Главный разрыв - Prime gap

Главный разрыв Распределение частоты для простых чисел до 1,6 миллиарда. Пики кратны 6.[1]

А основной разрыв разница между двумя последовательными простые числа. В п-й простой пробел, обозначенный граммп или же грамм(пп) - разница между (п + 1) -го ип-е простые числа, т.е.

У нас есть грамм1 = 1, грамм2 = грамм3 = 2 и грамм4 = 4. Значение последовательность (граммп) промежутков между простыми числами широко изучены; однако многие вопросы и домыслы остаются без ответа.

Первые 60 простых промежутков:

1, 2, 2, 4, 2, 4, 2, 4, 6, 2, 6, 4, 2, 4, 6, 6, 2, 6, 4, 2, 6, 4, 6, 8, 4, 2, 4, 2, 4, 14, 4, 6, 2, 10, 2, 6, 6, 4, 6, 6, 2, 10, 2, 4, 2, 12, 12, 4, 2, 4, 6, 2, 10, 6, 6, 6, 2, 6, 4, 2, ... (последовательность A001223 в OEIS ).

По определению граммп каждое простое число можно записать как

Простые наблюдения

Первое, наименьшее и единственное нечетное простое число - это промежуток размера 1 между 2, единственным четным простым числом, и 3, первым нечетным простым числом. Все остальные простые промежутки равны. Есть только одна пара последовательных промежутков длиной 2: промежутки грамм2 и грамм3 между простыми числами 3, 5 и 7.

Для любого целого числа п, то факториал п! это товар всех положительных целых чисел до п. Тогда в последовательности

первый член делится на 2, второй член делится на 3 и так далее. Таким образом, это последовательность п − 1 последовательные составные целые числа, и он должен принадлежать промежутку между простыми числами, имеющими длину не менее п. Отсюда следует, что между простыми числами есть промежутки, которые являются сколь угодно большими, то есть для любого целого числа N, есть целое число м с грамммN.

Однако основные пробелы п числа могут встречаться в числах намного меньших, чем п!. Например, первый пробел между простыми числами 523 и 541, а размер 15! - это значительно большее число 1307674368000.

Средний разрыв между простыми числами увеличивается по мере увеличения натуральный логарифм целого числа, и поэтому отношение промежутка между простыми числами и задействованными целыми числами уменьшается (и асимптотически равно нулю). Это следствие теорема о простых числах. С эвристической точки зрения мы ожидаем, что вероятность того, что отношение длины промежутка к натуральному логарифму больше или равно фиксированному положительному числу. k быть еk; следовательно, отношение может быть сколь угодно большим. Действительно, отношение промежутка к количеству цифр целых чисел неограниченно увеличивается. Это следствие результата Вестзинтиуса.[2]

В обратном направлении гипотеза о простых близнецах утверждает, что граммп = 2 для бесконечного числа целых чисел п.

Численные результаты

Обычно соотношение из граммп / ln (пп) называется цена разрыва граммп . По состоянию на сентябрь 2017 г., самый большой известный разрыв между простыми числами вероятный прайм Разрывные концы имеют длину 6582144, с 216841-значным вероятным простым числом, найденным Мартином Раабом.[3] У этого пробела есть достоинства M = 13,1829. Самый большой известный пробел с идентифицированными проверенными простыми числами в качестве концов пробела имеет длину 1113106 и критерий 25,90, при этом 18662-значные простые числа найдены П. Ками, М. Янсеном и Дж. К. Андерсеном.[4][5]

По состоянию на декабрь 2017 г., самая большая из известных заслуг и первая с заслугой более 40, как было обнаружено Gapcoin сеть составляет 41,93878373 с 87-значным простым числом 293703234068022590158723766104419463425709075574811762098588798217895728858676728143227. Промежуток между ним и следующим простым числом составляет 8350.[6]

Наибольшие известные ценности (по состоянию на октябрь 2020 г.)[6][7][8][9]
ЦенаграммпцифрыппДатаПервооткрыватель
41.938784835087См. Выше2017Gapcoin
39.620154159001753483347771 × 409#/30 − 70162017Дана Якобсен
38.06696018306209650094367 × 491#/2310 − 89362017Дана Якобсен
38.04789335308404100054841 × 953#/210 − 96702020Сет Троизи
37.824126838297512950801 × 229#/5610 − 41382018Дана Якобсен

Отношение Крамера – Шанкса – Гранвилля - это отношение граммп / (ln (пп))2.[6] Если отбросить аномально высокие значения отношения для простых чисел 2, 3, 7, то наибольшее известное значение этого отношения будет 0,9206386 для простого числа 1693182318746371. Другие условия записи можно найти на OEISA111943.

Мы говорим что граммп это максимальный разрыв, если граммм < граммп для всех м < пПо состоянию на август 2018 г. самый большой известный максимальный промежуток между простыми числами имеет длину 1550, найденную Бертилом Найманом. Это 80-й максимальный промежуток, который находится после простого числа 18361375334787046697.[10] Другие рекордные (максимальные) размеры зазора можно найти в OEISA005250, с соответствующими простыми числами пп в OEISA002386, а значения п в OEISA005669.

80 известных максимальных пробелов на простые числа
Число от 1 до 27
#граммпппп
1121
2232
3474
46239
588924
61411330
71852399
820887154
9221,129189
10341,327217
11369,5511,183
124415,6831,831
135219,6092,225
147231,3973,385
1586155,92114,357
1696360,65330,802
17112370,26131,545
18114492,11340,933
191181,349,533103,520
201321,357,201104,071
211482,010,733149,689
221544,652,353325,852
2318017,051,7071,094,421
2421020,831,3231,319,945
2522047,326,6932,850,174
26222122,164,7476,957,876
27234189,695,65910,539,432
Число от 28 до 54
#граммпппп
28248191,912,78310,655,462
29250387,096,13320,684,332
30282436,273,00923,163,298
312881,294,268,49164,955,634
322921,453,168,14172,507,380
333202,300,942,549112,228,683
343363,842,610,773182,837,804
353544,302,407,359203,615,628
3638210,726,904,659486,570,087
3738420,678,048,297910,774,004
3839422,367,084,959981,765,347
3945625,056,082,0871,094,330,259
4046442,652,618,3431,820,471,368
41468127,976,334,6715,217,031,687
42474182,226,896,2397,322,882,472
43486241,160,624,1439,583,057,667
44490297,501,075,79911,723,859,927
45500303,371,455,24111,945,986,786
46514304,599,508,53711,992,433,550
47516416,608,695,82116,202,238,656
48532461,690,510,01117,883,926,781
49534614,487,453,52323,541,455,083
50540738,832,927,92728,106,444,830
515821,346,294,310,74950,070,452,577
525881,408,695,493,60952,302,956,123
536021,968,188,556,46172,178,455,400
546522,614,941,710,59994,906,079,600
Число от 55 до 80
#граммпппп
556747,177,162,611,713251,265,078,335
5671613,829,048,559,701473,258,870,471
5776619,581,334,192,423662,221,289,043
5877842,842,283,925,3511,411,461,642,343
5980490,874,329,411,4932,921,439,731,020
60806171,231,342,420,5215,394,763,455,325
61906218,209,405,436,5436,822,667,965,940
629161,189,459,969,825,48335,315,870,460,455
639241,686,994,940,955,80349,573,167,413,483
641,1321,693,182,318,746,37149,749,629,143,526
651,18443,841,547,845,541,0591,175,661,926,421,598
661,19855,350,776,431,903,2431,475,067,052,906,945
671,22080,873,624,627,234,8492,133,658,100,875,638
681,224203,986,478,517,455,9895,253,374,014,230,870
691,248218,034,721,194,214,2735,605,544,222,945,291
701,272305,405,826,521,087,8697,784,313,111,002,702
711,328352,521,223,451,364,3238,952,449,214,971,382
721,356401,429,925,999,153,70710,160,960,128,667,332
731,370418,032,645,936,712,12710,570,355,884,548,334
741,442804,212,830,686,677,66920,004,097,201,301,079
751,4761,425,172,824,437,699,41134,952,141,021,660,495
761,4885,733,241,593,241,196,731135,962,332,505,694,894
771,5106,787,988,999,657,777,797160,332,893,561,542,066
781,52615,570,628,755,536,096,243360,701,908,268,316,580
791,53017,678,654,157,568,189,057408,333,670,434,942,092
801,55018,361,375,334,787,046,697423,731,791,997,205,041
 

Дальнейшие результаты

Верхняя граница

Постулат Бертрана, доказанный в 1852 году, утверждает, что всегда есть простое число между k и 2k, так в частности пп+1 < 2пп, что значит граммп < пп.

В теорема о простых числах, доказанный в 1896 году, гласит, что средняя длина промежутка между простым числом п и следующее простое число будет асимптотически приближаться к ln (п) для достаточно больших простых чисел. Фактическая длина промежутка может быть намного больше или меньше этой. Однако из теоремы о простых числах можно вывести верхнюю оценку длины промежутков между простыми числами:

Для каждого , есть номер такой, что для всех

.

Можно также сделать вывод, что промежутки становятся сколь угодно меньше пропорционально простым числам: частное

Hoheisel (1930) был первым, кто показал[11] что существует постоянная θ <1 такая, что

таким образом показывая, что

за достаточно большой  п.

Хохейзель получил возможное значение 32999/33000 для θ. Это было улучшено до 249/250 Хайльбронн,[12] и к θ = 3/4 + ε для любого ε> 0 по формуле Чудаков.[13]

Значительное улучшение связано с Ingham,[14] кто показал это для некоторой положительной константы c, если

тогда для любого

Здесь, О относится к нотация большой O, ζ обозначает Дзета-функция Римана и π функция подсчета простых чисел. Зная, что любой c > 1/6 допустима, получается, что θ может быть любым числом больше 5/8.

Непосредственным следствием результата Ингама является то, что всегда есть простое число между п3 и (п + 1)3, если п достаточно большой.[15] В Гипотеза Линделёфа означало бы, что формула Ингама верна для c любое положительное число: но даже этого недостаточно, чтобы подразумевать, что между п2 и (п + 1)2 за п достаточно большой (см. Гипотеза Лежандра ). Чтобы проверить это, более сильный результат, такой как Гипотеза Крамера будет необходимо.

Хаксли в 1972 г. показал, что можно выбрать θ = 7/12 = 0,58 (3).[16]

Результат, благодаря Бейкеру, Харман и Пинц в 2001 г. показывает, что θ можно принять равным 0,525.[17]

В 2005 году, Дэниел Голдстон, Янош Пинц и Джем Йылдырым доказал, что

и 2 года спустя улучшили это[18] к

В 2013, Итан Чжан доказал, что

Это означает, что существует бесконечно много пробелов, не превышающих 70 миллионов.[19] А Polymath Project Совместными усилиями по оптимизации предела Чжана 20 июля 2013 года предел снизился до 4680.[20] В ноябре 2013 г. Джеймс Мэйнард представил новое усовершенствование сита GPY, что позволило ему снизить границу до 600 и показать, что для любого м существует ограниченный интервал с бесконечным числом переводов, каждый из которых содержит м простые числа.[21] Используя идеи Мейнарда, проект Polymath улучшил границу до 246;[20][22] предполагая Гипотеза Эллиотта – Хальберштама и его обобщенная форма, N уменьшено до 12 и 6 соответственно.[20]

Нижние границы

В 1931 году Эрик Вестзинтиус доказал, что максимальные промежутки между простыми числами растут более чем логарифмически. То есть,[2]

В 1938 г. Роберт Рэнкин доказал существование постоянной c > 0 такое, что неравенство

выполняется для бесконечно многих значений п, улучшая результаты Westzynthius и Пол Эрдёш. Позже он показал, что можно взять любую постоянную c < еγ, где γ - Константа Эйлера – Маскерони. Значение постоянной c был улучшен в 1997 году до любого значения менее 2еγ.[23]

Пол Эрдеш предложил приз в размере 10 000 долларов за доказательство или опровержение того, что постоянная c в указанном неравенстве можно взять сколь угодно большим.[24] Правильность этого утверждения была доказана в 2014 г. Форд-Грин-Конягин-Тао и, независимо, Джеймс Мэйнард.[25][26]

Результат был улучшен до

для бесконечного множества значений п Форд – Грин – Конягин – Мейнард – Тао.[27]

В духе оригинального приза Эрдёша, Теренс Тао предложил 10 000 долларов США за доказательство того, что c в этом неравенстве можно взять сколь угодно большим.[28]

Также определены нижние оценки цепочек простых чисел.[29]

Домыслы о промежутках между простыми числами

Функция основного зазора

Еще лучшие результаты возможны под Гипотеза Римана. Харальд Крамер доказано[30] что гипотеза Римана влечет разрыв граммп удовлетворяет

с использованием нотация большой O. (На самом деле для этого результата нужны только более слабые Гипотеза Линделёфа, если вы можете терпеть бесконечно меньшую экспоненту.[31]) Позже он предположил, что зазоры еще меньше. Грубо говоря, Гипотеза Крамера утверждает, что

Гипотеза Фирозбахта утверждает, что (куда это п-е простое число) является строго убывающей функцией от п, т.е.

Если эта гипотеза верна, то функция удовлетворяет [32] Это подразумевает сильную форму гипотезы Крамера, но несовместимо с эвристикой Granville и Пинц[33][34][35] которые предполагают, что бесконечно часто для любого куда обозначает Константа Эйлера – Маскерони.

Тем временем, Гипотеза Оппермана слабее гипотезы Крамера. Ожидаемый размер разрыва с гипотезой Оппермана порядка

В результате по гипотезе Оппермана - существует (наверное ), для которого каждое естественное удовлетворяет

Гипотеза Андрицы, которая является более слабой гипотезой, чем гипотеза Оппермана, утверждает, что[36]

Это небольшое усиление Гипотеза Лежандра что между последовательными квадратными числами всегда стоит штрих.

Гипотеза Полиньяка утверждает, что каждое положительное четное число k возникает как простой разрыв бесконечно часто. Дело k = 2 - это гипотеза о простых близнецах. Гипотеза еще не была доказана или опровергнута для какого-либо конкретного значенияk, но Чжан Итанг результат доказывает, что это верно как минимум для одного (пока неизвестного) значения k что меньше 70 000 000; как обсуждалось выше, эта верхняя граница была улучшена до 246.

Как арифметическая функция

Разрыв граммп между пth и (п +1) -е простое число является примером арифметическая функция. В этом контексте обычно обозначают dп и называется функцией простых разностей.[36] Функция не является ни мультипликативный ни добавка.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Скрытая структура в случайности последовательности простых чисел?», С. Арес и М. Кастро, 2005 г.
  2. ^ а б Вестзинтиус, Э. (1931), "Über die Verteilung der Zahlen die zu den n ersten Primzahlen teilerfremd sind", Commentationes Physico-Mathematicae Helsingsfors (на немецком), 5: 1–37, JFM  57.0186.02, Zbl  0003.24601.
  3. ^ "Домашняя страница Томаса Р. Найсли".
  4. ^ Андерсен, Йенс Крузе. «Топ-20 основных разрывов». Получено 2014-06-13.
  5. ^ Подтвержденный основной зазор 1113106
  6. ^ а б c НОВЫЙ ПРОБЕЛ МАКСИМАЛЬНЫХ ИЗВЕСТНЫХ Заслуг
  7. ^ Статистика динамического разрыва простых чисел
  8. ^ ТАБЛИЦЫ ПРОБЕЛОВ
  9. ^ Проект Prime Gap List
  10. ^ НОВЫЕ МАКСИМАЛЬНЫЕ ПРОБЕЛЫ 1530 И 1550
  11. ^ Хохейзель, Г. (1930). "Primzahlprobleme in der Analysis". Sitzunsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin. 33: 3–11. JFM  56.0172.02.
  12. ^ Хайльбронн, Х.А. (1933). "Über den Primzahlsatz von Herrn Hoheisel". Mathematische Zeitschrift. 36 (1): 394–423. Дои:10.1007 / BF01188631. S2CID  123216472.
  13. ^ Чудаков, Н. Г. (1936). «О разнице двух соседних простых чисел». Мат. Sb. 1: 799–814.
  14. ^ Ингхэм, А. Э. (1937). «О разнице последовательных простых чисел». Ежеквартальный журнал математики. Оксфордская серия. 8 (1): 255–266. Bibcode:1937QJМат ... 8..255I. Дои:10.1093 / qmath / os-8.1.255.
  15. ^ Чэн, Юань-Ю Фу-Жуй (2010). «Явная оценка простых чисел между последовательными кубиками». Rocky Mt. J. Math. 40: 117–153. arXiv:0810.2113. Дои:10.1216 / rmj-2010-40-1-117. S2CID  15502941. Zbl  1201.11111.
  16. ^ Хаксли, М. Н. (1972). «О различии последовательных простых чисел». Inventiones Mathematicae. 15 (2): 164–170. Bibcode:1971InMat..15..164H. Дои:10.1007 / BF01418933. S2CID  121217000.
  17. ^ Baker, R.C .; Harman, G .; Пинц, Дж. (2001). «Разница между последовательными простыми числами, II». Труды Лондонского математического общества. 83 (3): 532–562. Дои:10.1112 / plms / 83.3.532.
  18. ^ Голдстон, Д. А .; Pintz, J .; Йилдирим, С. Ю. (2007). «Простые числа в кортежах II». arXiv:0710.2728 [math.NT ].
  19. ^ Чжан, Итан (2014). «Ограниченные промежутки между простыми числами». Анналы математики. 179 (3): 1121–1174. Дои:10.4007 / летопись.2014.179.3.7. МИСТЕР  3171761.
  20. ^ а б c «Ограниченные промежутки между простыми числами». Polymath. Получено 2013-07-21.
  21. ^ Мэйнард, Джеймс (2015). «Небольшие промежутки между простыми числами». Анналы математики. 181 (1): 383–413. arXiv:1311.4600. Дои:10.4007 / анналы.2015.181.1.7. МИСТЕР  3272929. S2CID  55175056.
  22. ^ D.H.J. Polymath (2014). «Варианты решета Сельберга и ограниченные интервалы, содержащие много простых чисел». Исследования в области математических наук. 1 (12). arXiv:1407.4897. Дои:10.1186 / s40687-014-0012-7. МИСТЕР  3373710. S2CID  119699189.
  23. ^ Пинц, Дж. (1997). «Очень большие промежутки между последовательными простыми числами». J. Теория чисел. 63 (2): 286–301. Дои:10.1006 / jnth.1997.2081.
  24. ^ Эрдеш, Пол; Боллобаш, Бела; Томасон, Эндрю, ред. (1997). Комбинаторика, геометрия и вероятность: дань уважения Паулю Эрдешу. Издательство Кембриджского университета. п. 1. ISBN  9780521584722.
  25. ^ Форд, Кевин; Грин, Бен; Конягин Сергей; Тао, Теренс (2016). «Большие промежутки между последовательными простыми числами». Анна. математики. 183 (3): 935–974. arXiv:1408.4505. Дои:10.4007 / анналы.2016.183.3.4. МИСТЕР  3488740. S2CID  16336889.
  26. ^ Мэйнард, Джеймс (2016). «Большие промежутки между простыми числами». Анна. математики. 183 (3): 915–933. arXiv:1408.5110. Дои:10.4007 / анналы.2016.183.3.3. МИСТЕР  3488739. S2CID  119247836.
  27. ^ Форд, Кевин; Грин, Бен; Конягин Сергей; Мейнард, Джеймс; Тао, Теренс (2018). «Длинные промежутки между простыми числами». J. Amer. Математика. Soc. 31 (1): 65–105. arXiv:1412.5029. Дои:10,1090 / джемы / 876. МИСТЕР  3718451. S2CID  14487001.
  28. ^ «Длинные промежутки между простыми числами / Что нового».
  29. ^ Форд, Кевин; Мейнард, Джеймс; Тао, Теренс (13.10.2015). «Цепочки больших промежутков между простыми числами». arXiv:1511.04468 [math.NT ].
  30. ^ Крамер, Харальд (1936). «По порядку величины разницы между последовательными простыми числами» (PDF). Acta Arithmetica. 2: 23–46. Дои:10.4064 / aa-2-1-23-46. Архивировано из оригинал (PDF) в 2018-07-23. Получено 2016-06-27.
  31. ^ A. E. Ingham, О разнице между последовательными простыми числами, Quart. J. Math. (Оксфорд) 8, стр. 255-266 (1937).
  32. ^ Синха, Нилотпал Канти (2010). «О новом свойстве простых чисел, которое приводит к обобщению гипотезы Крамера». arXiv:1010.1399 [math.NT ]..
  33. ^ Гранвиль, Эндрю (1995). «Харальд Крамер и распределение простых чисел» (PDF). Скандинавский актуарный журнал. 1: 12–28. CiteSeerX  10.1.1.129.6847. Дои:10.1080/03461238.1995.10413946..
  34. ^ Гранвиль, Эндрю (1995). «Неожиданные нарушения в распределении простых чисел» (PDF). Материалы Международного конгресса математиков.. 1: 388–399. Дои:10.1007/978-3-0348-9078-6_32. ISBN  978-3-0348-9897-3..
  35. ^ Пинц, Янош (Сентябрь 2007 г.). «Крамер против Крамера: вероятностная модель Крамера для простых чисел». Функции и приблизительные математические комментарии. 37 (2): 232–471. Дои:10.7169 / facm / 1229619660.
  36. ^ а б Парень (2004) §A8

дальнейшее чтение

внешняя ссылка