theoretically and numerically examine the integral moments of quadratic Dirichlet $L$-functions. In particular, we exhibit and discuss the conjectures for the moments which result from the applications of Random Matrix Theory, number theoretic heuristics, and the theory of multiple Dirichlet series. In the case of the cubic moment, we further numerically investigate the possible existence of additional lower order main terms.

On s’intéresse dans cette thèse à l’étude des fonctions thêta intervenant dans la preuve de l’équation fonctionnelle des fonctions L de Dirichlet. En particulier, on adapte certains résultats obtenus dans le cadre des fonctions L au cas des fonctions thêta. S. Chowla a conjecturé que les fonctions L de Dirichlet associées à des caractères χ primitifs ne doivent pas s’annuler au point central de leur équation fonctionnelle. De façon analogue, il est conjecturé que les fonctions thêta ne s'annulent pas au point 1. Dans le but de prouver cette conjecture pour beaucoup de caractères, on étudie les moments de fonctions thêta dans plusieurs familles. On se focalise sur deux familles importantes. La première considérée est l’ensemble des caractères de Dirichlet modulo p où p est un nombre premier. On prouve des formules asymptotiques pour les moments d'ordre 2 et 4 en se ramenant à des problèmes de nature diophantienne. La seconde famille considérée est celle des caractères primitifs et quadratiques associés à des discriminants fondamentaux d inférieurs à une certaine borne fixée. On donne une formule asymptotique pour le premier moment et une majoration pour le moment d'ordre 2 en utilisant des techniques de transformée de Mellin ainsi que des estimations sur les sommes de caractères. Dans les deux cas, on en déduit des résultats de non-annulation des fonctions thêta. On propose également un algorithme qui, pour beaucoup de caractères, se révèle en pratique efficace pour prouver la non-annulation sur l'axe réel positif des fonctions thêta ce qui entraîne la non-annulation sur le même axe des fonctions L associées. / In this thesis, we focus on the study of theta functions involved in the proof of the functional equation of Dirichlet L- functions. In particular, we adapt some results obtained for L-functions to the case of theta functions. S. Chowla conjectured that Dirichlet L- functions associated to primitive characters χ don’t vanish at the central point of their functional equation. In a similar way to Chowla’s conjecture, it is conjectured that theta functions don't vanish at the central point of their functional equation for each primitive character. With the aim of proving this conjecture for a lot of characters, we study moments of theta functions in various families. We concentrate on two important families. The first one which we consider is the family of all Dirichlet characters modulo p where p is a prime number. In this case, we prove asymptotic formulae for the second and fourth moment of theta functions using diophantine techniques. The second family which we consider is the set of primitive quadratic characters associated to a fundamental discriminant less than a fixed bound. We give an asymptotic formula for the first moment and an upper bound for the second moment using techniques of Mellin transforms and estimation of character sums. In both cases, we deduce some results of non-vanishing. We also give an algorithm which, in practice, works well for a lot of characters to prove the non-vanishing of theta functions on the positive real axis. In this case, this implies in particular that the associated L-functions don’t vanish on the same axis.

Cette thèse traite d’un sujet central de la théorie analytique des nombres, notamment celui des caractères de Dirichlet et plus particulièrememt, celui des sommes de caractères. Plus précisément, on y développe un résultat concernant la valeur maximale pouvant être atteinte par une longue somme de caractère. Chemin faisant, nous serons amenés à investiguer la structure de réseaux et nous en soutirerons un résultat intéressant. Dans le Chapitre 1 sont discutées les notions et techniques nécessaires à l’élaboration de la preuve du résultat principal. On y discutera des notions d’analyse harmonique, de techniques classiques de théorique des nombres et l’on fera finalement un survol des nombres friables. Le Chapitre 2 introduira la théorie propre aux caractères de Dirichlet et aux sommes de caractères. Les propriétés de bases et les théorèmes classiques seront couverts ainsi qu’un aperçu des résultats récents qui touchent de près au sujet principal de cette thèse. On donnera au Chapitre 3 un premier résultat qui fera diverger la thèse dans le domaine des réseaux. Il s’agit d’un résultat auxiliaire au résultat principal, mais qui offre un intérêt indépendant aux sommes de caractères. Il sera question de l’ordre de grandeur des multiples d’un vecteur choisi dans un réseau, lorsque les multiplicateurs sont dans certaines classes de congruences. Le Chapitre 4 servira de lien entre les réseaux et les caractères et on y appliquera les théorème démontrés au Chapitre 3. Les résultats sur les caractères qui en découlerons serons les éléments clés pour la preuve du théorème principal. Au chapitre 5, nous dériverons quelques estimés préliminaires qui seront nécessaires à la preuve du théorème principal. En particulier, le chapitre sera divisé en deux sectioncs; l’une traitant de sommes exponentielles, l’autre de nombre friables. Finalement, le Chapitre 6 constitura le point culminant de cette thèse et servira à démontrer le résultat principal sur les sommes de caractères. Nous y prouverons une borne inférieur sur le maximum pouvant être atteinte par un caractère parmi les caractères modulo un nombre premier q. / This thesis deals with a central topic in analytic number theory, namely that of characters and more specifically, that of character sums. More precisely, we will develop a result concerning the maximal value that can be attained by some long character sum. In Chapter 1 are discussed the notions and techniques that will be necessary in the elaboration of the proof of the main result. We will discuss notions of harmonic analysis, classical number theoretic techniques, as well as give an overview of smooth numbers. Chapter 2 will serve as an introduction to the theory pertaining to Dirichlet characters and character sums. Basic properties and classical theorems will be covered and we will provide a survey of recent results closely related to the main topic on interest in this thesis. We will give in Chapter 3 a first result which will lead this thesis to diverge into the field of lattices. It comes up as an auxiliary result to the main result, but bares an interest independent to characters. We will discuss the order of magnitude of multiples of a chosen lattice vector, when the multipliers lie in prescribed congruence classes. Chapter 4 will serve as a bridge between lattices and characters and we will study the consequences of applying the theorems we proved in Chapter 3 to characters. We will derive results that will be key to the proof of our main theorem. In Chapter 5, we will prepare the ground for the proof of our main theorem by unveiling some preliminary estimates that will be needed. In particular, the chapter will consist of two parts: one treating of exponential sums, while the other one will be concerned with smooth numbers. Finally, Chapter 6 will be the apex of this thesis and will provide the proof of our main result on character sums. The argument built in this chapter will allow us to prove a lower bound for the maximal value that can be reached by a character among the characters modulo a prime number q.