什么叫素数(这真的是素数的公式!)
文章中我们写出了下面这样一个公式,并说它是第n个素数p(n)的表达式:文章还专门解释了方括号[x]是取整函数,p!表示阶乘,并规定0!=1 。欢乐归欢乐,因为愚人节的关系很少有人注意到我们贴出的公式本身是不是对的 。在这里,我们哆嗒数学网的小编负责人的说,如果只从等式两端是否相等的角度来说,这绝对是如假
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文章中我们写出了下面这样一个公式,并说它是第n个素数p(n)的表达式:
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文章还专门解释了方括号[x]是取整函数,p!表示阶乘,并规定0! = 1 。
欢乐归欢乐,因为愚人节的关系很少有人注意到我们贴出的公式本身是不是对的 。
在这里,我们哆嗒数学网的小编负责人的说,如果只从等式两端是否相等的角度来说,这绝对是如假包换、童叟无欺、“珍珠”都没这么真的素数公式 。整篇文章,也许就这个公式是靠谱的 。
这个公式其实写进了不少数学科普书,要解释它也很容易 。
说来奇怪,按照一般人的标准课程,我们大多数人对数学中数论知识的学习都集中在小学 。到了初中、高中除了一些竞赛需求,几乎不怎么学习数论了 。到了大学,也只有部分专业的同学才学习初等数论 。
初等数论中,有很多有趣的知识,和数数差不多,也就是我们解释这个公式的重点 。
公式有两个“连加号”Σ,也就是我们要解释的重点 。
数素数的π(x)函数
给定一个整数x,我们把不超过x的素数的个数表示为π(x)这个函数 。比如不超过6的素数有2、3、5三个,那么π(6) = 3。不超过11的素数有2、3、5、7、11这5个素数,于是π(11) = 5 。
这样,很容易看出,如果是第n个素数p(n),π(p(n)) = n, 而且x < p(n) 时候π(x) < n(即π(x) ≤ n-1), x ≥ p(n)的时候π(x) ≥ n。
这个时候π(x) 还只是数数游戏的,我们需要表示成一种只有加减乘除的东西 。
利用威尔逊定理把π(x)函数表示出来
学过初等数论的同学们都知道一个叫做威尔逊定理的命题:
p是素数或1,当且仅当 (p-1)!+1是p的倍数 。不止如此,当p是大于4合数的时候(p-1)!还是p的倍数 。
有了这个,我们可以分析分母了那个连加号了 。
我们先看分母上连加号的内部:
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这里,k=1的时候,上面的式子值是1 。
根据威尔逊定理,当k是合数的时候,[(k-1)!/k]是整数,所以方括号可以去掉 。上面式子的值其实是[1/k] 。对于正整数,值是0 。
当k是素数的时候,(k-1)!/k = ((k-1)!+1)/k - 1/k,所以对右边的方括号做一些简单变换,可以得到整个式子是值是1 。
所以当连加号的k从1跑遍j的时候,实际上是一堆1和一堆0的加总 。k是素数或1的时候是1,合数的时候是0 。这些1加起来正好是不超过j的素数的个数加上1,即1+π(j)。
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伯特兰-切比雪夫定理、π(x)和素数公式
我们已经把开头的式子改写了成下面的样子了:
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看看连加号内部根号下的部分,
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这是一个关于j的递减的式子,关键点在j = p(n) 这一处 。当j ≥ p(n)的时候π(j) ≥ n,分子小于了分母,取整后就是零了 。
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