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    关于相邻素数之差的笔记(张益唐及其他)

    木遥发表于 2013-06-06 02:15:21
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    记 \{d_n\} 为第 n+1 个素数和第 n 个素数之差。数列 \{d_n\} 和素数数列一样有很多有趣的性质和猜想。其中最古老的一个是:

    猜想:2 在 \{d_n\} 中出现过无穷次。

    这是孪生素数猜想的另一种表述形式。1849 年,Polignac 把这个猜想推广为:

    猜想:任意偶数都在 \{d_n\} 中出现过无穷次。

    如果记所有在 \{d_n\} 中出现过无穷次的偶数的集合为 S,则上述两则猜想可以分别表述为 S 包含 2 以及 S 包含所有偶数。但长期以来人们甚至不知道 S 是否空集。直到今年张益唐第一次证明了:

    定理:S 不是空集,且其最小值不大于 7\times 10^7。

    事实上,7\times 10^7 这一下界只是个粗略的估计。在张的论文发表后的一个月内,它就已经被迅速改进为 4\times 10^5,下降了一百倍还多。

    Pintz 指出,在张益唐的结论和他所用的工具的基础上,人们实际上可以立刻得到更强的结论:

    定理:存在一个常数 C 使得每 C 个连续偶数中就有一个属于 S。即 S 不但非空,且其在自然数中的密度是正的。

    容易看出,如果 Polignac 的猜想是对的,则意味着 \{d_n\} 是一个震荡非常剧烈的数列,不断交替出现很大的数和很小的数。这令人自然猜想这是否也能归纳为一则定理。事实上,Erdős 和 Turán 在 1948 年确实证明了:

    定理:\{d_n\} 中上升和下降的相邻项都出现过无穷次。

    但这只说明 \{d_n\} 确实在震荡,关于震荡的幅度,Erdős 在 1955 年猜测它会非常大:\{d_{n+1}/d_n\} 的下界趋于 0,上界趋于 \infty。同样是在张益唐的结论和他所用的工具的基础上,Pintz 证明了这个猜想不但是对的,而且很强:

    定理:\{d_{n+1}/d_n\} 的下界趋于 0 的速度快于 \log^{-1}n,上界趋于 \infty 的速度快于 \log n。

    用 Pintz 本人的话说:在刚刚过去的几个月里,一系列十年前会被认为是科幻小说的定理都被证明了。



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