本文給出一個新發現的關於孿生素數數目的下限公式。
標記函數 T(x) 為足夠大的自然數x範圍內的孿生素數的對數,則有:
T(x)~x/2·∏(1-2/p_i) (i從2至n)
其中p_i為第i個素數,並且p_n為不大於√x的最大素數。
例:估算1500以內的孿生素數對數。
不大於√1500的最大素數是p_12=37;
因此:
T(1500)~1500/2·∏(1-2/p_i) (i從2至12)
=1500/2·(1/3·3/5·5/7·9/11·11/13·15/17·
17/19·21/23·27/29·29/31·35/37)
=750·382725/6516107
≈44
實際情況是1~1500中有46對孿生素數。由此可見這個公式給出的估值近似程度極高。
當然,這個公式在x值為大數時,計算量上龐大的缺陷也顯而易見。
但是,由這個公式,我們也會發現,當x→∞,函數T(x)→∞也是顯而易見的,因為事實上,必有:
x/2·∏(1-2/p_i)
>x/2·1/3·3/5·5/7·9/11·…·(p_n﹣2)/p_n
>x/2·1/p_n
>√x/2
當x足夠大時,我們也不難發現其實x/2·∏(1-2/p_i)>√x也是會成立的。因此我們不必通過複雜的計算,就可以輕鬆斷言1000以內至少有31對以上的孿生素數,10000以內肯定有遠多於100對以上的孿生素數。
也就是說公式T(x)~x/2·∏(1-2/p_i) 的成立能夠直接推出孿生素數猜想的成立。
因此,證明孿生素數猜想的關鍵就在於證明這個孿生素數分佈公式:
如何證明呢?
嚴格證明是相當繁瑣的,本文不擬在這裡詳述,僅簡單舉例說明證明思路。
我們不妨思考如下問題:
如何計算100以內的孿生素數的數目?
我們知道,如果自然數p-2及p是100以內的孿生素數,那麼p必然具有如下性質:
- p<100;
- p是奇數;
- p不能為3整除,並且餘數不為2否則p-2將為3整除,p=5除外;
- p不能為5整除,並且餘數不為2否則p-2將為5整除,p=7除外;
- p不能為7整除,並且餘數不為2否則p-2將為7整除;
滿足上述5個條件的自然數p及p-2,必然是100以內的孿生素數對。我們不用考慮p為11以上的素數所除時的餘數情況,因為√100<11。
然後可列出下述算式來進行近似計算:
100/2-(50·2/3+50·2/5+50·2/7)
+(50·4/15+50·4/21+50·4/35)
-50·8/105
(式子 ⑴)
(注意:15=3×5,21=3×7,35=5×7,105=3×5×7)
上述算式的結果是約等於7,實際100以內有孿生素數對8對。
思路是這樣的:
① 先扣除偶數的數目,然後扣除為3除餘數為0、2的奇數,再扣除被5除餘數為0、2的奇數,再扣除為7除餘數0、2的奇數;
② 由於①中存在重複扣除的情況,於是我們得再加回一次:被15除餘數為0、2、5、12四種情況的奇數,被21除餘數為0、2、9、14四種情況的奇數,被35除餘數為0,2,7,30四種情況的奇數;
③ 由於②中還可能存在重複加回的情況,於是我們得再扣除一次:為105除餘數為0,2,30,35,42,65,72,84這8種情況的奇數;
根據上述① ② ③ 的思路,我們就列出了前述式子⑴。
然後,我們立刻有如下令人驚歎的美妙結論:
式子(1)=100/2·(1-2/3)(1-2/5)(1-2/7)≈7
把上述連乘式展開來,我們會看到這個結論是顯然的。
上述例子其實已經能充分說明T(x)~x/2·∏(1-2/p_i) 的正確性,當然嚴格證明會比較複雜。
我們不難注意到這個式子在結構上與歐拉函數的相似性。本質上,這個公式是數論中的歐拉函數思想的一種推廣。
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