Функция распределения простых чисел
В математике функция распределения простых чисел, или пи-функция [math]\displaystyle{ \pi (x) }[/math], — это функция, равная числу простых чисел, меньших либо равных действительному числу x.[1][2] Она обозначается [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math] (это никак не связано с числом пи).
История
Большой интерес в теории чисел представляет скорость роста пи-функции.[3][4] В конце XVIII столетия Гауссом и Лежандром было выдвинуто предположение, что пи-функция оценивается как
- [math]\displaystyle{ \frac{x}{\ln x} }[/math]
в смысле, что
- [math]\displaystyle{ \lim\limits_{x\to +\infty}\frac{\pi(x)}{x/\ln x}=1. }[/math]
Это утверждение — теорема о распределении простых чисел. Оно эквивалентно утверждению
- [math]\displaystyle{ \lim\limits_{x\to +\infty}\frac{\pi(x)}{\operatorname{li}(x)}=1 }[/math]
где [math]\displaystyle{ \operatorname{li} }[/math] — это интегральный логарифм. Теорема о простых числах впервые была доказана в 1896 Жаком Адамаром и независимо Валле-Пуссеном, используя дзета-функцию Римана введенную Риманом в 1859.
Точнее рост [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math] сейчас описывается как
- [math]\displaystyle{ \pi(x) = \operatorname{li}(x) + O\bigl(xe^{-\sqrt{\ln x}/15}\bigr) }[/math]
где [math]\displaystyle{ O }[/math] обозначает O большое. Когда x не сильно велико [math]\displaystyle{ \operatorname{li}(x) }[/math] больше, чем [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math], однако разность [math]\displaystyle{ \pi (x)-\operatorname{li}(x) }[/math] меняет свой знак бесконечное число раз, наименьшее натуральное число, для которого происходит смена знака называется числом Скьюза.
Доказательства теоремы о простых числах, не использующие дзета-функцию или комплексный анализ, были найдены в 1948 году Атле Сельбергом и Паулем Эрдёшом (большей частью независимо).[5]
Таблицы для пи-функции, x / ln x и li(x)
В следующей таблице показан рост функций [math]\displaystyle{ \pi(x),\frac{x}{\ln x},\operatorname{li}(x) }[/math] по степеням 10[3][6][7][8].
x π(x) π(x) − x / ln x li(x) − π(x) x / π(x) π(x)/x (доля простых чисел) 10 4 −0,3 2,2 2,500 40 % 102 25 3,3 5,1 4,000 25 % 103 168 23 10 5,952 16,8 % 104 1 229 143 17 8,137 12,3 % 105 9 592 906 38 10,425 9,59 % 106 78 498 6 116 130 12,740 7,85 % 107 664 579 44 158 339 15,047 6,65 % 108 5 761 455 332 774 754 17,357 5,76 % 109 50 847 534 2 592 592 1 701 19,667 5,08 % 1010 455 052 511 20 758 029 3 104 21,975 4,55 % 1011 4 118 054 813 169 923 159 11 588 24,283 4,12 % 1012 37 607 912 018 1 416 705 193 38 263 26,590 3,76 % 1013 346 065 536 839 11 992 858 452 108 971 28,896 3,46 % 1014 3 204 941 750 802 102 838 308 636 314 890 31,202 3,20 % 1015 29 844 570 422 669 891 604 962 452 1 052 619 33,507 2,98 % 1016 279 238 341 033 925 7 804 289 844 393 3 214 632 35,812 2,79 % 1017 2 623 557 157 654 233 68 883 734 693 281 7 956 589 38,116 2,62 % 1018 24 739 954 287 740 860 612 483 070 893 536 21 949 555 40,420 2,47 % 1019 234 057 667 276 344 607 5 481 624 169 369 960 99 877 775 42,725 2,34 % 1020 2 220 819 602 560 918 840 49 347 193 044 659 701 222 744 644 45,028 2,22 % 1021 21 127 269 486 018 731 928 446 579 871 578 168 707 597 394 254 47,332 2,11 % 1022 201 467 286 689 315 906 290 4 060 704 006 019 620 994 1 932 355 208 49,636 2,01 % 1023 1 925 320 391 606 803 968 923 37 083 513 766 578 631 309 7 250 186 216 51,939 1,92 % 1024 18 435 599 767 349 200 867 866 339 996 354 713 708 049 069 17 146 907 278 54,243 1,84 % 1025 176 846 309 399 143 769 411 680 3 128 516 637 843 038 351 228 55 160 980 939 56,546 1,77 % 1026 1 699 246 750 872 437 141 327 603 28 883 358 936 853 188 823 261 155 891 678 121 58,850 1,70 % 1027 16 352 460 426 841 680 446 427 399 267 479 615 610 131 274 163 365 508 666 658 006 61,153 1,64 %
В OEIS первая колонка значений [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math] — это последовательность A006880, [math]\displaystyle{ \pi(x)-\left\lfloor\frac{x}{\ln x}+0{,}5\right\rfloor }[/math] — это последовательность A057835, а [math]\displaystyle{ \lfloor\operatorname{li}(x)+0{,}5\rfloor-\pi(x) }[/math] — это последовательность A057752.
Алгоритмы вычисления пи-функции
Простой способ найти [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math], если [math]\displaystyle{ x }[/math] не очень велико, — это использование решета Эратосфена выдающего простые, не превосходящие [math]\displaystyle{ x }[/math] и подсчитать их.
Более продуманный способ вычисления [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math] был дан Лежандром: дан [math]\displaystyle{ x }[/math], если [math]\displaystyle{ p_1,p_2,\ldots,p_k }[/math] — различные простые числа, то число целых чисел, не превосходящих [math]\displaystyle{ x }[/math] и не делящихся на все [math]\displaystyle{ p_i }[/math] равно
- [math]\displaystyle{ \lfloor x\rfloor - \sum_{i}\left\lfloor\frac{x}{p_i}\right\rfloor + \sum_{i\lt j}\left\lfloor\frac{x}{p_ip_j}\right\rfloor - \sum_{i\lt j\lt k}\left\lfloor\frac{x}{p_ip_jp_k}\right\rfloor + \cdots }[/math]
(где [math]\displaystyle{ \lfloor\cdots\rfloor }[/math] обозначает целую часть). Следовательно, полученное число равно
- [math]\displaystyle{ \pi(x)-\pi\left(\sqrt{x}\right)+1 }[/math]
если числа [math]\displaystyle{ p_1, p_2,\ldots,p_k }[/math] — это все простые числа, не превосходящие [math]\displaystyle{ \sqrt{x} }[/math].
В 1870—1885 годах в серии статей Эрнст Майссель описал (и использовал) практический комбинаторный способ вычисления [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math]. Пусть [math]\displaystyle{ p_1,p_2,\ldots,p_n }[/math] — первые [math]\displaystyle{ n }[/math] простых, обозначим [math]\displaystyle{ \Phi(m,n) }[/math] число натуральных чисел, не превосходящих [math]\displaystyle{ m }[/math], которые не делятся ни на одно [math]\displaystyle{ p_i }[/math]. Тогда
- [math]\displaystyle{ \Phi(m,n)=\Phi(m,n-1)-\Phi\left(\left[\frac{m}{p_n}\right],n-1\right) }[/math]
Возьмем натуральное [math]\displaystyle{ m }[/math], если [math]\displaystyle{ n=\pi\left(\sqrt[3]{m}\right) }[/math] и если [math]\displaystyle{ \mu=\pi\left(\sqrt{m}\right)-n }[/math], то
- [math]\displaystyle{ \pi(m)=\Phi(m,n)+n(\mu+1)+\frac{\mu^2-\mu}{2}-1-\sum_{k=1}^\mu\pi\left(\frac{m}{p_{n+k}}\right) }[/math]
Используя этот подход, Майссель вычислил [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math] для [math]\displaystyle{ x=5\cdot 10^5;10^6;10^7;10^8 }[/math].
В 1959 году Деррик Генри Лемер расширил и упростил метод Майсселя. Определим, для действительного [math]\displaystyle{ m }[/math] и для натуральных [math]\displaystyle{ n,k }[/math] величину [math]\displaystyle{ P_k(m,n) }[/math] как число чисел, не превосходящих m имеющих ровно k простых множителей, причем все они превосходят [math]\displaystyle{ p_n }[/math]. Кроме того, положим [math]\displaystyle{ P_0(m,n)=1 }[/math]. Тогда
- [math]\displaystyle{ \Phi(m,n)=\sum_{k=0}^{+\infty}P_k(m,n) }[/math]
где сумма явно всегда имеет конечное число ненулевых слагаемых. Пусть [math]\displaystyle{ y }[/math] — целое, такое, что [math]\displaystyle{ \sqrt[3]{m}\leqslant y\leqslant\sqrt{m} }[/math], и положим [math]\displaystyle{ n=\pi(y) }[/math]. Тогда [math]\displaystyle{ P_1(m,n)=\pi(m)-n }[/math] и [math]\displaystyle{ P_k(m,n)=0 }[/math] при [math]\displaystyle{ k\geqslant 3 }[/math]. Следовательно
- [math]\displaystyle{ \pi(m)=\Phi(m,n)+n-1-P_2(m,n) }[/math]
Вычисление [math]\displaystyle{ P_2(m,n) }[/math] может быть получено следующим способом:
- [math]\displaystyle{ P_2(m,n)=\sum_{y\lt p\leqslant\sqrt{m}}\left(\pi\left(\frac mp\right)-\pi(p)+1\right) }[/math]
С другой стороны, вычисление [math]\displaystyle{ \Phi(m,n) }[/math] может быть выполнено с помощью следующих правил:
- [math]\displaystyle{ \Phi(m,0)=\lfloor m\rfloor }[/math]
- [math]\displaystyle{ \Phi(m,b)=\Phi(m,b-1)-\Phi\left(\frac m{p_b},b-1\right) }[/math]
Используя этот метод и IBM 701, Лемер смог вычислить [math]\displaystyle{ \pi\left(10^{10}\right) }[/math].
Дальнейшие усовершенствования этого метода были сделаны Lagarias, Miller, Odlyzko, Deleglise и Rivat.[9]
Китайский математик Hwang Cheng использовал следующие тождества:[10]
- [math]\displaystyle{ e^{(a-1)\Theta}f(x)=f(ax), }[/math]
- [math]\displaystyle{ J(x)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\pi(x^{1/n})}{n} }[/math]
и, полагая [math]\displaystyle{ x=e^t }[/math], выполняя преобразование Лапласа обеих частей и применяя сумму геометрической прогрессии с [math]\displaystyle{ e^{n\Theta} }[/math], получил выражение:
- [math]\displaystyle{ \frac{1}{2{\pi}i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}g(s)t^{s}\,ds = \pi(t) }[/math]
- [math]\displaystyle{ \frac{\ln \zeta(s)}{s}=(1-e^{\Theta(s)})^{-1}g(s) }[/math]
- [math]\displaystyle{ \Theta(s)=s\frac{d}{ds} }[/math]
Другие функции, подсчитывающие простые числа
Другие функции, подсчитывающие простые числа, также используются, поскольку с ними удобнее работать. Одна из них — функция Римана, часто обозначаемая как [math]\displaystyle{ \Pi_0(x) }[/math] или [math]\displaystyle{ J_0(x) }[/math]. Она испытывает прыжок на 1/n для степеней простых [math]\displaystyle{ p^n }[/math], причем в точке прыжка [math]\displaystyle{ x }[/math] её значение равно полусумме значений на обеих сторонах от [math]\displaystyle{ x }[/math]. Эти дополнительные детали нужны для того, чтобы она могла быть определена обратным преобразованием Меллина. Формально, мы определим [math]\displaystyle{ \Pi_0(x) }[/math] как
- [math]\displaystyle{ \Pi_0(x) = \frac12 \bigg(\sum_{p^n \lt x} \frac1n\ + \sum_{p^n \le x} \frac1n\bigg) }[/math]
где p простое.
Мы также можем записать
- [math]\displaystyle{ \Pi_0(x) = \sum\limits_{n=2}^x \frac{\Lambda(n)}{\ln n} - \frac12 \frac{\Lambda(x)}{\ln x} = \sum_{n=1}^\infty \frac1n \pi_0(\sqrt[n]{x}) }[/math]
где [math]\displaystyle{ \Lambda(n) }[/math] — функция Мангольдта и
- [math]\displaystyle{ \pi_0(x) = \lim_{\varepsilon \rightarrow 0}\frac{\pi(x-\varepsilon)+\pi(x+\varepsilon)}2. }[/math]
Формула обращения Мёбиуса дает
- [math]\displaystyle{ \pi_{0}(x) = \sum_{n=1}^\infty \frac{\mu(n)}n \Pi_0(\sqrt[n]{x}) }[/math]
Используя известное соотношение между логарифмом дзета-функции Римана и функцией Мангольдта [math]\displaystyle{ \Lambda }[/math], и используя формулу Перрона мы получим
- [math]\displaystyle{ \ln \zeta(s) = s \int_0^\infty \Pi_0(x) x^{-s-1}\,dx }[/math]
Функция Римана имеет производящую функцию
- [math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty \Pi_0(n)x^n = \sum_{a=2}^\infty \frac{x^{a}}{1-x} - \frac{1}{2}\sum_{a=2}^\infty \sum_{b=2}^\infty \frac{x^{ab}}{1-x} + \frac{1}{3}\sum_{a=2}^\infty \sum_{b=2}^\infty \sum_{c=2}^\infty \frac{x^{abc}}{1 -x} - \frac{1}{4}\sum_{a=2}^\infty \sum_{b=2}^\infty \sum_{c=2}^\infty \sum_{d=2}^\infty \frac{x^{abcd}}{1-x} + \cdots }[/math]
Функции Чебышёва — это функции, подсчитывающие степени простых чисел [math]\displaystyle{ p^n }[/math] с весом [math]\displaystyle{ \ln p }[/math]:
- [math]\displaystyle{ \theta(x)=\sum_{p\leqslant x}\ln p }[/math]
- [math]\displaystyle{ \psi(x) = \sum_{p^n\leqslant x} \ln p = \sum_{n=1}^\infty \theta(\sqrt[n]{x}) = \sum_{n\leqslant x}\Lambda(n). }[/math]
Формулы для функций, подсчитывающих простые числа
Формулы для функций, подсчитывающих простые числа, бывают двух видов: арифметические формулы и аналитические формулы. Аналитические формулы для таких функций были впервые использованы для доказательства теоремы о простых числах. Они происходят от работ Римана и Мангольдта и в общем известны как явные формулы.[11]
Существует следующее выражение для [math]\displaystyle{ \psi }[/math]-функции Чебышёва:
- [math]\displaystyle{ \psi_0(x) = x - \sum_\rho \frac{x^\rho}{\rho} - \ln 2\pi - \frac12 \ln(1-x^{-2}) }[/math]
где
- [math]\displaystyle{ \psi_0(x) = \lim_{\varepsilon \rightarrow 0}\frac{\psi(x-\varepsilon)+\psi(x+\varepsilon)}2. }[/math]
Здесь [math]\displaystyle{ \rho }[/math] пробегает нули дзета-функции в критической полосе, где действительная часть [math]\displaystyle{ \rho }[/math] лежит между нулем и единицей. Формула верна для всех [math]\displaystyle{ x\gt 1 }[/math]. Ряд по корням сходится условно, и может быть взят в порядке абсолютного значения возрастания мнимой части корней. Заметим, что аналогичная сумма по тривиальным корням дает последнее слагаемое в формуле.
Для [math]\displaystyle{ \scriptstyle\Pi_0(x) }[/math] мы имеем следующую сложную формулу
- [math]\displaystyle{ \Pi_0(x) = \operatorname{li}(x) - \sum_{\rho}\operatorname{li}(x^{\rho}) - \ln 2 + \int_x^\infty \frac{dt}{t(t^2-1) \ln t}. }[/math]
Опять же, формула верна для всех [math]\displaystyle{ x\gt 1 }[/math], где [math]\displaystyle{ \rho }[/math] — нетривиальные нули зета-функции, упорядоченные по их абсолютному значению, и, снова, последний интеграл берется со знаком «минус» и является такой же суммой, но по тривиальным нулям. Выражение [math]\displaystyle{ \operatorname{li}(x^{\rho}) }[/math] во втором члене может быть рассмотренно как [math]\displaystyle{ \operatorname{Ei}(\rho\ln x) }[/math], где [math]\displaystyle{ \operatorname{Ei} }[/math] — это аналитическое продолжение интегральной показательной функции на комплексную плоскость с ветвью, вырезанной вдоль прямой [math]\displaystyle{ x\lt 0 }[/math].
Таким образом, формула обращения Мёбиуса дает нам[12]
- [math]\displaystyle{ \pi_{0}(x)=\operatorname{R}(x)-\sum_{\rho}\operatorname{R}(x^{\rho})-\frac{1}{\ln x}+\frac{1}{\pi}\mathop{\mathrm{arctg}} \frac{\pi}{\ln x} }[/math]
верное для [math]\displaystyle{ x\gt 1 }[/math], где
- [math]\displaystyle{ \operatorname{R}(x)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\mu (n)}{n}\operatorname{li}(x^{1/n})=1+\sum_{k=1}^\infty \frac{(\ln x)^k}{k! k \zeta(k+1)} }[/math]
называется R-функцией также в честь Римана.[13] Последний ряд в ней известен как ряд Грама[14] и сходится для всех [math]\displaystyle{ x\gt 0 }[/math].
Сумма по нетривиальным нулям дзета-функции в формуле для [math]\displaystyle{ \pi_0(x) }[/math] описывает флуктуации [math]\displaystyle{ \pi_0(x) }[/math], в то время как остальные слагаемые дают гладкую часть пи-функции,[15] поэтому мы можем использовать
- [math]\displaystyle{ \operatorname{R}(x) - \frac{1}{\ln x} + \frac{1}{\pi}\mathop{\mathrm{arctg}}\frac{\pi}{\ln x} }[/math]
как наилучшее приближение для [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math] для [math]\displaystyle{ x\gt 1 }[/math].
Амплитуда «шумной» части эвристически оценивается как [math]\displaystyle{ \sqrt x/\ln x }[/math], поэтому флуктуации в распределении простых могут быть явно представлены [math]\displaystyle{ \Delta }[/math]-функцией:
- [math]\displaystyle{ \Delta(x) = \left( \pi_0(x) - \operatorname{R}(x) + \frac{1}{\ln x} - \frac{1}{\pi}\mathop{\mathrm{arctg}}\frac{\pi}{\ln x} \right) \frac{\ln x}{\sqrt x}. }[/math]
Обширные таблицы значений [math]\displaystyle{ \Delta(x) }[/math] доступны здесь.[7]
Неравенства
Здесь выписаны некоторые неравенства для [math]\displaystyle{ \pi (x) }[/math].
- [math]\displaystyle{ \frac{x}{\ln x}\lt \pi(x)\lt 1{,}25506\cdot \frac{x}{\ln x} \qquad x \geqslant 17. }[/math]
Левое неравенство выполняется при [math]\displaystyle{ x \geqslant 17 }[/math], а правое — при [math]\displaystyle{ x\gt 1. }[/math][16]
Неравенства для [math]\displaystyle{ n }[/math]-го простого числа [math]\displaystyle{ p_n }[/math]:
- [math]\displaystyle{ n\ln n+n\ln\ln n -3/2\cdot n\lt p_n\lt n\ln n +n\ln\ln n, \ n\geqslant 6. }[/math]
Левое неравенство верно при [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math], а правое — при [math]\displaystyle{ n \geqslant 6 }[/math].
Имеет место следующая асимптотика для [math]\displaystyle{ n }[/math]-го простого числа [math]\displaystyle{ p_n }[/math]:
- [math]\displaystyle{ p_n = n\ln n\left(1+\frac{\ln\ln n-1}{\ln n}+\frac{\ln\ln n-2}{\ln ^2 n}+\frac{-1/2\ln ^2\ln n+3\ln\ln n -11/2}{\ln^3 n}+O\left(\frac{\ln^3\ln n}{\ln^4 n}\right)\right) }[/math]
Гипотеза Римана
Гипотеза Римана эквивалентна более точной границе ошибки приближения [math]\displaystyle{ \pi(x) }[/math] интегральным логарифмом, а отсюда и более регулярному распределению простых чисел
- [math]\displaystyle{ \pi(x) = \operatorname{li}(x) + O(\sqrt{x} \ln x). }[/math]
В частности,[17]
- [math]\displaystyle{ |\pi(x) - \operatorname{li}(x)| \lt \frac{1}{8\pi} \sqrt{x} \, \ln x, \qquad x \geqslant 2657. }[/math]
См. также
Примечания
- ↑ Bach, Eric; Shallit, Jeffrey. Section 8.8 // Algorithmic Number Theory (неопр.). — MIT Press, 1996. — Т. 1. — С. 234. — ISBN 0-262-02405-5.
- ↑ Weisstein, Eric W. Prime Counting Function (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
- ↑ 3,0 3,1 How many primes are there? . Chris K. Caldwell. Дата обращения: 2 декабря 2008. Архивировано 20 сентября 2012 года.
- ↑ Dickson, Leonard Eugene[англ.]. History of the Theory of Numbers I: Divisibility and Primality (англ.). — Dover Publications, 2005. — ISBN 0-486-44232-2.
- ↑ K. Ireland, M. Rosen. A Classical Introduction to Modern Number Theory (англ.). — Second. — Springer, 1998. — ISBN 0-387-97329-X.
- ↑ Tables of values of pi(x) and of pi2(x) . Tomas Oliveira e Silva. Дата обращения: 14 сентября 2008. Архивировано 20 сентября 2012 года.
- ↑ 7,0 7,1 Values of π(x) and Δ(x) for various x's . Andrey V. Kulsha. Дата обращения: 14 сентября 2008. Архивировано 20 сентября 2012 года.
- ↑ A table of values of pi(x) . Xavier Gourdon, Pascal Sebah, Patrick Demichel. Дата обращения: 14 сентября 2008. Архивировано 20 сентября 2012 года.
- ↑ Computing ?(x): The Meissel, Lehmer, Lagarias, Miller, Odlyzko method . Marc Deleglise and Joel Rivat, Mathematics of Computation, vol. 65, number 33, January 1996, pages 235–245. Дата обращения: 14 сентября 2008. Архивировано 20 сентября 2012 года.
- ↑ Hwang H., Cheng. Demarches de la Geometrie et des Nombres de l'Universite du Bordeaux, Prime Magic conference.
- ↑ Titchmarsh, E.C. The Theory of Functions, 2nd ed (англ.). — Oxford University Press, 1960.
- ↑ Riesel, Hans[англ.]; Gohl, Gunnar. Some calculations related to Riemann's prime number formula (англ.) // Mathematics of Computation[англ.] : journal. — American Mathematical Society, 1970. — Vol. 24, no. 112. — P. 969—983. — ISSN 0025-5718. — doi:10.2307/2004630. — .
- ↑ Weisstein, Eric W. Riemann Prime Counting Function (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
- ↑ Weisstein, Eric W. Gram Series (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
- ↑ The encoding of the prime distribution by the zeta zeros . Matthew Watkins. Дата обращения: 14 сентября 2008. Архивировано 20 сентября 2012 года.
- ↑ Rosser, J. Barkley[англ.]; Schoenfeld, Lowell. Approximate formulas for some functions of prime numbers (англ.) // Illinois J. Math. : journal. — 1962. — Vol. 6. — P. 64—94. — ISSN 0019-2082. Архивировано 28 февраля 2019 года.
- ↑ Lowell Schoenfeld. Sharper bounds for the Chebyshev functions θ(x) and ψ(x). II (англ.) // Mathematics of Computation[англ.] : journal. — American Mathematical Society, 1976. — Vol. 30, no. 134. — P. 337—360. — ISSN 0025-5718. — doi:10.2307/2005976. — .
Литература
- К. Прахар. Распределение простых чисел. — Мир, 1967.
- В. И. Зенкин. Распределение простых чисел. Элементарные методы. Калининград, 2008.
Ссылки
- Chris Caldwell, The Nth Prime Page at The Prime Pages.