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这是当代高斯王晓明发表的文章:
孪生素数普遍公式
有定理:若自然数Q与Q+2不能被不大于根号(Q+2)的任何素数整除,则Q与Q+2是一对素数,称为孪生素数。这句话可以用公式表达: Q=p1m1+b1=p2m2+b2=.....=pkmk+bk 。(1) 例如Q=41=2m+1=3m+2=5m+1。 其中p1,p2,....,pk 表示顺序素数2,3,5,7,......。b≠0,和b≠pi-2。 若Q〈P(K+1)的平方减2,[注:p后面的1,2,3,.....,k,k+1是脚标,凡是字母后面的 数字和字母i,k 都是脚标] ,则Q与Q+2是一对孪生素数。 即最小剩余不能是0和pi-2.,例如Q不能是2m,3m+1,5m+3,7m+5,....,pimi-2。否则Q+2是合数。 (1)式可以用同余式组表示: Q≡b1(modp1),Q≡b2(modp2), .........,Q≡bk(modpk)。 (2) 例如,41≡1(mod2),41≡2(mod3),41≡1(mod5)。41<41+2)的平方减2.,所以41与41+2是一对孪生素数。 下面平方用“*”表示,即:㎡=m*.。 由于(2)式的模p1,p2,....,pk 两两互素,根据孙子定理(中国剩余定理)得知,对于给定的b值,(2)式在p1p2...pk范围内有唯一解。 仅从(1)式看不出什么素数的规律,一旦转入同余式后,整个线路就清晰起来,因为在孙子定理的照耀下,我们知道b≠0,即是在p1p2p3...pk范围内筛去 p1m+0,p2m+0,p3m+0,...,pkm+0形的数,筛k次。b≠pi-2即是从p1p2p3...pk范围内筛去p1m-2,p2m-2,p3m-2,...,pkm-2形的数,筛k次。共2k次。 得知(1)(2)式在p1p2...pk范围内有: (2-1)×(3-2)×(5-2)×....×(pk-2) 。(3) 个解。 孪生素数普遍公式的出处
例题
例如 k=1时,Q=2m+1,解得Q=3和5。知道3与3+2,5与5+2,是两对孪生素数。 求得了(3,3*)区间的全部孪生素数。 例如 k=2 时,Q=2m+1=3m+2 解得Q=5,11,17。17<5*-2,知道了5与5+2,11与11+2,17与17+2是3对孪生素数。 求得了(5,5*)区间的全部孪生素数。, 例如k=3时, ----------------------| 5m+1,| 5m+2,| 5m=4 | Q=2m+1=3m+2= |-11,41-|---17---|---29--|。 求得了(7,7*)区间的全部孪生素数。 k=4时,解得: ------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------|-7m+1-|-7m+2-|-7m+3-|-7m+4-|7m+6-| ------------------------------|---------|---------|---------|----------|--------- Q=2m+1=3m+2=5m+1=|--71----|-191---|--101---|--11----|--41--| ------------------------------|---------|---------|----------|---------|-------|- Q=2m+1=3m+2=5m+2=|--197--|--107---|--17----|--137--|--167-| ------------------------------|---------|---------|----------|---------|-------|- Q=2m+1=3m+2=5m+4=|---29---|--149---|--59----|--179--|--209-| ------------------------------------------------------------------------------- 求得了(11,11*)区间的全部孪生素数(8个小于121-2,即11*-2的解。) 即11,17,29,41,59,71,101,107这8个Q值与Q+2是孪生素数对。 仿此下去可以求得全部给定范围内的全部素数。 并且一个不漏地求得。 根据孙子定理得知,(1)(2)式在p1p2p3...pk范围内有(2-1)×(3-2)×(5-2)×....×(pk-2)个解。(p后面的1,2,3,...,k是脚标)。 例如K=3时在2x3x5=30内有(2-1)x(3-2)x(5-2)=3 个解。 孪生素数的筛法就是在埃拉托塞尼的筛后再筛去pm-2型的数。 下面的表格是50以内的数,我们用√50以下的素数2,3,5,7去筛,把2,3,5,7的倍数用圆括号“()”圈起来,完成以后,再用“<>”把已经圈起来的数减2用<>圈起来。剩下的没有被圈起来的就是孪生素数Q与Q+2中的Q了。 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| -----1-----|---<2>---|-----3-----|----(4)----|-----5-----|----(6)----|----<7>---|----(8)----|----(9)----|---(10)---| -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| -----11---|--(12)-|---<13>--|--(14)-|-(15)--|-(16)--|-----17---|--(18)--|--<19>--|---(20--| -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| ---(21)---|----(22)---|--<23>---|-(24)--|-(25)--|-(26)--|-(27)-|---(28)-|---29---|--(30)-| -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| --<31>---|--(32)----|---(33)----|---(34)---|----(35)---|---(36)--|--<37>--|---(38)-----|---(39)--|---(40)---| -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| ----41----|----(42)--|--<43>----|---(44)---|---(45)----|--(46)-|--<47>--|---(48)---|-(49)-|--(50)-| --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| 现在剩下除了1以外还有3,5,11,17,29,41一共有6个Q,就是这6个Q与Q+2都是孪生素数。 (方法由俄亥俄卫斯里大学王蕊珂提供)筛法与公式是等价的。 在k≥4时,人类已经不需要依赖埃拉托赛尼筛法求得素数,而是只要往表格里填写素数,速度比埃氏筛要快的多。例如,上表,只需把右下角的2x3x5x7=210 再减1,得到209,其他只要填写就可以了。
关于孪生素数猜想
孪生 素数猜想就是要证明K值任意大时(1)式(2)式都有小于p*k-2的解。有了这个孪生素数普遍公式,证明孪生素数问题就像做一道中学数学题一样容易。 这是希尔伯特说的。事实上也是这样。例如, 假设最后一对孪生素数是137与139,那么对于下式: Q=2m+b1=3m+b2=5m+b3=....=131m+b32=137m+b33=139m+b34. (4) 来说,就没有小于149*-2的解。(139是第34个素数)。b≠0,pi-2。若Q〈149-2,则Q与Q+2是一对孪生素数。(4)式可用同于式组表示: Q≡1(mod2),Q≡2(mod3),...,Q≡b(mod137),Q≡b(mod139)。(5) (4)式是说,Q与(Q+2)大于2,3,5,.......,137,139。并且与2,3,5,.....,137,139互素。如果Q小于149*-2,则Q与Q+2是一对孪生素数。 可以分为几个步骤证明: [1]:我们将2×3×5×7×....×131×137×139按137×139为一个区间: [1,137×139],[137×139+1,2×137×139],...,,[2×3×5...137×139-137×139+1,2×3×5×....×137×139]。 共有2×3×5×....×131个区间。因为(4)(5)式的本质是从2×3×5×...×131×137×139范围内筛去 2m,3m,5m,...,131m,137m,139m形的数(筛34次,因为139是第34个素数)和3m-2,5m-2,....,131m-2,137m-2,139m-2形的数(筛34次)共68次。 [2]:我们只要证明:如果第一区间[1,137×139]无解,即149平方减2内无解,(因为137×139〈149平方减2),[也就是(4)(5)式在p*k内无解]。其它区间解的数目就不会超过2k个(此时k=34,139是第34个素数)。(见下面的“引理”)。 [3]:[(2×3×5×…×127×131)×2×34]<[(2-1)×(3-2)×(5-2)×…×(137-2)×(139-2)]。 一一对应:右式在上,左式在下.。左式左端的“2”移到右端,与2×34形成(2×2×34)。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| [(2-1)×(3-2)×(5-2)|(7-2)|(11-2)|(13-2)|(17-2)|(19-2)|(23-2)|(29-2)|.........|(137-2)|(139-2)] ---------------------------------|-------|--------|-------|--------|--------|--------|-------|--------|-------------|-------------| [--------------------------3-----|---5--|----7--|--11--|--13---|--17---|--19---|--23--|.........|----131----|(2×2×34)| ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| 即(5-2)对应3,(7-2)对5,。。。,(137-2)对应131,(139-2)对应(2×2×34)。 由于右式比左式多2项,所以造成了: [4]:每一项都是上端大于下端或者等于下端。造成了我们假设的解(下端)数目少于上端固有的解的数目(2-1)×(3-2)×(5-2)×....×(131-2)×(137-2)×(139-2),而上端解的数目是根据孙子定理得出的,与孙子定理相矛盾必然是错误的。这就是利用抽屉原则 ,(2-1)x(3-2)x(5-2)x.....x(137-2)x(139-2)好比抽屉,2x3x5x...x127x131x(2x2x34)好比信封,信封少于抽屉,至少有抽屉没有装信封。 是不是所有的pk都大于4k呢,,高斯的素数定理已经告诉我们:X/π(X)>lnX. 例如: 第169个素数是1009,1009/169=5.9>4; 第1230个素数是10007,10007/1230=8.13>4; 第50847534个素数是100,000,003,1,000,000,003/50847534=19.6>4;. 当然,第[3]点不等式中,左式左端的“2”也可以不移到右端。使(139-2)对应2×34。因为下面的分式: (2-1)x(3-2)x(5-2)x(7-2)x(11-2)x(13-2)x(17-2)x(19-2)x(23-2)x(29-2)x(31-2)x(37-2) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=1.0866 *****************************************2x3x5x7x11x13x17x19x23x29x31 变成了: ----------------------------------------------------------------------------| [---1.0866--|--(41-2)--|--(43-2)--|..........|--(137-2)--|--(139-2)--| --------------|------------|------------|--------|-------------|--------------| [------1------|----37----|-----41----|..........|-----131----|--(2x34)---| ----------------------------------------------------------------------------|。 从k≥5起,所有的pk>2k。这很容易证明。因为p5=11>10=2x5.。k值每增加1,不等式左端至少增加2,右端仅增加2。 这个方法优越性十分明确,可以避免循环论证,每一步与前面一步都有着十分清晰而明确的关系。并且可以直接倒回原来的定理; 引理: “任何两个含连续自然数个数相等的区间,筛K次后被筛数(或者未被筛数)相差不超过K个”。 说明:本筛法与埃拉托赛尼筛法不同,埃氏筛先用2筛,然后把2的倍数剔除掉;再用3筛,又把3的倍数剔除掉;再用5筛,.....。本筛法是已经筛过的数不马上剔除掉,而是做上标记,等全部筛完过后再把筛过的数剔除掉。于是,有一些含有几个不同素因子的数就要被筛几遍,例如“6 ”,就要被“2,”和“3,”各筛一遍。 证明:根据除法算式定理:“给定正整数a和b,b不等于0,存在唯一整数a和r,(0≤r |
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