Функция, представляющая количество простых чисел, меньших или равных заданному числу
В этой статье используется техническая математическая нотация для логарифмов. Все случаи log( x ) без индексного основания следует интерпретировать как натуральный логарифм , также обычно записываемый как ln( x ) или log e ( x ) .
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 .
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]
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 i ≤ n . Тогда
Дано натуральное число m , если n = π ( 3 √ m ) 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 3 √ m ≤ y ≤ √ m , 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.
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]
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 Ei — аналитическое продолжение показательной интегральной функции из области отрицательных действительных чисел в комплексную плоскость с разрезом вдоль положительных действительных чисел.
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, как π ( x ) логарифм x/х имеет максимальное значение при x = 113. [29 ]
^ Айрленд, Кеннет; Розен, Майкл (1998). Классическое введение в современную теорию чисел (второе изд.). Springer. ISBN0-387-97329-X.
^ См. также теорему 23 AE Ingham (2000). Распределение простых чисел . Cambridge University Press. ISBN 0-521-39789-8.
^ 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.
^ 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.
^ Hutama, Daniel (2017). «Реализация явной формулы Римана для рациональных и гауссовых простых чисел в Sage» (PDF) . Institut des sciences mathématiques .
^ 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.
^ «Таблицы значений π(x) и π2(x)». Томас Оливейра и Силва . Проверено 31 марта 2024 г.
^ Платт, Дэвид Дж. (2012). «Аналитическое вычисление π ( x ) ». arXiv : 1203.5712 [math.NT].
^ "Сколько простых чисел там?". J. Buethe . Получено 2015-09-01 .
^ Staple, Douglas (19 августа 2015 г.). Комбинаторный алгоритм вычисления π(x) (диссертация). Университет Далхаузи . Получено 01.09.2015 .
↑ Валиш, Ким (6 сентября 2015 г.). «Новая подтвержденная запись функции подсчета простых чисел π (1027)» . Форум Мерсенна .
^ Бо, Дэвид (30 августа 2020 г.). «Новая запись функции подсчета простых чисел, pi(10^28)». Форум Мерсенна .
↑ Валиш, Ким (4 марта 2022 г.). «Новая запись функции подсчета простых чисел: PrimePi(10^29)». Форум Мерсенна .
↑ 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.
^ 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 .
^ Апостол, Том М. (2010). Введение в аналитическую теорию чисел . Springer.
^ Титчмарш, EC (1960). Теория функций, 2-е изд . Oxford University Press.
^ Ризель, Ганс (1994). Простые числа и компьютерные методы факторизации . Прогресс в математике. Т. 126 (2-е изд.). Биркхойзер. С. 50–51. ISBN0-8176-3743-5.
^ "Кодирование распределения простых чисел нулями дзета". Мэтью Уоткинс . Получено 14 сентября 2008 г.
^ 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.
^ ab Dusart, Pierre (2 февраля 2010 г.). «Оценки некоторых функций над простыми числами без RH». arXiv : 1002.0442v1 [math.NT].
^ Россер, Баркли (1941). «Явные границы для некоторых функций простых чисел». American Journal of Mathematics . 63 (1): 211–232. doi :10.2307/2371291. JSTOR 2371291.
^ 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 .
^ Берндт, Брюс С. (2012-12-06). Записные книжки Рамануджана, часть IV. Springer Science & Business Media. стр. 112–113. ISBN9781461269328.
^ 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.
^ 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
^ Монтгомери показал, что (предполагая гипотезу Римана) по крайней мере две трети всех нулей являются простыми.
Внешние ссылки
Крис Колдуэлл, The Nth Prime Page на The Prime Pages .
Томас Оливейра и Силва, Таблицы функций подсчета простых чисел.
Дудек, Адриан В. (2015), «О гипотезе Римана и разнице между простыми числами», Международный журнал теории чисел , 11 (3): 771–778, arXiv : 1402.6417 , Bibcode : 2014arXiv1402.6417D, doi : 10.1142/S1793042115500426, ISSN 1793-0421, S2CID 119321107