Prime Dream(1)——素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)與它的階

本系列文集:《Prime Dream》
許多數(shù)論的研究大多都是圍繞素?cái)?shù)展開的,而與之相關(guān)的自然是素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù):
上和號(hào)是對(duì)不大于x的素?cái)?shù)求和,也就是說該函數(shù)用來表示不大于x的素?cái)?shù)個(gè)數(shù),開始之前還要再引入兩個(gè)函數(shù)——切比雪夫theta、psi函數(shù):()

Dirichlet卷積的部分和
令*表示Dirichlet卷積,設(shè)
考慮以下和式,
可以在上式的求和中先固定a,對(duì)所有b求和,再對(duì)所有a求和,得到
同理,也可得
特別地取,得到
其中為
的Mobius變換,將Von?Mongoldt函數(shù)代入,可得
1)
取為整數(shù),將右邊改寫一下
最后一個(gè)等式內(nèi)層的求和總是只有限項(xiàng)不為零的,因此可以得到階乘的素因子分解
2)

具有特殊階的部分和
對(duì)階乘的對(duì)數(shù)用Able求和公式可得
這也就是說
3)
將左式分為素?cái)?shù)和素?cái)?shù)的乘方,
來康康第二項(xiàng),對(duì)它放縮一下
可以驗(yàn)證最后一個(gè)級(jí)數(shù)是收斂到某個(gè)不大于的常數(shù):
因此可以得到
4)

Sharpiro Tauber型定理
既然這兩個(gè)部分和的階是差不多的,那我們直接來研究以下形式的和吧
我們想利用1.式來得到2.式的階,首要任務(wù)就是解決掉取整的部分,注意到當(dāng)時(shí),都有
,因此通過以下作差可以就可以讓2.式出現(xiàn)
對(duì)任意,
或?yàn)?或?yàn)?,所以得到
又根據(jù)1.式G(x)的階可知
這也就是說存在某個(gè)常數(shù)C,使得
不斷用替換掉x,得到
把這些不等式依次加起來,便有
于是可以得到
5)
下面來看另一個(gè)和,因?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=%5Bt%5D%3Dt%2B%5Cmathcal%20O(1)" alt="%5Bt%5D%3Dt%2B%5Cmathcal%20O(1)">,所以
6)
現(xiàn)在我們?cè)O(shè),由6)式可知存在常數(shù)
使得
,某一常數(shù)
,使得
也就是說。因?yàn)镾(x)是定義在
上的,所以其中要求了
。另一方面,有
結(jié)合上面兩個(gè)式子與5),就得到:對(duì)于,當(dāng)
時(shí),都有存在兩個(gè)常數(shù)
,(其中
是已經(jīng)確定的)
7)
可以用大theta符號(hào)改寫一下:對(duì)于,都有
7')
將上面得到的所有結(jié)論放在一起,便組成了Shaprio?Tauber型定理:若
則當(dāng)x足夠大時(shí),以下兩個(gè)漸進(jìn)公式成立:
其中,A為1.式中大O符號(hào)的絕對(duì)值上界

素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)的階
將4)式代入到Sharprio定理中,可得
8)
9)
其中8)式就被稱為Mertens第一定理,根據(jù)右側(cè)當(dāng)時(shí)是發(fā)散的,又能再次說明素?cái)?shù)有無窮多個(gè)。同樣將4)式代入也可得
10)
11)
接下來就是要得到素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)的階了,可以利用Able求和公式作以下變換:
將9)式代入,因?yàn)榉e分
由此可以推出對(duì)于足夠大的x,存在兩個(gè)常數(shù)
12)
并且我們還得到了以下極限不發(fā)散,


參考
《Introduction to analytic number theory》by Tom M.Apostol
《數(shù)論中的求和公式》Abel求和法