Prime Dream(3)——Mertens的幾個(gè)漸進(jìn)公式

專欄文集:《Analysis》《雜文集》
EPD系列文集:《Prime Dream》

上一節(jié)里扯到了下面這樣的漸進(jìn)公式:
#)
它被稱為Mertens第一定理,通過(guò)右式發(fā)散便能得到Euclid定理,此外,可以由他出發(fā)得到另外的與素?cái)?shù)有關(guān)的漸進(jìn)公式。本文出現(xiàn)的兩個(gè)公式是由Mertens本人提出的,它們與Mertens第一定理可以被共同稱為Mertens公式,而最后一個(gè)公式又被稱為Mertens第二定理

素?cái)?shù)的倒數(shù)和
引入一個(gè)常數(shù)——Mertens常數(shù)
它在定義上與Euler常數(shù)十分類似,不過(guò)我們需要說(shuō)明這個(gè)式子是有意義的,即要說(shuō)明右側(cè)確實(shí)是收斂到某個(gè)常數(shù)的。為了簡(jiǎn)便,這里會(huì)采用以下記號(hào):
首先令
由Mertens第一定理可知.根據(jù)Riemann-Stieltjes積分的分部積分,有
于是,可得
顯然右式收斂到一個(gè)常數(shù),即Mertens常數(shù),將它代回式中,可得:
其中
因此,我們得到素?cái)?shù)倒數(shù)和的漸進(jìn)公式:
1)
在上式中令,則有
對(duì)比自然數(shù)的倒數(shù)和
發(fā)現(xiàn)他們異常相似。沒(méi)錯(cuò),數(shù)學(xué)就是這么神奇!

Mertens公式
考慮zeta函數(shù)的歐拉乘積的對(duì)數(shù),分離出素zeta函數(shù)
那么分離出來(lái)它有什么用呢?我們都知道這個(gè)等式在s=1處是發(fā)散的,但是,第二個(gè)和式在s=1時(shí)是收斂的:
接著研究左側(cè)式子,令,有
由此得到
又有:
于是
代入到分離素zeta函數(shù)后的歐拉乘積中,
圍繞上式,接下來(lái)考慮除收斂部分外的兩項(xiàng)的差,記
由Riemann-Stieltjes積分的分部積分,
由此可得
根據(jù)H(t)與P(t)的漸進(jìn)公式,得
于是
再次代回到歐拉乘積中,并令,得到
將右式分為不大于x與大于x的兩部分和,由前文的
以及素?cái)?shù)倒數(shù)和的漸進(jìn)公式,可得
取e的冪,根據(jù)
就能得到大名鼎鼎的Mertens公式了:
2)

Tchebyshev定理
在之前一期專欄中得到了
這里就來(lái)研究一下中間函數(shù)的上確界與下確界吧,設(shè)
對(duì),存在
,使得
時(shí),
利用素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù),有
根據(jù)素?cái)?shù)倒數(shù)和的漸進(jìn)公式,可知又由
任意小,得到
,類似的又有
從而,即
3)
此時(shí)的結(jié)論已經(jīng)夠強(qiáng)了,如果能證明的極限存在,那么其必收斂到1,然而素?cái)?shù)定理的證明難就難在其極限存在性僅用初等方法是不容易確定的,因此人們會(huì)尋找更強(qiáng)更有力的方法來(lái)解決它——解析方法。不出意外的話下一期就要進(jìn)入漫漫解析路了

參考
《解析與概率數(shù)論導(dǎo)引》by G.特倫鮑姆
Meten定理與素?cái)?shù)定理 by?TravorLZH:https://zhuanlan.zhihu.com/p/338578631