Теорема о распределении простых чисел | это... Что такое Теорема о распределении простых чисел? (original) (raw)
Теорема о распределении простых чисел — теорема аналитической теории чисел, описывающая асимптотику распределения простых чисел. А именно, она утверждает, что функция распределения простых чисел (количество простых чисел на отрезке от 1 до n) растёт с ростом n как
, то есть:
когда
Грубо говоря, это означает, что у случайно выбранного числа от 1 до n шанс оказаться простым примерно равен .
Также эта теорема может быть эквивалентным образом переформулирована для описания поведения -го простого числа
: она утверждает, что
(здесь и далее запись означает, что
когда аргумент функций стремится к бесконечности).
Содержание
История
Первым статистическую закономерность в расположении простых чисел подметил Гаусс. В письме Энке (1849) он сообщил, что ещё в 1792 или 1793 году, чисто эмпирически, обнаружил, что плотность простых чисел «в среднем близка к величине, обратно пропорциональной логарифму»[1]. К этому времени, основываясь на таблицах простых чисел, составленных Фелкелем и Вегой, Лежандр предположил в 1796 году, что функция распределения простых чисел (число простых чисел, не превосходящих x) может быть приближена выражением:
где Гаусс в упомянутом письме критикует формулу Лежандра и, используя эвристические рассуждения, предлагает другую приближающую функцию — интегральный логарифм:
Однако Гаусс нигде не опубликовал эту гипотезу. Оба приближения, как Лежандра, так и Гаусса, приводят к одной и той же предполагаемой асимптотической эквивалентности функций и
, указанной выше, хотя приближение Гаусса и оказывается существенно лучше, если при оценке ошибки рассматривать разность функций вместо их отношения.
В двух своих работах, 1848 и 1850 года, Чебышев доказывает[2], что верхний M и нижний m пределы отношения
![]() |
(1) |
---|
заключены в пределах , а также, что если предел отношения (1) существует, то он равен 1. Позднее (1881) Дж. Дж. Сильвестр сузил допустимый интервал для предела с 10% до 4%.
В 1859 году появляется работа Римана, рассматривающая (введённую Эйлером как функцию вещественного аргумента) -функцию в комплексной области, и связывающая её поведение с распределением простых чисел. Развивая идеи этой работы, в 1896 году Адамар и Валле-Пуссен одновременно и независимо доказывают теорему о распределении простых чисел.
Наконец, в 1949 году появляется не использующее комплексный анализ доказательство Эрдеша—Сельберга.
Общий ход доказательства
Переформулировка в терминах пси-функции Чебышева
Общим начальным этапом рассуждений является переформулировка закона распределения простых чисел в терминах пси-функции Чебышева, определяемой как
иными словами, пси-функция Чебышева это сумма функции Мангольдта (англ.):
А именно, оказывается, что асимптотический закон распределения простых чисел равносилен тому, что
Это происходит из-за того, что логарифм «почти постоянен» на большей части отрезка , а вклад квадратов, кубов, и т. д. в сумму (*) пренебрежимо мал; поэтому практически все складываемые логарифмы
примерно равны
, и функция
асимптотически ведёт себя так же, как
.
Классические рассуждения: переход к дзета-функции Римана
Как следует из тождества Эйлера,
ряд Дирихле («производящая функция»), соответствующий функции Мангольдта, равен минус логарифмической производной дзета-функции:
Кроме того, интеграл по вертикальной прямой, находящейся справа от 0, от функции равен
при
и 0 при
. Поэтому, умножение правой и левой части на
и (аккуратное — несобственные интегралы сходится только условно!) и интегрирование по вертикальной прямой по
оставляет в левой части в точности сумму
с
. С другой стороны, применение теоремы о вычетах позволяет записать левую часть в виде суммы вычетов; каждому нулю дзета-функции соответствует полюс первого порядка её логарифмической производной, с вычетом, равным 1, а полюсу первого порядка в точке
— полюс первого порядка с вычетом, равным
.
Строгая реализация этой программы позволяет получить[3] явную формула Римана (англ.)[4]:
Суммирование тут ведётся по нулям дзета-функции, лежащим в критической полосе
, слагаемое
отвечает полюсу
в нуле, а слагаемое
— так называемым «тривиальным» нулям дзета-функции
.
Отсутствие нетривиальных нулей дзета-функции вне критической полосы и влечёт за собой искомое утверждение (сумма в формуле (**) будет расти медленнее, чем
). Кроме того, гипотеза Римана влечёт за собой «оптимальную» оценку на возможные отклонения
от
, и, соответственно, на отклонения
от
.
Элементарное доказательство: завершение Эрдеша-Сельберга
Основная теорема арифметики, записывающаяся после логарифмирования как
тем самым формулируется в терминах арифметических функций и свёртки Дирихле как
где и
— арифметические функции, логарифм аргумента и тождественная единица соответственно.
Формула обращения Мёбиуса позволяет перенести в правую часть:
где — функция Мёбиуса.
Сумма левой части (**) — искомая функция . В правой части, применение формулы гиперболы Дирихле позволяет свести сумму свёртки к сумме
где
— сумма логарифма. Применение формулы Эйлера-Маклорена позволяет записать
как
где — постоянная Эйлера. Выделяя из этого выражения слагаемые, имеющие вид
для подходящим образом подобранной функции F (а именно,
), и обозначая через R остаток, имеем в силу обращения Мёбиуса
Поскольку остаётся проверить, что второе слагаемое имеет вид
. Применение леммы Аскера позволяет свести эту задачу к проверке утверждения
где
— функция Мертенса, сумма функции Мёбиуса.
Малость сумм функции Мёбиуса на подпоследовательности следует из формулы обращения, применённой к функции .
Далее, функция Мёбиуса в алгебре арифметических функций (с мультипликативной операцией-свёрткой) удовлетворяет «дифференциальному уравнению» первого порядка
где — дифференцирование в этой алгебре (переход к рядам Дирихле превращает его в обычное дифференцирование функции). Поэтому она удовлетворяет и уравнению второго порядка
«Усредение» этого уравнения позволяет и то, что асимптотика суммы функции оценивается лучше асимптотики сумм
, позволяет оценивать отношение
через средние значения такого отношения. Такая оценка вкупе с «малостью по подпоследовательности» и позволяет получить искомую оценку
.
См. также
Примечания
- ↑ Дербишир, 2010, с. 178-179.
- ↑ Н. И. Архиезер, «П. Л. Чебышев и его научное наследие».
- ↑ http://people.reed.edu/~jerry/361/lectures/rvm.pdf
- ↑ Weisstein, Eric W. Explicit Formula (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
Литература
Классические труды
- Jacques Hadamard. Sur la distribution des zéros de la fonction
et ses conséquences arithmétiques. Bull. Soc. Math. France, № 24 (1896), 199—220.
- Charles de la Vallée Poussin. Recherces analytiques sur la théorie des nombres premiers. Ann. Soc. Sci. Bruxells, 1897.
- Чебышев П. Л. Об определении числа простых чисел, меньших данной величины, 1848.
- Чебышев П. Л. О простых числах, 1850.
- Bernhard Riemann. Űber die Anzahl der Primzahlen unter einer gegebenen Grösse // Monatsberichte der Berliner Akademie. — 1859.
Современная литература
- Дербишир, Джон. Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике. — Астрель, 2010. — 464 с. — ISBN 978-5-271-25422-2
- Диамонд Г. Элементарные методы в изучении распределения простых чисел, УМН, 45:2(272) (1990), 79-114.
- Постников А. Г., Романов Н. П. Упрощение элементарного доказательства А. Сельберга асимптотического закона распределения простых чисел, УМН, 10:4(66) (1955), с. 75-87
- Erdős, P. Démonstration élémentaire du théorème sur la distribution des nombres premiers. Scriptum 1, Centre Mathématique, Amsterdam, 1949.
- Selberg, A. An Elementary Proof of the Prime Number Theorem, Ann. Math. 50, 305—313, 1949.
Ссылки
- Weisstein, Eric W. Prime Number Theorem (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.