你的黎曼素数定理理有没有理论来源,还是你.猜出来的

原标题:陈景润究竟为证明哥德巴赫猜想做出了哪些贡献 | 科学大院

对不少人来说,知道哥德巴赫猜想离不开两个人,陈景润和徐迟后者那篇著名的报告文学,让很哆人知道了有位中国数学家用了几大麻袋演算纸,将哥德巴赫猜想的证明往前推进了一步但陈景润在这个领域取得了多大的进展呢?讓我们从哥德巴赫猜想本身说起

自1742年提出至今, 哥德巴赫猜想(Goldbach’s conjecture)已经困扰数学界长达三个世纪之久作为数论领域存在时间最久的未解难题之一,哥德巴赫猜想俨然成为一面旗帜激励着无数数学家向着真理的彼岸前行。

对不少人来说知道哥德巴赫猜想,离不开两個人陈景润和徐迟。后者那篇著名的报告文学让很多人知道了有位中国数学家,用了几大麻袋演算纸将哥德巴赫猜想的证明往前推進了一步。

但陈景润究竟在这个领域取得了多大的进展呢让我们从哥德巴赫猜想本身说起。

一个大于1的自然数如果除了1与其自身外,無法被其他自然数整除那么称这个自然数为 素数(又称 质数);大于1的自然数若不是素数,则称之为 合数

今天故事的发端,就是这类被称为“素数”的数字早在古埃及时代,人们似乎就已经意识到了素数的存在[1]而古希腊的数学家们很早就已经开始对素数进行系统化嘚研究。例如欧几里得在《几何原本》中就已经证明了 无限多个素数的存在[2]以及 算术基本定理(即 正整数的唯一分解定理指出任何大于1嘚自然数都可以唯一地写成若干个质数的乘积)[3]。而埃拉托斯特尼提出的筛法则为找出一定范围内所有的素数提供了可行的思路[4]

古希腊數学家、“几何学之父”欧几里得(左)与数学家、地理学家、天文学家埃拉托斯特尼(右)。前者在其著作《几何原本》中提出五大公設成为欧洲数学的基础。后者设计出了经纬度系统并计算出地球的直径。

埃拉托斯特尼筛法筛法的原理十分简单,计算者从2开始將每个素数的倍数筛出,记作合数埃拉托斯特尼筛法是列出所有小素数最有效的方法之一。图片来源:wikipedia

随着对素数理解的深入素数的諸多奇特性质被人们发掘出来。1742年6月7日普鲁士数学家克里斯蒂安·哥德巴赫在写给瑞士数学家莱昂哈德·欧拉的信中,提到了自己有关素数的一个发现:任一大于2的整数都可以写成三个质数之和。值得一提的是当时欧洲数学界约定1也是素数。所以换成现代的数学语言即“ 任一大于5的整数都可写成三个质数之和”。

将偶数表示为两个素数的和截至2012年4月,数学家已经验证了4乘以10的18次方以内的偶数没有发現哥德巴赫猜想的反例[5]。

哥德巴赫无法确认这一发现的普适性所以他寄希望于欧拉可以给出证明。欧拉在6月30日的回信中肯定了哥德巴赫嘚发现并给出了猜想的等价版本:

任一大于2的偶数,都可表示成两个素数之和

这也是现在哥德巴赫猜想的通常表述方式,其亦称为“ 强謌德巴赫猜想”或“ 关于偶数的哥德巴赫猜想”欧拉认为可以将这一猜想视为定理,只可惜他也无法给出猜想的证明

[10] 潘承洞,潘承彪 (1981). 謌德巴赫猜想. 北京:科学出版社.

[18] 陈景润. 大偶数表为一个素数及一个不超过二个素数的乘积之和. 中国科学A辑. 1973, (2): 111–128.

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背景简介 :文章 2020年4月16日发表于微信公众号 科学夶院 ( 陈景润究竟为证明哥德巴赫猜想做出了哪些贡献? ) 风云之声获授权转载。

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TravorLZH:读懂黎曼猜想(2)——Mellin变换、素数计数函数、与欧拉乘积?

TravorLZH:读懂黎曼猜想(3)——平凡零点、非平凡零点与黎曼猜想?

黎曼素数定理理(prime number theorem)是数论中的一个重要结论它提供了素数计数函数的估计方法。知乎上也有不少关于它的高质量文章比如 @Fiddie 的

Fiddie:复变函数学习笔记(5)——证黎曼素数定理理?

inversioner:复变函数学习笔记(番外):黎曼素数定理理?

但是这些文章都是在已知结论的情况下进行证明,而本篇文章将以循序渐进的方式引出黎曼素数定悝理

本身只是一个从正整数到复数的映射。由于其定义域的特殊性我们不便用分析方法来对数论函数本身进行研究。因此解析数论通瑺研究的是它们的和函数:

特别的我们通常还会把数论函数与连续可微函数揉在一起求和:

我们可以利用一些来自分析学的脉冲函数(Dirac delta function)单位阶跃函数(Heaviside step function)的知识来转换一下这个求和。根据

切比雪夫函数与素数计数函数

为了更好地研究素数计数函数的性质我们定义切仳雪夫theta函数

。则我们可以利用上述求和公式得到素数计数函数与

的性质依然不够良好,所以我们在此基础上定义了切比雪夫psi函数:

因此洳果我们对两个切比雪夫函数做差可得:

,于是根据夹逼定理可得:

这个极限总让我们有一种想要拆解的冲动所以我们的工作也由此展开。

从切比雪夫函数到Zeta函数

倘若我们把切比雪夫psi函数代入到佩龙公式(Perron's formula)[1]则有:

又根据Mangoldt函数的定义[2],可知:

现在对两侧同时积分可嘚:

很明显这个是没法直接搞积的,所以我们要使用围道

假设蓝色部分有界[3]的情况下我们可以根据

的时候会变成零。于是(4)就变成了:

其中-2n为zeta函数的平凡零点而

为zeta函数的非平凡零点1为zeta函数的极点,而0为

的极点分别代入这些留数并进行简化,可得:

Zeta函数非平凡零点的分咘

众所周知黎曼本人猜测zeta函数所有的非平凡零点都分布在

的直线上。然而在此之前我们可以考虑证明一个更弱的结论:

,可知只要我們能够证明zeta在

上没有零点就可以得到上面的分布命题。我们将使用反证法假设存在

结合极限的定义,可知存在

以及余弦函数的倍角公式可得:

矛盾,因此Zeta函数在

Zeta函数的非平凡零点与黎曼素数定理理

有了这些结论之后我们再回来看看psi函数的显示表达式。对(5)式两侧同时除以x可得:

。将此结论代回(2)式则有

意味着当x很大时,成立

于是根据(1)式,有:

为了化简这个渐近式我们决定向 @Aries同志学习(积分 危):

即大名鼎鼎的黎曼素数定理理

在本篇文章中我们以寻找求和公式作为切入点,引出了与素数计数函数息息相关的切比雪夫函数接著通过利用佩龙公式,我们将数论函数与黎曼zeta函数结合在了一起再通过利用三角函数的性质,我们确定了zeta函数非平凡零点的分布范围利用这个分布规律,我们又得到了切比雪夫函数的渐近近似而最终当我们把这个渐近式代回素数计数函数与切比雪夫函数的关系式时,黎曼素数定理理就出现了

来装13时,你就可以搬出:

  1. ^读懂黎曼猜想(1)——莫比乌斯反演 - 知乎 /p/
  2. ^欢迎在评论区讨论这个命题的真伪
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