Разница между двумя последовательными простыми числами
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 ) .
Промежуток между простыми числами — это разница между двумя последовательными простыми числами . Промежуток между n -м простым числом, обозначаемый g n или g ( p n ), — это разница между ( n + 1)-м и n -м простым числом, т.е.
Имеем g 1 = 1, g 2 = g 3 = 2 и g 4 = 4. Последовательность ( g n ) простых промежутков была тщательно изучена; однако многие вопросы и гипотезы остаются без ответа.
По определению g n каждое простое число можно записать как
Простые наблюдения
Первый, наименьший и единственный нечетный простой промежуток — это промежуток размером 1 между 2, единственным четным простым числом, и 3, первым нечетным простым числом. Все остальные простые промежутки четные. Существует только одна пара последовательных промежутков, имеющих длину 2: промежутки g 2 и g 3 между простыми числами 3, 5 и 7.
Для любого целого числа n факториал n ! является произведением всех положительных целых чисел до n включительно . Тогда в последовательности
первый член делится на 2, второй член делится на 3 и т. д. Таким образом, это последовательность из n − 1 последовательных составных целых чисел, и она должна принадлежать промежутку между простыми числами, имеющему длину не менее n . Из этого следует, что существуют промежутки между простыми числами, которые являются произвольно большими, то есть для любого целого числа N существует целое число m с g m ≥ N .
Однако простые промежутки из n чисел могут возникать при числах, намного меньших, чем n !. Например, первый простой промежуток размером больше 14 возникает между простыми числами 523 и 541, в то время как 15! — это гораздо большее число 1307674368000.
Средний разрыв между простыми числами увеличивается как натуральный логарифм этих простых чисел, и, следовательно, отношение разрыва между простыми числами к вовлеченным простым числам уменьшается (и асимптотически равно нулю). Это следствие теоремы о простых числах . С эвристической точки зрения мы ожидаем, что вероятность того, что отношение длины разрыва к натуральному логарифму больше или равно фиксированному положительному числу k, будет равна e − k ; следовательно, отношение может быть сколь угодно большим. Действительно, отношение разрыва к количеству цифр вовлеченных целых чисел увеличивается без ограничений. Это следствие результата Вестзинтиуса. [2]
Обычно отношение называется достоинством зазора g n . Неформально достоинство зазора g n можно рассматривать как отношение размера зазора к средним размерам простых зазоров в окрестности p n .
Самый большой известный простой промежуток с идентифицированными вероятными концами простого промежутка имеет длину 16 045 848 с 385 713-значными вероятными простыми числами и достоинством M = 18,067, найденный Андреасом Хёглундом в марте 2024 года. [3] Самый большой известный простой промежуток с идентифицированными доказанными простыми числами в качестве концов промежутка имеет длину 1 113 106 и достоинством 25,90 с 18 662-значными простыми числами, найденными П. Ками, М. Янсеном и Дж. К. Андерсеном. [4] [5]
По состоянию на сентябрь 2022 года [update], наибольшее известное значение Merity и первое с Merity более 40, обнаруженное сетью Gapcoin, составляет 41,93878373 с 87-значным простым числом 29370323406802259015872376610441946342570907 55574811762098588798217899572888586767672881443227. Разрыв между ним и следующим простым числом составляет 8350. [6] [7]
Отношение Крамера–Шенкса–Гренвиля — это отношение g n / (ln( p n )) 2 . [6] Если отбросить аномально высокие значения отношения для простых чисел 2, 3, 7, то наибольшее известное значение этого отношения равно 0,9206386 для простого числа 1693182318746371. Другие рекордные термины можно найти в OEIS : A111943 .
Мы говорим, что g n является максимальным промежутком , если g m < g n для всех m < n . По состоянию на май 2024 года [update], наибольший известный максимальный простой промежуток имеет длину 1572, найденный Крейгом Лоизидесом. Это 82-й максимальный простой промежуток, и он следует за простым числом 18571673432051830099. [11] Другие рекордные (максимальные) размеры промежутков можно найти в OEIS : A005250 , с соответствующими простыми числами p n в OEIS : A002386 , и значениями n в OEIS : A005669 . Последовательность максимальных промежутков до n-го простого числа предположительно имеет около членов [12] (см. таблицу ниже).
Дальнейшие результаты
Верхние границы
Постулат Бертрана , доказанный в 1852 году , утверждает , что между k и 2k всегда существует простое число , поэтому , в частности, pn +1 < 2pn , что означает gn < pn .
Теорема о простых числах , доказанная в 1896 году, гласит, что средняя длина промежутка между простым числом p и следующим простым числом будет асимптотически приближаться к ln( p ), натуральному логарифму p , для достаточно больших простых чисел. Фактическая длина промежутка может быть намного больше или меньше этой. Однако из теоремы о простых числах можно вывести верхнюю границу длины простых промежутков:
Для каждого существует число такое, что для всех
.
Можно также сделать вывод, что промежутки произвольно уменьшаются пропорционально простым числам: частное
Хохайзель (1930) был первым, кто показал [13] , что существует константа θ < 1 такая, что
Хохайзель получил возможное значение 32999/33000 для θ . Это значение было улучшено до 249/250 Хейльбронном [ 14] и до θ = 3/4 + ε для любого ε > 0 Чудаковым [ 15] .
Значительное улучшение было достигнуто благодаря Ингаму [16], который показал, что для некоторой положительной константы c ,
Непосредственным следствием результата Ингама является то, что всегда существует простое число между n 3 и ( n + 1) 3 , если n достаточно велико. [17] Гипотеза Линделёфа подразумевает, что формула Ингама верна для c любого положительного числа: но даже этого было бы недостаточно, чтобы подразумевать, что существует простое число между n 2 и ( n + 1) 2 для достаточно большого n (см. гипотезу Лежандра ). Чтобы проверить это, нужен более сильный результат, такой как гипотеза Крамера .
Хаксли в 1972 году показал, что можно выбрать θ = 7/12 = 0,58(3). [18]
Результат, полученный Бейкером, Харманом и Пинцем в 2001 году, показывает, что θ можно принять равным 0,525. [19]
Это означает, что существует бесконечно много пробелов, которые не превышают 70 миллионов. [21] Совместные усилия проекта Polymath по оптимизации границы Чжана позволили снизить границу до 4680 20 июля 2013 года. [22] В ноябре 2013 года Джеймс Мейнард представил новое уточнение решета GPY , что позволило ему снизить границу до 600 и показать, что для любого m существует ограниченный интервал с бесконечным числом переводов, каждый из которых содержит m простых чисел. [23] Используя идеи Мейнарда, проект Polymath улучшил границу до 246; [22] [24] предполагая гипотезу Эллиотта–Халберстама и ее обобщенную форму, граница была снижена до 12 и 6 соответственно. [22]
Нижние границы
В 1931 году Эрик Вестзинтиус доказал, что максимальные промежутки между простыми числами растут более чем логарифмически. То есть, [2]
В 1938 году Роберт Рэнкин доказал существование константы c > 0 такой, что неравенство
справедливо для бесконечного числа значений n , улучшая результаты Вестзинтиуса и Пола Эрдёша . Позднее он показал, что можно взять любую константу c < e γ , где γ — константа Эйлера–Маскерони . Значение константы c было улучшено в 1997 году до любого значения, меньшего 2 e γ . [25]
Пол Эрдёш предложил премию в размере 10 000 долларов за доказательство или опровержение того, что константа c в приведенном выше неравенстве может быть взята произвольно большой. [26] Это было доказано в 2014 году Фордом–Грином–Конягиным–Тао и, независимо, Джеймсом Мейнардом. [27] [28]
Результат был улучшен еще больше
для бесконечного числа значений n по Форду–Грину–Конягину–Мейнарду–Тао. [29]
В духе первоначальной премии Эрдёша Теренс Тао предложил 10 000 долларов США за доказательство того, что c может быть взято произвольно большим в этом неравенстве. [30]
Также были определены нижние границы для цепочек простых чисел. [31]
Предположения о пробелах между простыми числами
Еще лучшие результаты возможны при гипотезе Римана . Харальд Крамер доказал [32] , что гипотеза Римана подразумевает, что зазор g n удовлетворяет
используя большую нотацию O. (На самом деле этот результат нуждается только в более слабой гипотезе Линделёфа , если можно допустить бесконечно большую экспоненту. [33] ) Позже он предположил, что промежутки еще меньше. Грубо говоря, гипотеза Крамера утверждает, что
Если эта гипотеза верна, то функция удовлетворяет [34] Это подразумевает сильную форму гипотезы Крамера, но не согласуется с эвристикой Гранвиля и Пинца [35] [36] [37] , которые предполагают, что бесконечно часто для любого , где обозначает постоянную Эйлера–Маскерони .
Между тем, гипотеза Оппермана слабее гипотезы Крамера. Ожидаемый размер разрыва с гипотезой Оппермана составляет порядка
В результате, согласно гипотезе Оппермана, существует (вероятно ), для которого каждое натуральное число удовлетворяет
Гипотеза Андрицы , которая является более слабой, чем гипотеза Оппермана, утверждает, что [38]
Гипотеза Полиньяка утверждает, что каждое положительное четное число k встречается как простой промежуток бесконечно часто. Случай k = 2 — это гипотеза о близнецах простых чисел . Гипотеза пока не доказана и не опровергнута ни для одного конкретного значения k , но улучшения результата Чжана, обсуждаемые выше, доказывают, что она верна по крайней мере для одного (в настоящее время неизвестного) значения k ≤ 246.
Как арифметическая функция
Разрыв g n между n -м и ( n + 1)-м простыми числами является примером арифметической функции . В этом контексте он обычно обозначается d n и называется функцией разности простых чисел. [38] Функция не является ни мультипликативной , ни аддитивной .
^ Арес, Саул; Кастро, Марио (1 февраля 2006 г.). «Скрытая структура в случайности последовательности простых чисел?». Physica A: Статистическая механика и ее приложения . 360 (2): 285–296. arXiv : cond-mat/0310148 . Bibcode :2006PhyA..360..285A. doi :10.1016/j.physa.2005.06.066. S2CID 16678116.
^ ab Westzynthius, E. (1931), «Über die Verteilung der Zahlen die zu den n ersten Primzahlen teilerfremd sind», Commentationes Physico-Mathematicae Helsingsfors (на немецком языке), 5 : 1–37, JFM 57.0186.02, Zbl 0003.24601.
^ ATH (11 марта 2024 г.). "Объявление на Mersenneforum.org". Mersenneforum.org . Архивировано из оригинала 12 марта 2024 г.
^ Андерсен, Йенс Крузе. «Топ-20 Prime Gaps». Архивировано из оригинала 27 декабря 2019 г. Получено 13 июня 2014 г.
^ Андерсен, Йенс Крузе (8 марта 2013 г.). «Мегаразрыв с достоинством 25,9». primerecords.dk . Архивировано из оригинала 25 декабря 2019 г. . Получено 29 сентября 2022 г. .
^ abc Nicely, Thomas R. (2019). "NEW PRIME GAP OF MAXIMUM KNOWN MERIT". Faculty.lynchburg.edu . Архивировано из оригинала 30 апреля 2021 г. . Получено 29 сентября 2022 г. .
^ "Record prime gap info". ntheory.org . Архивировано из оригинала 13 октября 2016 г. Получено 29 сентября 2022 г.
^ Nicely, Thomas R. (2019). "ТАБЛИЦЫ ПЕРВИЧНЫХ ПРОБЕЛОВ". Faculty.lynchburg.edu . Архивировано из оригинала 27 ноября 2020 г. . Получено 29 сентября 2022 г. .
^ "Top 20 general virtues". Prime gap list . Архивировано из оригинала 27 июля 2022 г. Получено 29 сентября 2022 г.
^ Андерсен, Йенс Крузе. "Record prime gaps" . Получено 9 мая 2024 г. .
^ Курбатов, А.; Вольф, М. (2020). «О первых появлениях пробелов между простыми числами в классе остатков». Журнал целочисленных последовательностей . 23 (статья 20.9.3). arXiv : 2002.02115 . MR 4167933. S2CID 211043720. Zbl 1444.11191. Архивировано из оригинала 12 апреля 2021 г. Получено 3 декабря 2020 г.
^ Хохайзель, Г. (1930). «Основная проблема анализа». Sitzunsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin . 33 : 3–11. ЖФМ 56.0172.02.
^ Хайльбронн, HA (1933). «Über den Primzahlsatz von Herrn Hoheisel». Mathematische Zeitschrift . 36 (1): 394–423. дои : 10.1007/BF01188631. ЯФМ 59.0947.01. S2CID 123216472.
^ Чудаков, Н.Г. (1936). «О разнице между двумя соседними простыми числами». Мат. сб . 1 : 799–814. Zbl 0016.15502.
^ Ингхэм, AE (1937). «О различии между последовательными простыми числами». Quarterly Journal of Mathematics . Oxford Series. 8 (1): 255–266. Bibcode : 1937QJMat...8..255I. doi : 10.1093/qmath/os-8.1.255.
^ Чэн, Юань-Ю Фу-Руй (2010). «Явная оценка простых чисел между последовательными кубами». Rocky Mt. J. Math . 40 : 117–153. arXiv : 0810.2113 . doi : 10.1216/rmj-2010-40-1-117. S2CID 15502941. Zbl 1201.11111.
^ Хаксли, МН (1972). «О различии между последовательными простыми числами». Inventiones Mathematicae . 15 (2): 164–170. Bibcode : 1971InMat..15..164H. doi : 10.1007/BF01418933. S2CID 121217000.
^ Бейкер, RC; Харман, G.; Пинц, J. (2001). «Разница между последовательными простыми числами, II». Труды Лондонского математического общества . 83 (3): 532–562. CiteSeerX 10.1.1.360.3671 . doi :10.1112/plms/83.3.532. S2CID 8964027.
^ Голдстон, Дэниел А.; Пинц, Янош; Йылдырым, Джем Ялчин (2010). «Простые числа в кортежах II». Акта Математика . 204 (1): 1–47. arXiv : 0710.2728 . дои : 10.1007/s11511-010-0044-9. S2CID 7993099.
^ Чжан, Итан (2014). «Ограниченные промежутки между простыми числами». Annals of Mathematics . 179 (3): 1121–1174. doi : 10.4007/annals.2014.179.3.7 . MR 3171761.
^ abc "Ограниченные промежутки между простыми числами". Polymath. Архивировано из оригинала 28 февраля 2020 г. Получено 21 июля 2013 г.
^ Мейнард, Джеймс (2015). «Маленькие промежутки между простыми числами». Annals of Mathematics . 181 (1): 383–413. arXiv : 1311.4600 . doi : 10.4007/annals.2015.181.1.7. MR 3272929. S2CID 55175056.
^ DHJ Polymath (2014). «Варианты решета Сельберга и ограниченные интервалы, содержащие много простых чисел». Исследования в области математических наук . 1 (12). arXiv : 1407.4897 . doi : 10.1186/s40687-014-0012-7 . MR 3373710. S2CID 119699189.
^ Pintz, J. (1997). «Очень большие промежутки между последовательными простыми числами». J. Number Theory . 63 (2): 286–301. doi : 10.1006/jnth.1997.2081 .
^ Эрдеш, Пол; Боллобас, Бела; Томасон, Эндрю, ред. (1997). Комбинаторика, геометрия и вероятность: дань уважения Полу Эрдешу. Издательство Кембриджского университета. п. 1. ISBN9780521584722. Архивировано из оригинала 29 сентября 2022 г. . Получено 29 сентября 2022 г. .
^ Форд, Кевин; Грин, Бен; Конягин, Сергей; Тао, Теренс (2016). «Большие промежутки между последовательными простыми числами». Ann. of Math. 183 (3): 935–974. arXiv : 1408.4505 . doi :10.4007/annals.2016.183.3.4. MR 3488740. S2CID 16336889.
^ Мейнард, Джеймс (2016). «Большие промежутки между простыми числами». Ann. of Math. 183 (3): 915–933. arXiv : 1408.5110 . doi :10.4007/annals.2016.183.3.3. MR 3488739. S2CID 119247836.
^ Тао, Теренс (16 декабря 2014 г.). «Длинные промежутки между простыми числами / Что нового». Архивировано из оригинала 9 июня 2019 г. Получено 29 августа 2019 г.
^ Форд, Кевин; Мейнард, Джеймс; Тао, Теренс (13 октября 2015 г.). «Цепочки больших промежутков между простыми числами». arXiv : 1511.04468 [math.NT].
^ Крамер, Харальд (1936). «О порядке величины разности между последовательными простыми числами». Acta Arithmetica . 2 : 23–46. doi : 10.4064/aa-2-1-23-46 .
^ Ингам, Альберт Э. (1937). «О различии между последовательными простыми числами» (PDF) . Quart. J. Math . 8 (1). Oxford: 255–266. Bibcode :1937QJMat...8..255I. doi :10.1093/qmath/os-8.1.255. Архивировано (PDF) из оригинала 5 декабря 2022 г.
^ Синха, Нилотпал Канти (2010). «О новом свойстве простых чисел, которое приводит к обобщению гипотезы Крамера». arXiv : 1010.1399 [math.NT]..
^ Гранвиль, Эндрю (1995). "Харальд Крамер и распределение простых чисел" (PDF) . Scandinavian Actuarial Journal . 1 : 12–28. CiteSeerX 10.1.1.129.6847 . doi :10.1080/03461238.1995.10413946. Архивировано (PDF) из оригинала 23 сентября 2015 г. . Получено 2 марта 2016 г. ..
^ Грэнвилл, Эндрю (1995). «Неожиданные нерегулярности в распределении простых чисел» (PDF) . Труды Международного конгресса математиков . Том 1. стр. 388–399. doi :10.1007/978-3-0348-9078-6_32. ISBN978-3-0348-9897-3. Архивировано (PDF) из оригинала 7 мая 2016 г. . Получено 2 марта 2016 г. ..
^ Пинц, Янош (сентябрь 2007 г.). «Крамер против Крамера: о вероятностной модели Крамера для простых чисел». Functiones et Approximatio Commentarii Mathematici . 37 (2): 232–471. дои : 10.7169/facm/1229619660 .
Soundararajan, Kannan (2007). «Маленькие промежутки между простыми числами: работа Голдстона-Пинца-Йылдырыма». Bull. Am. Math. Soc . New Series. 44 (1): 1–18. arXiv : math/0605696 . doi :10.1090/s0273-0979-06-01142-6. S2CID 119611838. Zbl 1193.11086.
Михайлеску, Преда (июнь 2014 г.). «О некоторых гипотезах в теории аддитивных чисел» (PDF) . EMS Newsletter (92): 13–16. doi :10.4171/NEWS. hdl : 2117/17085 . ISSN 1027-488X.
Внешние ссылки
Томас Р. Найсли, Некоторые результаты вычислительных исследований простых чисел — Вычислительная теория чисел. Этот справочный веб-сайт содержит список всех первых известных вхождений простых промежутков.
Армин Шамс, переосмысливая теорему Чебышева относительно гипотезы Бертрана, не использует «произвольно большую» константу, как в некоторых других сообщенных результатах.
Крис Колдуэлл , Промежутки между простыми числами; элементарное введение
Эндрю Грэнвилл , Простые числа в интервалах ограниченной длины; обзор результатов, полученных до настоящего момента вплоть до работы Джеймса Мейнарда от ноября 2013 года.
Бирке Херен, [1] Здесь вы найдете большие пробелы между простыми числами и статью о том, как вычислить такие большие пробелы.