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趣谈素数

马国梁 (emgl@sohu.com) 上传2009.05.05 访问171

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所有的正整数(1、2、3 ……)又叫自然数,它是一个庞大的家族。它的成员个数是一级无穷多。

所有的正整数按照它能否被2整除可分为奇数和偶数。凡能够被2整除的整数叫做偶数,如2、4、6 …… ;凡不能被2整除的整数叫做奇数,如1、3、5 …… 。奇数和偶数各占一半。

所有的正整数按照它能否被其它整数整除又可分为素数和合数。其中能够被其它整数(1除外)整除的整数叫做合数,如4、6、8、9 …… ;而不能被其它整数整除、只能被1和自身整除的整数则叫做素数,又叫质数。如1、2、3、5、7 …… 。其中1是最小的奇素数;2是最小的偶素数。

在所有的正整数中,绝大多数是合数,只有少量的是素数。在数轴上,素数点是零散分布的。如果用所有的合数排成一堵墙,那么素数就象上面稀稀拉拉的缺口。

所有的偶数可以用所有的奇数乘以2而得到。那么所有的奇数能否用奇数相乘的办法全部得到呢?当然不能!因为所有奇数相乘的结果并不能遍历所有的奇数,漏洞总是存在的。总有一部分奇数,用其它奇数怎么乘也得不出来。这部分奇数就是素数。

可见,所有的偶数都是合数;而在奇数中,则是绝大多数为合数,只有少量的是素数。

而素数相加的构成能力则很强。按照哥德巴赫猜想,任何一个不小于6的偶数都可以表示成两奇素数之和。任何一个不小于9的奇数都可以表示成三个奇素数之和。至于小于6的偶数则情况比较特殊。如:

4 = 1 + 3 = 2 + 2

2 = 1 + 1

含有1 ,有许多学者认为1不能算素数;另还含有偶素数2 。所以真正最小的奇素数应该是3 。这样以来,可分解为两奇素数之和的最小偶数只能是6 ,可分解为三个奇素数之和的最小奇数只能是9 .

随着数字的增大,素数在数轴上的分布是越来越希虽然它的出现没有严格的规律可循,但却有确定的统计规律。最近笔者在前人的基础上,推出一个最为接近的分布密度公式:

η =(1–1/sqrt(2t))/ln(t)

利用这个公式我们可以算出一段区间内素数的个数。公式为

n =∫ηdt = ∫[(1–1/sqrt(2t))/ln(t)] dt

t的积分区间是 2 ~ x

设 t = exp(u) 将之代入并积分我们可以算出u从ln2 lnx之内的素数个数。如当x 等于1千兆时,我们可算得其内所拥有的素数个数是50847430 ,仅比准确数少104个。误差为 -0.0002045% .

密度公式的用途很多。利用这个公式,我们还能算出后继素数的距离为

1/η = ln(t)/(1–1/sqrt(2t))

从而得出后继素数的推算公式为

Pi+1 = Pi + ln(Pi)/[1–1/sqrt(2Pi)] 其中 P1 = 2

= P1 + ∑ln(Pi)/[1–1/sqrt(2Pi)] i = 1 ~ n

当然后继素数的真实值只能是在其左右。如下所示.

计算值 2 3 5 8 11 14 17 20 24 27 31 35 39 43 48 52 56 61 65 70 74 79

真实值 2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 69 61 67 71 73 79

关于哥德巴赫猜想迄今为止还没有严格的证明,但我们可以根据它发生的概率推算出它可能成立的组数。这也从一定程度上证明了该猜想的成立。积分公式如下.

n =∫η1η2 dt

=∫[(1–1/sqrt(2t))(1–1/sqrt(4x - 2t))/ ln(t)ln(2x–t)]dt

t的积分区间是 2 ~ x

如当2x = 200时 可以算得 n = 4.6组 实际上为8组.

新华网论坛上的斯露化雨先生曾给我一个很大的偶数:

2x = 321654789546228,他叫我求出这个偶数可表为两个素数之和的组数。

我设 t = exp(u)

这样u的积分区间就成了从ln2到 ln(321654789546228/2)

将之代入并积分可求得符合要求的素数组数为153415000000 ;而斯露化雨则算得“可表为两个素数之和的个数是853206600000,其精度在0.999以上”。悬殊很大,但不知我们俩到底谁错了!

利用素数密度公式,我们还能推算“孪生素数”的组数。公式为

n =∫[(1–1/sqrt(2t))(1–1/sqrt(2t+4))/ ln(t)ln(t+2)]dt

t的积分区间是 2 ~ x

如当x = 200 时 可算得 n = 9.6对 实际上为 15对.

设 t = exp(u)

这样u的积分区间就成了从ln2到 lnx

将之代入并积分可求得从ln2到ln(321654789546228) 范围内“孪生素数”的对数为307288000000 ;而斯露化雨则算得“孪生素数的对数约为403576400000个”。不知他究竟是怎么算的!

对于一个没有规律、我们力不能及的问题,从另外一个角度窥探一番倒也是别有洞天。感觉非常有趣、有效。

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