Prime Dream(1)——素数计数函数与它的阶

本系列文集:《Prime Dream》
许多数论的研究大多都是围绕素数展开的,而与之相关的自然是素数计数函数:
上和号是对不大于x的素数求和,也就是说该函数用来表示不大于x的素数个数,开始之前还要再引入两个函数——切比雪夫theta、psi函数:()

Dirichlet卷积的部分和
令*表示Dirichlet卷积,设
考虑以下和式,
可以在上式的求和中先固定a,对所有b求和,再对所有a求和,得到
同理,也可得
特别地取,得到
其中为
的Mobius变换,将Von Mongoldt函数代入,可得
1)
取为整数,将右边改写一下
最后一个等式内层的求和总是只有限项不为零的,因此可以得到阶乘的素因子分解
2)

具有特殊阶的部分和
对阶乘的对数用Able求和公式可得
这也就是说
3)
将左式分为素数和素数的乘方,
来康康第二项,对它放缩一下
可以验证最后一个级数是收敛到某个不大于的常数:
因此可以得到
4)

Sharpiro Tauber型定理
既然这两个部分和的阶是差不多的,那我们直接来研究以下形式的和吧
我们想利用1.式来得到2.式的阶,首要任务就是解决掉取整的部分,注意到当时,都有
,因此通过以下作差可以就可以让2.式出现
对任意,
或为0或为1,所以得到
又根据1.式G(x)的阶可知
这也就是说存在某个常数C,使得
不断用替换掉x,得到
把这些不等式依次加起来,便有
于是可以得到
5)
下面来看另一个和,因为,所以
6)
现在我们设,由6)式可知存在常数
使得
,某一常数
,使得
也就是说。因为S(x)是定义在
上的,所以其中要求了
。另一方面,有
结合上面两个式子与5),就得到:对于,当
时,都有存在两个常数
,(其中
是已经确定的)
7)
可以用大theta符号改写一下:对于,都有
7')
将上面得到的所有结论放在一起,便组成了Shaprio Tauber型定理:若
则当x足够大时,以下两个渐进公式成立:
其中,A为1.式中大O符号的绝对值上界

素数计数函数的阶
将4)式代入到Sharprio定理中,可得
8)
9)
其中8)式就被称为Mertens第一定理,根据右侧当时是发散的,又能再次说明素数有无穷多个。同样将4)式代入也可得
10)
11)
接下来就是要得到素数计数函数的阶了,可以利用Able求和公式作以下变换:
将9)式代入,因为积分
由此可以推出对于足够大的x,存在两个常数
12)
并且我们还得到了以下极限不发散,


参考
《Introduction to analytic number theory》by Tom M.Apostol
《数论中的求和公式》Abel求和法