Prime Dream(2)——素数定理的推论

本系列文集:《Prime Dream》
简概
自然数的乘法赋予了自然数集一种特殊的结构,从而诞生了整除这一关系,而有一类数,无法找到除了1与它本身外能够整除它的整数,这类数就叫做素数(prime number)或质数。它们的分布是十分不规则的,因此对它的研究可以说是十分艰难的,从几千年前的欧几里得,到如今,有关素数的难题出现了许许多多,诸如哥德巴赫猜想,孪生素数猜想,世界七大难题之一的黎曼假设等,尽管如此,数学家们也始终执着地追求着看清这其中的奥秘
之前有一期专栏中有提到过Euclid定理——素数有无穷多个,即
这也令对素数的研究更加复杂了,毕竟如果是有限个素数那研究起来多方便。实际上最大的困难之处还是在于素数的分布太杂乱了,要得到一个精确的公式是十分不容易的。本期只展示素数定理的等价形式及推论

Tchebyshev的两个函数与素数定理
首先从切比雪夫的两个函数出发:
利用素数示性函数:
发现若将n取不大于x的所有整数并求和刚好就是不大于x的素数个数,即
将其代入到Tchebyshev theta函数中,因为当时,在
的范围内没有素数,所以可将求和域改为2-δ到x,利用Able求和公式,可得
接下来令,得到
为了方便采用记号
#)
因此可以通过Tchebyshev theta函数间接对素数分布进行研究
素数定理(prime number theorem)描述的正是
1)
当然这只是它最简单的形式。我们可以由此推出与它等价的两种形式
从#式出发,上一期专栏中我们证明了存在两个常数,使得
从而有
于是#)式中的积分项
而又有
所以可得以下等式:
2)
若能证明右侧的极限为1,则就能间接得到素数定理,至此就得到了素数定理的一个等价表述

现在将注意力转到Tchebyshev psi函数上,它是对不超过x的素数的乘方求和,
因为不超过x的p乘方总是有限的,所以最右边是一有限和,不难将它与theta函数联系起来
注意到即
时外层的求和是空的,将这些空的去掉,得到
下面来康康这两个函数的差吧
根据Tchebyshev theta函数的定义,又可得对,
经过上面这些粗略的放缩,得到
当x足够大时他们的差越来越小且最终会趋于0,因此上诉不等式就是告诉了我们
3)
再根据2)式就能得到素数定理的另一等价表述,

素数定理的推论
假设素数定理已经成立,对1)式取自然对数,得到
再变一下,就是
用epsilon语言来说就是时,
所以由此可得
又因为
所以可以得到
4)
这虽然有些许不可思议——不大于给定数的素数个数总是远小于这个数的,但是仔细想想因为对数函数发散的速度很慢,以至于弥补了它们之间的差距,所以造成它们的比值极限为1
结合4)式,可知素数定义亦等价于
5)
在上式中令x沿素数集趋向无穷,即
设为第n个素数,而
,且又有
,代入上式即得
6)

素数定理的更精确形式
利用小o符号,由
可以写出
又由Abel求和公式,有
由此可得
又由分部积分得
记 ,则
7)
一些情况下,使用下限为0的积分是非常方便的,因此引入
其中 取Cauchy主值,
由此也有
8)
7)式与8)式都是素数定理的推论,并且事实上用他们来逼近素数计数函数比1)更精确:

更进一步,可以利用大O符号进行更精确的估计,是形如:
其中大O符号是在x趋于无穷时与li(x)的比值为0,通常情况下它是通过Tchebyshev psi函数的估计式得出,即