stringtranslate.com

Функция подсчета простых чисел

В математике функция подсчета простых чисел — это функция, подсчитывающая количество простых чисел, меньших или равных некоторому действительному числу x . [1] [2] Она обозначается как π ( x ) (не имеет отношения к числу π ).

Значения π ( n ) для первых 60 положительных целых чисел

Темпы роста

Большой интерес в теории чисел представляет скорость роста функции подсчета простых чисел. [3] [4] В конце XVIII века Гаусс и Лежандр предположили , что она приблизительно равна где logнатуральный логарифм , в том смысле, что Это утверждение — теорема о простых числах . Эквивалентное утверждение — где liлогарифмическая интегральная функция. Теорема о простых числах была впервые доказана в 1896 году Жаком Адамаром и Шарлем де ла Валле Пуссеном независимо друг от друга с использованием свойств дзета-функции Римана, введенной Риманом в 1859 году. Доказательства теоремы о простых числах, не использующие дзета-функцию или комплексный анализ, были найдены около 1948 года Атле Сельбергом и Полом Эрдёшем (по большей части независимо). [5]

Более точные оценки

В 1899 году де ла Валле Пуссен доказал, что [ 6] для некоторой положительной константы a . Здесь O (...) — это большая нотация O.

Теперь известны более точные оценки π ( x ) . Например, в 2002 году Кевин Форд доказал, что [7]

Моссингхофф и Труджиан доказали [8] явную верхнюю границу для разности между π ( x ) и li( x ) :

Для значений x , которые не являются необоснованно большими, li( x ) больше, чем π ( x ) . Однако известно, что π ( x ) − li( x ) меняет знак бесконечно много раз. Для обсуждения этого см. число Скьюза .

Точная форма

Для x > 1 пусть π 0 ( x ) = π ( x ) − 1/2 когда x — простое число, и π 0 ( x ) = π ( x ) в противном случае. Бернхард Риман в своей работе «О числе простых чисел, меньших заданной величины» доказал, что π 0 ( x ) равно [9]

Явная формула Римана, использующая первые 200 нетривиальных нулей дзета-функции

где μ ( n )функция Мёбиуса , li( x )логарифмическая интегральная функция , ρ индексирует каждый ноль дзета-функции Римана, а li( x ρ/н )​​не оценивается с помощьюотсечения ветви, а вместо этого рассматривается какEi(ρ/н log x ) где Ei( x ) - экспоненциальный интеграл . Если собрать тривиальные нули и суммировать только по нетривиальным нулям ρ дзета-функции Римана, то π 0 ( x ) можно аппроксимировать как [10]

Гипотеза Римана предполагает, что каждый такой нетривиальный ноль лежит вдоль Re( s ) = 1/2 .

Таблицаπ ( х ),⁠х/журнал( х )⁠, или( х )

Таблица показывает, как три функции π ( x ) , х/журнал( х ) , и li( x ) сравниваются в степенях 10. См. также [3] [11] и [12]

График, показывающий отношение функции подсчета простых чисел π ( x ) к двум ее приближениям, х/журнал х и Li( x ) . По мере увеличения x (обратите внимание, что ось x логарифмическая), оба отношения стремятся к 1. Отношение длях/журнал х сходится сверху очень медленно, тогда как отношение для Li( x ) сходится быстрее снизу.

В Онлайновой энциклопедии целочисленных последовательностей столбец π ( x ) представляет собой последовательность OEIS : A006880 , π ( x ) − х/журнал х⁠ — это последовательность OEIS : A057835 , а li( x ) − π ( x ) — это последовательность OEIS : A057752 .

Значение π (10 24 ) было первоначально вычислено Дж. Бюте, Дж. Франке , А. Йостом и Т. Кляйнъюнгом, предполагая гипотезу Римана . [13] Позднее оно было безоговорочно проверено в вычислениях DJ Platt. [14] Значение π (10 25 ) получено Дж. Бюте, Дж. Франке , А. Йостом и Т. Кляйнъюнгом. [15] Значение π (10 26 ) было вычислено DB Staple. [16] Все другие предыдущие записи в этой таблице также были проверены в рамках этой работы.

Значения для 10 27 , 10 28 и 10 29 были объявлены Дэвидом Бо и Ким Валишем в 2015 [17] , 2020 [18] и 2022 [19] годах соответственно.

Алгоритмы оценкиπ ( х )

Простой способ найти π ( x ) , если x не слишком велико, — это использовать решето Эратосфена для получения простых чисел, меньших или равных x , а затем подсчитать их.

Более сложный способ нахождения π ( x ) принадлежит Лежандру (используя принцип включения-исключения ): если x дан , и p 1 , p 2 ,…, p n — различные простые числа, то количество целых чисел, меньших или равных x , которые не делятся ни на одно p i , равно

(где x обозначает функцию пола ). Это число, следовательно, равно

когда числа p 1 , p 2 ,…, p n являются простыми числами, меньшими или равными квадратному корню из x .

Алгоритм Мейселя – Лемера

В серии статей, опубликованных между 1870 и 1885 годами, Эрнст Мейссель описал (и использовал) практический комбинаторный способ оценки π ( x ) : Пусть p 1 , p 2 ,…, p n будут первыми n простыми числами и обозначим через Φ( m , n ) количество натуральных чисел, не превышающих m , которые не делятся ни на одно из p i для любого in . Тогда

Дано натуральное число m , если n = π ( 3m ) и если μ = π ( m ) − n , то

Используя этот подход, Мейссель вычислил π ( x ) для x , равного5 × 10 5 , 10 6 , 10 7 и 10 8 .

В 1959 году Деррик Генри Лемер расширил и упростил метод Мейсселя. Определим для вещественного m и для натуральных чисел n и k , P k ( m , n ) как количество чисел, не больших m с ровно k простыми множителями, все из которых больше p n . Кроме того, положим P 0 ( m , n ) = 1 . Тогда

где сумма на самом деле имеет только конечное число ненулевых членов. Пусть y обозначает целое число, такое что 3mym , и положим n = π ( y ) . Тогда P 1 ( m , n ) = π ( m ) − n и P k ( m , n ) = 0, когда k ≥ 3 . Следовательно,

Вычисление P 2 ( m , n ) можно получить следующим образом:

где сумма делится на простые числа.

С другой стороны, вычисление Φ( m , n ) можно выполнить, используя следующие правила:

Используя свой метод и IBM 701 , Лемер смог вычислить правильное значение π (10 9 ) и ошибся в правильном значении π (10 10 ) на 1. [20]

Дальнейшие усовершенствования этого метода были сделаны Лагариасом, Миллером, Одлыжко, Делеглизом и Рива. [21]

Другие функции подсчета простых чисел

Также используются и другие функции подсчета простых чисел, поскольку с ними удобнее работать.

Функция подсчета степеней Римана

Функция подсчета степеней Римана обычно обозначается как Π 0 ( x ) или J 0 ( x ) . Она имеет скачки 1/н в простых степенях p n и принимает значение посередине между двумя сторонами в разрывах π ( x ) . Эта дополнительная деталь используется, поскольку функция затем может быть определена обратным преобразованием Меллина .

Формально мы можем определить Π 0 ( x ) как

где переменная p в каждой сумме колеблется по всем простым числам в указанных пределах.

Мы также можем написать

где Λфункция фон Мангольдта и

Формула обращения Мёбиуса тогда дает

где μ ( n )функция Мёбиуса .

Зная связь между логарифмом дзета-функции Римана и функцией Мангольдта Λ , и используя формулу Перрона, имеем

Функция Чебышева

Функция Чебышева взвешивает простые числа или степени простых чисел p n по формуле log( p ) :

Для х ≥ 2 , [22]

и

Формулы для функций подсчета простых чисел

Формулы для функций подсчета простых чисел бывают двух видов: арифметические формулы и аналитические формулы. Аналитические формулы для подсчета простых чисел были впервые использованы для доказательства теоремы о простых числах . Они берут начало в работах Римана и фон Мангольдта и обычно известны как явные формулы . [23]

Для второй функции Чебышёва ψ имеем следующее выражение :

где

Здесь ρ — нули дзета-функции Римана в критической полосе, где действительная часть ρ лежит между нулем и единицей. Формула верна для значений x больше единицы, что и является интересующей нас областью. Сумма по корням условно сходится и должна браться в порядке возрастания абсолютного значения мнимой части. Обратите внимание, что та же сумма по тривиальным корням дает последнее вычитаемое в формуле.

Для Π 0 ( x ) имеем более сложную формулу

Опять же, формула верна для x > 1 , в то время как ρ — нетривиальные нули дзета-функции, упорядоченные по их абсолютному значению. Интеграл равен ряду по тривиальным нулям:

Первый член li( x ) представляет собой обычную логарифмическую интегральную функцию ; выражение li( x ρ ) во втором члене следует рассматривать как Ei( ρ log x ) , где Eiаналитическое продолжение показательной интегральной функции из области отрицательных действительных чисел в комплексную плоскость с разрезом вдоль положительных действительных чисел.

Таким образом, формула обращения Мёбиуса дает нам [10]

справедливо для x > 1 , где

является R-функцией Римана [24] , а μ ( n ) является функцией Мёбиуса . Последний ряд для него известен как ряд Грама . [25] [26] Поскольку log x < x для всех x > 0 , этот ряд сходится для всех положительных x по сравнению с рядом для e x . Логарифм в ряду Грама суммы по нетривиальному нулевому вкладу следует оценивать как ρ log x , а не log x ρ .

Фолькмар Борнеманн доказал [27], предположив , что все нули дзета-функции Римана являются простыми, [примечание 1] , что

где ρ пробегает нетривиальные нули дзета-функции Римана и t > 0 .

Сумма по нетривиальным нулям дзета в формуле для π 0 ( x ) описывает колебания π 0 ( x ) , в то время как остальные члены дают «гладкую» часть функции подсчета простых чисел [28] , поэтому можно использовать

как хорошую оценку π ( x ) для x > 1. Фактически, поскольку второй член стремится к 0 при x → ∞ , в то время как амплитуда «шумной» части эвристически около х/журнал х , оценка π ( x ) только с помощью R( x ) столь же хороша, и колебания распределения простых чисел могут быть четко представлены с помощью функции

Неравенства

Вот несколько полезных неравенств для π ( x ) .

для х ≥ 17 .

Левое неравенство справедливо для x ≥ 17 , а правое неравенство справедливо для x > 1. Константа 1,25506 равна 30 журнал 113/113 до 5 знаков после запятой, какπ ( x ) логарифм x/х имеет максимальное значение при x = 113. [29 ]

Пьер Дюсар доказал в 2010 году: [30]

и

Вот некоторые неравенства для n-го простого числа, p n . Верхняя граница принадлежит Россеру (1941), [31] нижняя — Дюсарту (1999): [32]

Левое неравенство справедливо для n ≥ 2 , а правое неравенство справедливо для n ≥ 6 .

Приближение для n- го простого числа равно

Рамануджан [33] доказал, что неравенство

справедливо для всех достаточно больших значений x .

В 2010 году [30] Дюсарт доказал (Предложение 6.6), что для n ≥ 688383 ,

и (Предложение 6.7) что для n ≥ 3 ,

Совсем недавно Дюсарт [34] доказал (теорема 5.1), что при x > 1

и что для x ≥ 88789 ,

Гипотеза Римана

Гипотеза Римана подразумевает гораздо более жесткую границу ошибки в оценке π ( x ) и, следовательно, более регулярное распределение простых чисел,

В частности, [35]

Дудек (2015) доказал, что гипотеза Римана подразумевает, что для всех x ≥ 2 существует простое число p, удовлетворяющее условию

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Бах, Эрик; Шаллит, Джеффри (1996). Алгоритмическая теория чисел . MIT Press. том 1 страница 234 раздел 8.8. ISBN 0-262-02405-5.
  2. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Функция подсчета простых чисел». MathWorld .
  3. ^ ab "Сколько простых чисел там?". Крис К. Колдуэлл. Архивировано из оригинала 2012-10-15 . Получено 2008-12-02 .
  4. ^ Диксон, Леонард Юджин (2005). История теории чисел, т. I: Делимость и первичность . Dover Publications. ISBN 0-486-44232-2.
  5. ^ Айрленд, Кеннет; Розен, Майкл (1998). Классическое введение в современную теорию чисел (второе изд.). Springer. ISBN 0-387-97329-X.
  6. ^ См. также теорему 23 AE Ingham (2000). Распределение простых чисел . Cambridge University Press. ISBN 0-521-39789-8.
  7. ^ Кевин Форд (ноябрь 2002 г.). «Интеграл Виноградова и оценки для дзета-функции Римана» (PDF) . Proc. London Math. Soc . 85 (3): 565–633. arXiv : 1910.08209 . doi :10.1112/S0024611502013655. S2CID  121144007.
  8. ^ Mossinghoff, Michael J.; Trudgian, Timothy S. (2015). «Неотрицательные тригонометрические полиномы и область, свободная от нуля, для дзета-функции Римана». J. Number Theory . 157 : 329–349. arXiv : 1410.3926 . doi : 10.1016/J.JNT.2015.05.010. S2CID  117968965.
  9. ^ Hutama, Daniel (2017). «Реализация явной формулы Римана для рациональных и гауссовых простых чисел в Sage» (PDF) . Institut des sciences mathématiques .
  10. ^ ab Riesel, Hans ; Göhl, Gunnar (1970). "Некоторые вычисления, связанные с формулой простых чисел Римана" (PDF) . Mathematics of Computation . 24 (112). Американское математическое общество: 969–983. doi :10.2307/2004630. ISSN  0025-5718. JSTOR  2004630. MR  0277489.
  11. ^ «Таблицы значений π(x) и π2(x)». Томас Оливейра и Силва . Проверено 31 марта 2024 г.
  12. ^ "Таблица значений π(x)". Ксавье Гурдон, Паскаль Себа, Патрик Демишель . Получено 2008-09-14 .
  13. ^ "Условное вычисление π(1024)". Крис К. Колдуэлл . Получено 2024-03-30 .
  14. ^ Платт, Дэвид Дж. (2012). «Аналитическое вычисление π ( x ) ». arXiv : 1203.5712 [math.NT].
  15. ^ "Сколько простых чисел там?". J. Buethe . Получено 2015-09-01 .
  16. ^ Staple, Douglas (19 августа 2015 г.). Комбинаторный алгоритм вычисления π(x) (диссертация). Университет Далхаузи . Получено 01.09.2015 .
  17. Валиш, Ким (6 сентября 2015 г.). «Новая подтвержденная запись функции подсчета простых чисел π (1027)» . Форум Мерсенна .
  18. ^ Бо, Дэвид (30 августа 2020 г.). «Новая запись функции подсчета простых чисел, pi(10^28)». Форум Мерсенна .
  19. Валиш, Ким (4 марта 2022 г.). «Новая запись функции подсчета простых чисел: PrimePi(10^29)». Форум Мерсенна .
  20. Лемер, Деррик Генри (1 апреля 1958 г.). «О точном числе простых чисел, меньших заданного предела». Illinois J. Math . 3 (3): 381–388 . Получено 1 февраля 2017 г.
  21. ^ Делеглиз, Марк; Риват, Джоэл (январь 1996 г.). «Вычисление π (x): метод Мейселя, Лемера, Лагариаса, Миллера, Одлизко» (PDF) . Математика вычислений . 65 (213): 235–245. дои : 10.1090/S0025-5718-96-00674-6 .
  22. ^ Апостол, Том М. (2010). Введение в аналитическую теорию чисел . Springer.
  23. ^ Титчмарш, EC (1960). Теория функций, 2-е изд . Oxford University Press.
  24. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Функция подсчета простых чисел Римана». MathWorld .
  25. ^ Ризель, Ганс (1994). Простые числа и компьютерные методы факторизации . Прогресс в математике. Т. 126 (2-е изд.). Биркхойзер. С. 50–51. ISBN 0-8176-3743-5.
  26. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Серия Грама». MathWorld .
  27. ^ Борнеманн, Фолькмар. «Решение проблемы, поставленной Йоргом Вальдвогелем» (PDF) .
  28. ^ "Кодирование распределения простых чисел нулями дзета". Мэтью Уоткинс . Получено 14 сентября 2008 г.
  29. ^ Россер, Дж. Баркли ; Шенфельд, Лоуэлл (1962). «Приближенные формулы для некоторых функций простых чисел». Illinois J. Math . 6 : 64–94. doi : 10.1215/ijm/1255631807 . ISSN  0019-2082. Zbl  0122.05001.
  30. ^ ab Dusart, Pierre (2 февраля 2010 г.). «Оценки некоторых функций над простыми числами без RH». arXiv : 1002.0442v1 [math.NT].
  31. ^ Россер, Баркли (1941). «Явные границы для некоторых функций простых чисел». American Journal of Mathematics . 63 (1): 211–232. doi :10.2307/2371291. JSTOR  2371291.
  32. ^ Дюсарт, Пьер (1999). «K-е простое число больше, чем k(ln k + ln ln k − 1) для k ≥ 2». Математика вычислений . 68 (225): 411–415. doi : 10.1090/S0025-5718-99-01037-6 .
  33. ^ Берндт, Брюс С. (2012-12-06). Записные книжки Рамануджана, часть IV. Springer Science & Business Media. стр. 112–113. ISBN 9781461269328.
  34. ^ Дюсарт, Пьер (январь 2018 г.). «Явные оценки некоторых функций над простыми числами». Ramanujan Journal . 45 (1): 225–234. doi :10.1007/s11139-016-9839-4. S2CID  125120533.
  35. ^ Шенфельд, Лоуэлл (1976). «Более точные оценки для функций Чебышева θ ( x ) и ψ ( x ). II». Математика вычислений . 30 (134). Американское математическое общество: 337–360. doi :10.2307/2005976. ISSN  0025-5718. JSTOR  2005976. MR  0457374.

Примечания

  1. ^ Монтгомери показал, что (предполагая гипотезу Римана) по крайней мере две трети всех нулей являются простыми.

Внешние ссылки