素数計算関数

最初の60個の正の整数に対するπ ( n )の値

数学において、素数計算関数(すいぞうけいかん、英: prime-counting function)は、ある実数x以下の素数の個数を数える関数である。[1] [2]これはπ ( x )と表記される( πとは無関係)。

時々見られる対称的な変形としてπ 0 ( x )があり、これはx が素数の場合π ( x ) − 12に等しく、そうでない場合はπ ( x )に等しい。つまり、 xより小さい素数の個数に、 x が素数の場合、その半分を加えた数である。

成長率

数論で大きな関心を集めているのは、素数関数の成長率である。 [3] [4] 18 世紀末にガウスルジャンドルは、およそ であると予想した。ここでlog自然対数、つまり という意味で ある。このステートメントは素数定理である。同等のステートメントは である。ここでliは対数積分関数である。素数定理は、 1859 年にリーマンが導入したリーマンゼータ関数の特性を使用して、 1896 年にジャック・アダマールとシャルル・ド・ラ・ヴァレー・プーサンによって独立に初めて証明された。ゼータ関数や複素解析を使用しない素数定理の証明は、 1948 年頃にアトレ・セルバーグとポール・エルデシュによって(ほとんど独立に)発見された。 [5]

より正確な推定

1899年、ドゥ・ラ・ヴァレー・プーッサンは、ある正の定数aに対して[6]が成り立つことを証明した。ここで、O (...)は大きなO表記である

π ( x )のより正確な推定値も現在では知られている。例えば、2002年にケビン・フォードは[7]を証明した。

モッシングホフとトルッジアンはπ ( x )li( x )の差の明確な上限を証明した[8]

xの値が不当に大きくない場合、li( x )はπ ( x )よりも大きくなります。しかし、π ( x ) − li( x )は無限回符号が変化することが知られています。この点に関する議論は、Skewes の数を参照してください。

正確な形式

x > 1の場合、 π 0 ( x ) = π ( x ) − ⁠とする1/2 xが素数の場合にはπ 0 ( x ) = π ( x ) となり、そうでない場合には π 0 ( x ) = π ( x )となる。ベルンハルト・リーマンは著書『ある大きさより小さい素数の個数について』の中で、 π 0 ( x )が[9]と等しい

ゼータ関数の最初の200個の非自明な零点を用いたリーマンの明示的な公式

ここで、 μ ( n )メビウス関数li( x )対数積分関数ρ はリーマンゼータ関数のすべての零点の添え字、li( x ρ/n )分岐カットで評価されず、代わりにEi(ρ/n log x )で表され、Ei( x )は指数積分である。自明な零点を集め、リーマンゼータ関数の非自明な零点ρについてのみ和をとると、 π 0 ( x )は[10]で近似できる。

リーマン予想によれば、そのような非自明な零点はすべてRe( s ) = ⁠に沿って存在する。1/2

表のπ ( x )×/対数x 、 そしてli( x )

表は、3つの関数π ( x )×/対数x li( x )を10のべき乗で比較する。 [3] [11] [ 12]も参照。

×π ( x )π ( x ) − ×/対数xli( x ) − π ( x )×/π ( x )×/対数x
 % エラー
104022.500−8.57%
10 225354.000+13.14%
10 316823105.952+13.83%
10 41,229143178.137+11.66%
10 59,5929063810.425+9.45%
10 678,4986,11613012.739+7.79%
10 7664,57944,15833915.047+6.64%
10 85,761,455332,77475417.357+5.78%
10 950,847,5342,592,5921,70119.667+5.10%
10 104億5,505万2,51120,758,0293,10421.975+4.56%
10 114,118,054,8131億6992万315911,58824.283+4.13%
10 1237,607,912,0181,416,705,19338,26326.590+3.77%
10 13346,065,536,83911,992,858,452108,97128.896+3.47%
10 143,204,941,750,802102,838,308,636314,89031.202+3.21%
10 1529,844,570,422,669891,604,962,4521,052,61933.507+2.99%
10 16279,238,341,033,9257,804,289,844,3933,214,63235.812+2.79%
10 172,623,557,157,654,23368,883,734,693,9287,956,58938.116+2.63%
10 1824,739,954,287,740,860612,483,070,893,53621,949,55540.420+2.48%
10 19234,057,667,276,344,6075,481,624,169,369,96199,877,77542.725+2.34%
10 202,220,819,602,560,918,84049,347,193,044,659,7022億2274万464445.028+2.22%
10 2121,127,269,486,018,731,928446,579,871,578,168,707597,394,25447.332+2.11%
10 22201,467,286,689,315,906,2904,060,704,006,019,620,9941,932,355,20849.636+2.02%
10 231,925,320,391,606,803,968,92337,083,513,766,578,631,3097,250,186,21651.939+1.93%
10 2418,435,599,767,349,200,867,866339,996,354,713,708,049,06917,146,907,27854.243+1.84%
10 25176,846,309,399,143,769,411,6803,128,516,637,843,038,351,22855,160,980,93956.546+1.77%
10 261,699,246,750,872,437,141,327,60328,883,358,936,853,188,823,261155,891,678,12158.850+1.70%
10 2716,352,460,426,841,680,446,427,399267,479,615,610,131,274,163,365508,666,658,00661.153+1.64%
10 28157,589,269,275,973,410,412,739,5982,484,097,167,669,186,251,622,1271,427,745,660,37463.456+1.58%
10 291,520,698,109,714,272,166,094,258,06323,130,930,737,541,725,917,951,4464,551,193,622,46465.759+1.52%
素数関数π ( x )とその近似値の2つに対する比を示すグラフ、×/対数xLi( x ) 。xが増加すると x軸は対数であることに注意)、両方の比率は 1 に近づきます。⁠の比率は×/対数x⁠ は上から非常にゆっくりと収束しますが、 Li( x )の比率は下からより速く収束します。

オンライン整数列百科事典ではπ ( x )列はOEIS : A006880π ( x ) − の列である。 ×/対数xはシーケンスOEIS :A057835であり、 li( x ) −π ( x )はシーケンスOEIS :A057752です。

π (10 24 )の値はもともと、リーマン予想を仮定してJ. Buethe、J. Franke、A. Jost、T. Kleinjungによって計算されました[13]その後、DJ Platt による計算で無条件に検証されました。[14] π (10 25 )の値も同じ 4 人の著者によって計算されました。[15] π (10 26 ) の値はDB Staple によって計算されました。[16]この表のその他の以前の項目もすべて、その作業の一部として検証されました。

1027、1028、1029値は、それぞれ2015年、 [17]、2020年、[18]、2022年、[19]David BaughとKim Walischによって発表されました

評価アルゴリズムπ ( x )

π ( x )を見つける簡単な方法はxが大きすぎない場合に、エラトステネスのふるいを使用してx以下の素数を生成し、それらを数えることです。

π ( x )を求めるより複雑な方法は、ルジャンドルによるものです包含排他原理を使用)。xが与えられ、p 1p 2、…、p n が異なる素数である場合、 x以下の整数でどのp iでも割り切れない整数の数

(ここでx ⌋は床関数を表す)。したがって、この数は

p 1p 2、…、p nがx平方根以下の素数である場合

マイセル・レーマーアルゴリズム

1870年から1885年にかけて発表された一連の論文の中で、エルンスト・マイセルはπ ( x )を評価する実用的な組み合わせ論的方法を記述(および使用)した。p 1 p 2、…、p nを最初n個の素数とし、任意のinに対してp iのいずれにも割り切れないm以下の自然数の個数をΦ( mn )で表す。すると、

自然数mが与えられ、n = π ( 3m )かつμ = π ( m ) − nとすると

このアプローチを使用して、マイセルはπ ( x )を計算しました。x次のようになります。5 × 10 5、 10 6、 10 7、および 10 8

1959年、デリック・ヘンリー・レーマーはマイセルの方法を拡張し、簡略化した。実数mと自然数nおよびkに対して、P k ( m , n )を、 m以下でp nより大きいk個の素因数を持つ数の個数と定義する。さらに、P 0 ( m , n ) = 1とおく。すると、

ここで、和は実際には有限個の非零項しか持たない。yを 3mymを満たす整数としn = π ( y )とおく。すると、 k ≥ 3のとき、 P 1 ( m , n ) = π ( m ) − nとなり、P k ( m , n ) = 0 となる。したがって、

P 2 ( m , n )の計算は次のようにして得られる。

ここで、合計は素数になります。

一方、Φ( m , n )の計算は次の規則に従って行うことができます。

レーマーはIBM 701を使ってπ(10^ 9の正しい値を計算することができたが、 π(10 ^10の正しい値は1だけ間違っていた。 [20]

この方法は、ラガリアス、ミラー、オドリツコ、デレグリーズ、リヴァットによってさらに改良された。[21]

その他の素数計算関数

他の素数カウント関数も、操作が便利なため使用されます。

リーマンの素数冪関数

リーマンの素数冪関数は通常、Π 0 ( x )またはJ 0 ( x )と表記される。これは1/n⁠ は素数p nの乗で、 π ( x )の不連続点では両辺の中間の値をとります。この追加された詳細は、この関数が逆メリン変換によって定義できるためです

正式には、 Π 0 ( x )を次のように定義する。

ここで、各合計の変数pは、指定された制限内のすべての素数の範囲にわたります。

次のように書くこともできる。

ここでΛフォン・マンゴルト関数であり、

メビウスの反転公式は次のように表される。

ここでμ ( n )はメビウス関数である

リーマンゼータ関数の対数フォンマンゴルト関数 Λの関係を知っており、ペロンの公式を用いると、

チェビシェフ関数

チェビシェフ関数は素数または素数べき乗p nをlog pで重み付けします

x ≥ 2の場合[22]

そして

素数関数の公式

素数関数の公式には、算術公式と解析公式の2種類があります。素数関数の解析公式は、素数定理を証明するために最初に用いられました。これはリーマンとマンゴルトの研究に由来し、一般に明示公式として知られています。[23]

2番目のチェビシェフ関数 ψは次の式で表されます

どこ

ここで、ρはリーマンゼータ関数の臨界帯における零点であり、 ρの実部は0 と 1 の間です。この式はxが 1 より大きい値、つまり関心領域に対して有効です。根の和は条件付き収束であり、虚部の絶対値が増加する順に取る必要があります。自明な根の和は、この式の最後の減数となることに注意してください。

Π 0 ( x )についてはより複雑な式となる。

繰り返しますが、この式はx > 1の場合に有効です。一方、ρはゼータ関数の非自明な零点であり、絶対値に従って順序付けられています。最初の項li( x )は通常の対数積分関数です。2番目の項のli( x ρ )はEi( ρ log x )とみなされます。ここでEiは、負の実数から複素平面への指数積分関数の解析接続であり、正の実数に沿って分岐切断があります。最終的な積分は、自明な零点に関する級数に等しくなります。

したがって、メビウスの反転公式は[10]となる。

x > 1 の場合に有効であり

はリーマンのR関数[24]であり、μ ( n )はメビウス関数である。後者の級数はグラム級数として知られている。[25] [26] log x < x はすべてのx > 0に対して成り立つので、この級数はe xの級数と比較するとすべての正のxに対して収束する。グラム級数における非自明なゼロ寄与についての対数は、log x ρではなくρ log xとして評価されるべきである。

フォルクマー・ボルネマンは、リーマンゼータ関数のすべての零点が単純であるという予想を仮定すると、次のように なることを証明した。 [27] [注1]

ここでρはリーマンゼータ関数の非自明な零点を通り、t > 0である。

π 0 ( x )の公式における非自明なゼータ零点の和はπ 0 ( x )の変動を記述し、残りの項は素数関数の「滑らかな」部分を与えるので[ 28] 、

x > 1のときのπ ( x )の良好な推定値として。実際、第2項はx → ∞のときに0に近づくのに対し、「ノイズ」部分の振幅は経験的に約×/対数x π ( x )をR( x )だけでも同様であり、素数の分布の変動は関数

不平等

ラマヌジャン[29]は不等式

十分に大きいxの値すべてに対して成り立ちます

π ( x )に関する便利な不等式をいくつか示します

左の不等式はx ≥ 17で成立し、右の不等式はx > 1で成立する。定数 1.25506 は30 ログ113/113小数点以下5桁までπ ( x ) 対数x/×⁠はx = p 30 = 113で最大値をとる [30]

ピエール・デュサールは2010年に次のように証明した。[31]

最近では、デュサートは[32] (定理5.1)で次のこと を証明した。

それぞれx ≥ 88789および x > 1の場合

逆に、n番目の素数p nの近似値は、

n番目の素数に関するいくつかの不等式を示します。下限はDusart (1999) [33]によるもので、上限はRosser (1941) [34]によるものです。

左の不等式はn ≥ 2のときに成立し、右の不等式はn ≥ 6のときに成立する。時々見られる変形は、 より単純な下限値である[35]

これはn ≥ 1の場合に成り立ちますが、上記の下限はn > e e ≈15.154の場合にさらに厳しくなります。

2010年にデュサートは[31](命題6.7と6.6) を証明した。

それぞれn ≥ 3およびn ≥ 688383の場合

2024年に、アクラー[36]は、これをさらに厳格化し(式1.12と1.13)、次の形式の境界値を用いた。

それを証明する

n ≥ 2およびn ≥ 3468の場合、それぞれ成立する。下限値は妥当性を変えずにf ( n , w 2 )と簡略化することもできる。上限値はn ≥ 46254381の場合、 f ( n , w 2 − 6 w + 10.667)と厳格化できる

他にも様々な複雑さの境界が存在する。[37] [38] [39]

リーマン予想

リーマン予想はπ ( x )の推定値の誤差に非常に厳しい境界を課すことを意味し、したがって素数の分布はより規則的になる。

具体的には、[40]

デュデック(2015)は、リーマン予想は、すべてのx ≥ 2に対して、次を満たす 素数pが存在することを証明した。

参照

参考文献

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  40. ^ Schoenfeld, Lowell (1976). 「チェビシェフ関数θ ( x ) とψ ( x ) のより鋭い境界値 II」.計算数学. 30 (134). アメリカ数学会: 337–360 . doi :10.2307/2005976. ISSN  0025-5718. JSTOR  2005976. MR  0457374.

注記

  1. ^ モンゴメリは(リーマン予想を仮定すると)すべての零点の少なくとも3分の2は単純であることを示した。
  • Chris Caldwell、The Prime Pagesの The Nth Prime Page 。
  • Tomás Oliveira e Silva、「素数関数の表」。
  • デュデック、エイドリアン・W. (2015)、「リーマン予想と素数間の差について」、国際数論ジャーナル11 (3): 771– 778、arXiv : 1402.6417Bibcode :2014arXiv1402.6417D、doi :10.1142/S1793042115500426、ISSN  1793-0421、S2CID  119321107
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