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用最簡單的方式解釋黎曼猜想(一),理解素數定理

要想理解黎曼猜想,我們首先要了解質數定理(素數定理)。在數學中,素數定理(PNT)描述了正整數中素數的漸近分布。它通過精确量化質數出現的速率,形成了數越大,質數就越不常見這一直觀觀點。該定理在1896年由雅克·阿達馬等人用黎曼zeta函數( ζ函數)證明。 小于給定數的質數有多少個? 取一個正整數,我以28為例。什麼 數 能整除它?答案是:1、2、4、7、14、28。這些是28的因數(因子)。我們說,28有6個因數。不難得出,每個數都有1和自身作為因數,除1和自身以外的因子叫作真因數,如28的真因數是2、4、7、14。而29沒有真因數。質數就是那些沒有真因數的正整數。 下面是1到1000的質數:

如你所見,總共有168 個 。如果你仔細觀察這個質數列表,你會發現它們出現的頻率越來越低。在1到100之間有25個質數;401到500之間有17個;901到1000隻有14個。在任何由100個整數組成的區間中,質數的數量似乎都在減少。如果我們列出所有小于100萬的質數,你會看到在最後的100個整數中(即從999901到100萬)隻有8個質數。如果繼續擴大到1萬億,那麼最後100整數中隻有4個質數(它們是:999,999,999,937;999,999,999,959;999,999,999,961和 999,999,999,989)。 質數有多少個? 問題自然就出現了,如果繼續下去,最終會不會達到一個點,超過這個點就沒有質數了,那麼就會存在一個最大質數? 歐幾裡得在公元前300年左右找到了這個問題的答案。沒有最大的質數。無論你找到多大的質數,總是能找到更大的質數。有很多方法能證明“質數有無窮多個”,網上都能找到,不在這裡給出。 接下來數學家們自然好奇的是:我們能确定質數的(增長)規律(分布)嗎?小于100的質數有25個,而小于1000的質數是168(而不是250),質數不是均勻分布的,而是越來越“稀薄”。但為什麼是168年?為什麼不是158或178,或其他數字?有沒有一個規則,一個公式,告訴我小于給定整數的質數有多少個?

  • 表1,素數計數函數
像上表這樣的兩列是一種函數的表示。 “函數”是數學中最重要的概念之一。函數的主要思想是,根據某種固定的規則或過程,某個數字(右邊一列中的數字)取決于另一個數字(左邊一列中的數字)。在上表中,規則是:“數到左邊一列的數字為止,共有多少個素數。” 另一種說法是:函數是一種轉化方式(數學家說“映射”),即把一個數字變成另一個數字。上表中的函數将數字1000轉化為數字168——同樣,通過某種确定的規則。 重要的函數都是有名稱的,上表表示的函數是“素數計數函數”,符号為 π (N)。這裡的π是歐拉首先使用的,與圓周率毫無關系。 所以π (N)被定義為到N為止的質數的個數。回到我們的主要問題:是否有一些規則,一些簡潔的公式,可以讓我們計算出π(N)? 下面我們用N/π(N),得到下表:

  • 表2
仔細表2:右邊一列,似乎是一個以7為“公差”的等差數列。這可能不會讓你覺得很奇妙,但當一個數學家看到這樣的表時,他的腦海中就會閃現出一個特别的詞。讓我解釋一下。 有一類函數在數學中非常重要,那就是指數函數。你很可能對他們有所了解。“指數”這個詞已經從數學中“跑到”了日常語言中。我們都希望我們的财富呈指數增長,也就是說,越來越快。

  • 表3,指數函數的一個例子。
表三是一個指數函數,自變量通過“加法”增加,函數值則以“乘法”增加。在衆多指數函數中,數學家最喜歡的一個可能是:

  • 表4
我不能在不涉及微積分的情況下解釋e的重要性,但我的目的是用最簡單的方式來解釋黎曼猜想。因此,我隻能告訴你e是一個非常非常重要的數字,沒有其他 指數 函數能比得上這個函數。 相反的情況呢?假設有這麼一個函數,它的規則是:當參數(自變量)通過乘法增加時,函數值通過加法增加,這是什麼函數呢? 這裡我們已經進入了逆函數的領域。數學家們非常熱衷于求逆——把它們颠倒過來。如果y是8乘以x,x怎麼用y表示?除法是乘法的逆運算。一種叫作“平方”的運算,就是把一個數和自己相乘,它的逆運算是什麼?如果y = x^2,用y表示,x等于多少?它是y的平方根。如果你懂一點微積分,你就會知道有一個過程叫作“微分”,你可以用它來把一個函數f轉換成另一個函數g,它會告訴你f在任意參數下的瞬時變化率。 在與黎曼假設相關的數學中,對數函數無處不在。我在後面的文章詳細介紹。現在,你隻要知道它是一個非常重要的函數,并且如果y = e^x,則x = logy。 我将直接切入正題,向你們展示對數函數。當将函數表示為表格的形式時,我可以選擇參數和小數點的位數。

  • 表5,對數函數
下面的表述似乎是合理的:N / π (N)接近于log N;N越大,越接近。以一般的代數規則表述是:

當然,我還沒有證明這個(結論),我隻是說它是可能的。這是一個非常重要的結論,被稱為“素數定理(the Prime Number Theorem,PNT)”。 最後是PNT的兩個結果,假設它是真的。
  • N是素數的概率是:

  • 第n個素數是:

接下來,我們将繼續深入……

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