Prime Dream(2)——素數(shù)定理的推論

本系列文集:《Prime Dream》
簡概
自然數(shù)的乘法賦予了自然數(shù)集一種特殊的結(jié)構(gòu),從而誕生了整除這一關(guān)系,而有一類數(shù),無法找到除了1與它本身外能夠整除它的整數(shù),這類數(shù)就叫做素數(shù)(prime?number)或質(zhì)數(shù)。它們的分布是十分不規(guī)則的,因此對它的研究可以說是十分艱難的,從幾千年前的歐幾里得,到如今,有關(guān)素數(shù)的難題出現(xiàn)了許許多多,諸如哥德巴赫猜想,孿生素數(shù)猜想,世界七大難題之一的黎曼假設(shè)等,盡管如此,數(shù)學(xué)家們也始終執(zhí)著地追求著看清這其中的奧秘
之前有一期專欄中有提到過Euclid定理——素數(shù)有無窮多個,即
這也令對素數(shù)的研究更加復(fù)雜了,畢竟如果是有限個素數(shù)那研究起來多方便。實際上最大的困難之處還是在于素數(shù)的分布太雜亂了,要得到一個精確的公式是十分不容易的。本期只展示素數(shù)定理的等價形式及推論

Tchebyshev的兩個函數(shù)與素數(shù)定理
首先從切比雪夫的兩個函數(shù)出發(fā):
利用素數(shù)示性函數(shù):
發(fā)現(xiàn)若將n取不大于x的所有整數(shù)并求和剛好就是不大于x的素數(shù)個數(shù),即
將其代入到Tchebyshev?theta函數(shù)中,因為當時,在
的范圍內(nèi)沒有素數(shù),所以可將求和域改為2-δ到x,利用Able求和公式,可得
接下來令,得到
為了方便采用記號?
#)
因此可以通過Tchebyshev theta函數(shù)間接對素數(shù)分布進行研究
素數(shù)定理(prime?number?theorem)描述的正是
1)
當然這只是它最簡單的形式。我們可以由此推出與它等價的兩種形式
從#式出發(fā),上一期專欄中我們證明了存在兩個常數(shù),使得
從而有
于是#)式中的積分項
而又有
所以可得以下等式:
2)
若能證明右側(cè)的極限為1,則就能間接得到素數(shù)定理,至此就得到了素數(shù)定理的一個等價表述

現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)到Tchebyshev psi函數(shù)上,它是對不超過x的素數(shù)的乘方求和,
因為不超過x的p乘方總是有限的,所以最右邊是一有限和,不難將它與theta函數(shù)聯(lián)系起來
注意到即
時外層的求和是空的,將這些空的去掉,得到
下面來康康這兩個函數(shù)的差吧
根據(jù)Tchebyshev theta函數(shù)的定義,又可得對,
經(jīng)過上面這些粗略的放縮,得到
當x足夠大時他們的差越來越小且最終會趨于0,因此上訴不等式就是告訴了我們
3)
再根據(jù)2)式就能得到素數(shù)定理的另一等價表述,

素數(shù)定理的推論
假設(shè)素數(shù)定理已經(jīng)成立,對1)式取自然對數(shù),得到
再變一下,就是
用epsilon語言來說就是時,
所以由此可得
又因為
所以可以得到
4)
這雖然有些許不可思議——不大于給定數(shù)的素數(shù)個數(shù)總是遠小于這個數(shù)的,但是仔細想想因為對數(shù)函數(shù)發(fā)散的速度很慢,以至于彌補了它們之間的差距,所以造成它們的比值極限為1
結(jié)合4)式,可知素數(shù)定義亦等價于
5)
在上式中令x沿素數(shù)集趨向無窮,即
設(shè)為第n個素數(shù),而
,且又有
,代入上式即得
6)

素數(shù)定理的更精確形式
利用小o符號,由
可以寫出
又由Abel求和公式,有
由此可得
又由分部積分得
記??,則
7)
一些情況下,使用下限為0的積分是非常方便的,因此引入
其中??取Cauchy主值,
由此也有
8)
7)式與8)式都是素數(shù)定理的推論,并且事實上用他們來逼近素數(shù)計數(shù)函數(shù)比1)更精確:

更進一步,可以利用大O符號進行更精確的估計,是形如:
其中大O符號是在x趨于無窮時與li(x)的比值為0,通常情況下它是通過Tchebyshev?psi函數(shù)的估計式得出,即