Difference between revisions 51364 and 51367 on zhwikibooks广义孪生素数猜想是指是否有无穷多个素数<math>p</math>,使得<math>p+2s</math>也是素数,s=1,2,3,....。其内容包括了孪生素数猜想,表兄弟素数猜想,六素数猜想,....。 {{squote|w=50%|存在无穷多个素数''p'',与''p + 2s''都是素数。}} == 孪生素数猜想 == 参见[[孪生素数猜想]] {{squote|w=50%|存在无穷多个素数''p'',与''p + 2''都是素数。}}s=1. === 孪生素数的公式 === 利用素数的判定法则,可以得到以下的结论:“若自然数<math>q</math>与<math>q+2</math>都不能被任何不大于<math>\sqrt{q+2}</math>的素数 [[整除]],则<math>q</math>与<math>q + 2</math>都是素数”。这是因为一个自然数<math>n</math>是素数[[当且仅当]]它不能被任何小于等于<math>\sqrt{n}</math>的素数整除。 用数学的语言表示以上的结论,就是: :存在一组自然数<math>b_{1}, b_{2} \cdot , b_{k}</math>,使得 :<math>q=p_{1}m_{1}+b_{1}=p_{2}m_{2}+b_{2}=\dots=p_{k}m_{k}+b_{k} \qquad \qquad \qquad \cdots \qquad (1)</math> 其中 <math>p_{1},p_{2},\dots,p_{k}</math>表示从小到大排列时的前''k''个素数:2,3,5,....。并且满足 :<math>\forall 1 \le i \le k, \ \ 0 < b_{i} < p_{i}, \ b_{i} \neq 0, \ b_{i} \neq p_{i} - 2.</math> 这样解得的自然数<math>q</math>如果满足<math>q<p^{2}_{K+1}-2</math>,则<math>q</math>与<math>q+2</math>是一对孪生素数。 我们可以把(1)式的内容等价转换成为同余方程组表示: :<math>q \equiv b_1 \pmod{p_1}, q \equiv b_2 \pmod{p_2}, \dots, q \equiv b_k \pmod{p_k} \qquad \qquad \qquad \cdots \qquad (2)</math> 由于(2)的模<math>p_{1}</math>,<math>p_{2}</math>,...,<math>p_{k}</math>都是素数,因此两两互素,根据[[孙子定理]](中国剩余定理)知,对于给定的<math>b_{1}, b_{2} \cdot , b_{k}</math>,(2)式有唯一一个小于<math>p_{1} p_{2} \cdots p_{k}</math>的正整数解。 === 范例 === 例如k=1时,<math>q=2m_{1}+1</math>,解得<math>q=3, 5</math>。由于<math>5<3^2-2</math>,所以可知<math>3</math>与<math>3+2</math>、<math>5</math>与<math>5+2</math>都是孪生素数。这样就求得了[[区间]]<math>(3, 3^2)</math>里的全部孪生素数对。 又比如k=2时,列出方程<math>q=2m_{1}+1=3m_{2}+2</math>,解得<math>q=5, 11, 17</math>。由于<math>17<5^2-2</math>,所以<math>11</math>与<math>11+2</math>、<math>17</math>与<math>17+2</math>都是了孪生素数。由于这已经是所有可能的<math>b_{1}, b_{2} \cdot , b_{k}</math>值,所以这样就求得了区间<math>(5, 5^2)</math>的全部孪生素数对。 {| class="wikitable" |- ! k=3时 !! <math>5m_{3}+1</math> !! <math>5m_{3}+2</math> !! <math>5m_{3}+4</math> |- | <math>q=2m_{1}+1=3m_{2}+2</math>= || 11,41 || 17 || 29 |} 由于这已经是所有可能的<math>b_{1}, b_{2} \cdot , b_{k}</math>值,所以这样就求得了区间<math>(7, 7^2)</math>的全部孪生素数对。 {| class="wikitable" |- ! k=4时 !! <math>7m_{4}+1</math> !! <math>7m_{4}+2</math> !! <math>7m_{4}+3</math> !! <math>7m_{4}+4</math> !! <math>7m_{4}+6</math> |- | <math>q=2m_{1}+1=3m_{2}+2=5m_{3}+1</math>= || 71 || 191 || 101 || 11 || 41 |- | <math>q=2m_{1}+1=3m_{2}+2=5m_{3}+2</math>= || 197 || 107 || 17 || 137 || 167 |- | <math>q=2m_{1}+1=3m_{2}+2=5m_{3}+4</math>= || 29 || 149 || 59 || 179 || 209 |} 由于这已经是所有可能的<math>b_{1}, b_{2} \cdot , b_{k}</math>值,所以这样就求得了区间<math>(11, 11^2)</math>的全部孪生素数对(8个小于121-2的解)。 仿此下去可以一个不漏地求得任意大的数以内的全部孪生素数对。对于所有可能的<math>b_{1}, b_{2} \cdot , b_{k}</math>值,(1)和(2)式在<math>p_{1}</math><math>p_{2}</math>...<math>p_{k}</math>范围内,有 (<math>p_{1}-1</math>)(<math>p_{2}-2</math>)(<math>p_{3}-2</math>)...(<math>p_{k}-2</math>)(3) 个解。 === 结论推广 === 孪生素数猜想就是在k值任意大时(1)和(2)式都有小于<math>p^{2}_{k+1}-2</math>的解。 == 相差4的孪生素数猜想 == 相差4的孪生素数是指两个素数之间相差4,例如:3,7;7,11;13,17;19,23;37,41;43,47;67,71;79,83,;...。这一列素数对是否有无穷多个?这就是相差4的孪生素数猜想。{{squote|w=50%|存在无穷多个素数''p'',与''p + 4''都是素数。}},s=2.相差4的孪生素数与相差2的孪生素数在总体上数量基本一样。(详见参考文献) === 相差4的孪生素数公式 === 已经知道定理: “若自然数w与w+4都不能被不大于<math>\sqrt{w+4}</math>任何素数 整除,则w与w+4都是素数,我们称为相差4的孪生素数,又叫cousin数”。 这是利用[[素数判定法则]]“若自然数n不能被不大于<math>\sqrt{n}</math>任何素数 整除,则n是一个素数。(代数学辞典259页,上海教育出版社1985年版) 我们可以把定理的汉字内容等价转换成为英语字母表示: <math>w=p_{1}m_{1}+f_{1}=p_{2}m_{2}+f_{2}=\dots=p_{k}m_{k}+f_{k} </math>(4) 其中 <math>p_{1},p_{2},\dots,p_{k}</math>表示顺序素数2,3,5,....。f≠0,f≠<math>p_{i}-4</math>。 若<math>w<P^{2}_{K+1}-4</math>,则w与w+4是一对素数。 我们可以把(4)式内容等价转换成为同余式组表示: :<math>w \equiv f_1 \pmod{p_1}, w \equiv f_2 \pmod{p_2}, \dots, w \equiv f_k \pmod{p_k} (5)</math> 由于(5)的模<math>p_{1}</math>,<math>p_{2}</math>,...,<math>p_{k}</math> 两两互素,根据孙子定理(中国剩余定理)知,对于给定的<math>f_{1}</math>,<math>f_{2}</math>,...,<math>f_{k}</math>,(5)式在 <math>p_{1}</math><math>p_{2}</math>...<math>p_{k}</math>范围内有唯一解。 === 范例 === 例如k=1时,<math>w=2m_{1}+1</math>,解得w=3。3<3²-4,得知3与3+4是相差4的孪生素数。求得了 (3,3²)区间的全部相差4的孪生素数。 k=2时,<math>w=2m_{1}+1=3m_{2}+1</math>,解得w=13,19; 19<5²-4。得知13与13+4,19与19+4都是相差4的孪生素数。求得了(5,5²)区间的全部相差4的孪生素数。 {| class="wikitable" |- ! k=3时 !! <math>5m_{3}+2</math> !! <math>5m_{3}+3</math> !! <math>5m_{3}+4</math> |- | <math>w=2m_{1}+1=3m_{2}+1</math>= || 37 || 13,43 || 19 |} 求得了(7,7²)区间的全部相差4的孪生素数。即:37与37+4,43与43+4,....,都是相差4的孪生素数。 {| class="wikitable" |- ! k=4时 !! <math>7m_{4}+1</math> !! <math>7m_{4}+2</math> !! <math>7m_{4}+4</math> !! <math>7m_{4}+5</math> !! <math>7m_{4}+6</math> |- − | <math>w=2m_{1}+1=3m_{2}+1=5m_{3}+2</math>= || 127 || 37 || 67 || 117 || 97 |- | <math>w=2m_{1}+1=3m_{2}+1=5m_{3}+3</math>= || 43 || 163 || 193 || 103 || 13 |- | <math>w=2m_{1}+1=3m_{2}+1=5m_{3}+4</math>= || 169 || 79 || 109 || 19 || 139 |} 求得了(11,11²)区间的全部相差4的孪生素数。 仿此下去可以求得任意大的数以内的全部相差4的孪生素数。并且一个不漏地求得。对于所有可能的<math>f_{1}, f_{2} \cdot , f_{k}</math>值,(4)和(5)式在<math>p_{1}</math><math>p_{2}</math>...<math>p_{k}</math>范围内,有: (<math>p_{1}-1</math>)(<math>p_{2}-2</math>)(<math>p_{3}-2</math>)...(<math>p_{k}-2</math>)。(6) 个解。 === 猜想 === 相差4的孪生素数猜想就是说,在k任意大时(4)和(5)式都有小于<math>P^{2}_{K+1}-4</math>的解。 == 相差6的孪生素数猜想 == 相差6的孪生素数就是指两个素数之间相差6,例如:5,11;7,13;11,17;13,19;17,23;23,29;31,37;37,43;41,47; 47,53;53,59;61,67;67,73;73,79;83,89;....。 1,17;13,19;23,29;....。与孪生素数(相差2的一对素数)相差4的孪生素数(相差4的一对素数)概念基本相同。相差6的孪生素数猜想是指这种相差6的素数是否有无穷多对。 {{squote|w=50%|存在无穷多个素数''p'',与''p + 6''都是素数。}}s=3. === 相差6的孪生素数公式 === 已经知道定理: “若自然数R与R+6都不能被不大于<math>\sqrt{R+6}</math>任何素数 整除,则R与R+6都是素数,我们称为相差6的孪生素数”。这是依据[[素数判定法则]]得出的。 我们可以把定理的[[汉字]]内容等价转换成为[[英语]][[字母]]表示: 相差6的孪生素数公式 <math>R=p_{1}m_{1}+e_{1}=p_{2}m_{2}+e_{2}=\dots=p_{k}m_{k}+e_{k}.</math>(7) 其中 <math>p_{1},p_{2},\dots,p_{k}</math>表示顺序素数2,3,5,....。<math>e_{i}</math>≠0,<math>e_{i}</math>≠<math>p_{i}-6</math>。 若<math>R<P^{2}_{K+1}-6</math>,则R与R+6是一对相差6的孪生素数。 我们可以把(7)式内容等价转换成为同余式组表示: :<math>R \equiv e_1 \pmod{p_1}, R \equiv e_2 \pmod{p_2}, \dots, R \equiv e_k \pmod{p_k} (8)</math> 由于(8)的模<math>p_{1}</math>,<math>p_{2}</math>,...,<math>p_{k}</math> 两两互素,根据孙子定理(中国剩余定理)知, 对于给定的e值,(8)式<math>p_{1}</math><math>p_{2}</math>...<math>p_{k}</math>范围内有唯一解。 === 范例 === 例如,k=2时, <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+1</math>,解得R=7,13; 13<5²-6。得知7与7+6,13与13+6都是6素数。 <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+2</math>,解得R=5,11,17; 17<5²-6。得知5与5+6,11与11+6,17与17+6都是相差6的孪生素数 求得了(3,5²)区间的全部相差6的孪生素数R。 {| class="wikitable" |- ! k=3时 !! <math>5m_{3}+1</math> !! <math>5m_{3}+2</math> !! <math>5m_{3}+3</math> |- | <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+1</math>=|| 31 || 7,37 || 13 |- | <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+2</math>= || 11,41 || 17 || 23 |} 求得了(5,7²)区间的全部相差6的孪生素数中的R。 {| class="wikitable" |- ! k=4时 !! <math>7m_{4}+2</math> !! <math>7m_{4}+3</math> !! <math>7m_{4}+4</math> !! <math>7m_{4}+5</math> !! <math>7m_{4}+6</math> |- | <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+1=5m_{3}+1</math>=|| 121 || 31 || 151 || 61 || 181 |- | <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+1=5m_{3}+2</math>= || 37 || 157 || 67 || 187 || 97 |- | <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+1=5m_{3}+3</math>= || 163 || 73 || 193 || 103 || 13 |- | <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+2=5m_{3}+1</math>= || 191 || 101 || 11 || 131 || 41 |- | <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+2=5m_{3}+2</math>= || 107 || 17 || 137 || 47 || 167 |- | <math>R=2m_{1}+1=3m_{2}+2=5m_{3}+3</math>= || 23 || 143 || 53 || 73 || 83 |} 求得了(7,11²)区间的全部6素数中R(小于121-6的18个数值),仿此下去可以求得[[任意]]大的[[数]]以内的全部6 素数。并且一个不漏地求得。 由孙子定理知,对于所有可能的<math>e_{1}, e_{2} \cdot , e_{k}</math>值,(7)和(8)式在<math>p_{1}</math><math>p_{2}</math>...<math>p_{k}</math>范围内,有 :(<math>p_{1}-1</math>)(<math>p_{2}-1</math>)(<math>p_{3}-2</math>)...(<math>p_{k}-2</math>)(9)。 个解。 两式的本质是从<math>p_{1}</math>,<math>p_{2}</math>,...,<math>p_{k}</math> 中剔除掉<math>p_{i}m_{i}</math>(m>1) 的合数和<math>p_{1}-6</math>,<math>p_{2}-6</math>,...,<math>p_{k}-6</math>.。 === 猜想 === 相差6的孪生素数猜想就是说,在k任意大时(7)式和(8)式都有[[小于]]<math>P^{2}_{K+1}-6</math>的解。 问题已经转入初等数论范围。 == 数量对比 == 例如,相差2的孪生素数和相差4的孪生素数在100以内是8对;而相差6的孪生素数在100以内是15对, (3)式(6)式与(9)式的差别在于第二项: (<math>p_{1}-1</math>)(<math>p_{2}-2</math>)(<math>p_{3}-2</math>)...(<math>p_{k}-2</math>)(3)或者(6) (<math>p_{1}-1</math>)(<math>p_{2}-1</math>)(<math>p_{3}-2</math>)...(<math>p_{k}-2</math>)(9) (3)式或者(6)式是(<math>p_{2}-2</math>);(9)式是(<math>p_{2}-1</math>).即模是素数3的时候,相差6的孪生素数公式中最小剩余只有一个,所有(<math>p_{2}-1</math>);而相差2的孪生素数和相差4的孪生素数最小剩余有两个,所以(<math>p_{2}-2</math>)。 =='''广义孪生素数猜想等价于哥德巴赫猜想'''== 如果s=1,2,3,4,....。都成立,那么广义孪生素数猜想等价哥德巴赫猜想。 这是因为<math>p</math>+(<math>p+2s</math>)= 2(<math>p+s</math>)=偶数。 ''' == 需要的定理--埃拉托斯特尼区间筛法 == 將1至<math>p_{1}p_{2}p_{3}</math>...<math>p_{k-2}p_{k-1}p_{k}</math>连续的自然数按照<math>p_{k-1}p_{k}</math>为一个区间,分为<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}</math>个区间,依次按2,3,⏎ ⏎ 5,....順序⏎ ⏎ 篩,篩K次後, 任兩個含連續自然數個數相等的區間,被篩(或末被篩)數相差不超過K。 (中国科学院的数学家认为这个是十分显然的,毫无疑问的) 說明:本篩法與埃拉托斯特尼篩法不同,埃氏篩先用2篩,然後把2的倍數剔除掉;再用3篩,然後又把3的倍 數剔除掉;再用5篩,…。本篩法也是按照2,3,5,...順序篩,用不大於的素數去篩(不得用大於的素數去篩), 只 是已篩過的數數不馬上剔除掉,而是做上標記,等全部篩完過後再把篩過的數剔除掉。於是,有一些含有 幾個不同 素因數的數可能就要被篩幾遍,例如,“6”就要被“2”和“3”各篩一遍。 證明:根據除法算式定理:“給定正整數a和b,b≠0,存在惟一整數b和q,使a=bq+r”得知,如果 從a中篩 bm形數,a個連續自然數中,最多含有q個bm形數,r個連續自然數中,最多含有1個形數。 例如a=35,b=3。 35個連續自然數中最多含有11+1=12個3m形數。如36—70有12個3m形數,1-35 有11個3m形數。 現在設某兩個區間為A與B,含自然數的個數分別為|A|與|B|,|A|=|B|,下證明P去篩,兩個區間被 篩形數(或 未被篩數)個數相差最多不超過1,由上所述篩法,用順序素數2,3,5,..依次去篩,兩個區間每次被篩形數 (或未被篩數) 個數相差最多不超過1,故篩次兩區間被篩數(或未被篩數數)個數最多不超過個。 證法(1),設|A|=a=bq+r,則|B|=a=bq+r,即區間A和B中均至少含有q(q>1)個bm形數,又由於 r<b,故r個連續 自然數中至多有一個形數,即被篩bm形個數相差不超過1。 證法(2),假若不然,篩K次有兩個區間A與B,被篩數相差大於K,比如有K+1個,那會出現現什麼 問題呢?我們問第是個什麽數,見圖,假如與用2和3篩,如果出現了相差3個,第一個記為形,第二個記為形,問第三個(? )是什麼形式,(每一方括号表示一個自然數,)。 A:[][]...[] --------------------------- [][][][][][] B:[][]...[][2m][3m][?]-----------------------[][][] 已篩過部分-------------------- 未篩過部分 如果第三個(?)是2m或3m形,顯然與除法算式定理矛盾;如果不是2m或3m形,它就不應“站在” 已篩過部分行列,無論哪種情況,假設都不成立,證畢。 '''为什么区间要大于<math>2p_{k}</math>''' 如果区间小于<math>2p_{k}</math>,并且不按照顺序筛法,就会出现其它异常。例如,我们直接用5和 7筛,区间为2×5-1=9个自然数; A区间:31,32,33,34,35,36,37,38,39;(用5和7筛,只筛掉35) B区间:13,14,15,16,17,18,19,20,21.(用5和7筛,筛掉14,15,20,21有四个)。 筛2次相差3个。如果先用2和3筛过,实际上只是相差1个(35)。B区间实际上都是已经筛过的。如果区间 加大一个自然数, 使得区间≥<math>2p_{k}</math>,上面构造就不能成立。 筛法里面有许许多多问题值得研究。 == 证明提纲 == 【1】将1至<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}p_{k-1}p_{k}</math>按(<math>p_{k-1}p_{k}</math>为一组,划分成<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}</math>个组(或区间) [1,(<math>p_{k-1}p_{k}</math>)], [(<math>p_{k-1}p_{k}</math>)+1,2(<math>p_{k-1}p_{k}</math>)], ...., [<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}p_{k-1}p_{k}</math>—(<math>p_{k-1}p_{k}</math>+1,<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}p_{k-1}p_{k}</math>]。 (4)式就是筛2k次。 【2】证明[1,(<math>p_{k-1}p_{k}</math>)]有解,就是证明了[1,<math>p^{2}_{k+1}</math>]有解,因为((<math>p_{k-1}p_{k}</math>)小于<math>p^{2}_{k+1}</math>。 【3】如果第一区间无解,根据定理:“两个含自然数个数相等的区间筛k次被筛数相差不超k“。其它区间的解数就不会超高2k。还有<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}</math>-1个区间,总解数不超过 (<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}</math>—1)x2k个, 而: (<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}</math>—1)2k个<(<math>p_{1}p_{2}</math>...<math>p_{k-2}</math>)2k个<(<math>p_{1}-1</math>)(<math>p_{2}-2</math>)(<math>p_{3}-2</math>)...(<math>p_{k}-2</math>). 【4】对比:第二项作为分母,第三项作为分子,第三项(<math>p_{i}-2</math>)对应第二项<math>p_{i-1}</math>。 前面11项为: :<math>\frac{2-1}{1} \times \frac{3-2}{2} \times </math><math>\frac{5-2}{3} \times \frac{7-2}{5} \times </math><math>\frac{11-2}{7} \times \frac{13-2}{11} \times </math>...:<...<math>\frac{31-2}{29} \times \frac{37-2}{31} </math>=1.086 后面每一项分子大于分母或者等于分母: :<math>\frac{41-2}{37} \times \frac{43-2}{41}\times </math>,...×<math>\frac{P_{K-1}-2}{P_{K-2}} \times \frac{P_{K}-2}{2K} </math>. 当k>7时,(<math>P_{K}-2</math>)>2K,即17-2>2X7=14. 【5】。也就是说,如果第一区间无解,其它区间的解就会少于(1)(2)式固有的解数(3)式。而(3)式的解数是由孙子定理得来的。与孙子定理矛盾,必然是错误的。 === 例题 === 有人说最后一对孪生素数是59和61,请证明错误或者正确 '''证明''': 【1】假定59与61是最后一对孪生素数,那么对于下面: :<math>q=2m_{1}+b_{1}=3m_{2}+b_{2}=\dots=61m_{18}+b_{18} \qquad \qquad \qquad \cdots \qquad (*)</math> (61是第18个素数) 就没有小于<math>67^{2}-2</math>的解,我们把2x3x5x7x....x53x59x61,按照59x61为一组。 分成2x3x5x7x....x53个区间: [1,,59X61], [59X61+1,2X59X61] ,..., [2x3x5x7x....x53x59x61-59x61+1,2x3x5x7x....x53x59x61]. 【2】如果第一区间无解,则其它区间的解,根据引理,也不会超高2k个,还有 2x3x5x7x....x53-1个区间,解数不超高(2x3x5x7x....x53-1)2x18个,而: (2x3x5x7x....x53-1)2x18<(2x3x5x7x....x53)2x18<(2-1)(3 -2)(5 -2).....(59 -2)(61 -2). 第二项与第三项比较:第三项大于第二项,说明原来假设是错误的。 == 参考文献 == #《一万个世界之谜》湖北少儿出版社,梁宗巨主编。 #《谈谈素数表达式》【中等数学】1999年2期; #《关于一个寻找素数方法的理论依据》【中等数学】2003年4期; #《孪生质数公式》【中等数学】2000年1期。 [[Category:質數猜想]] [[Category:素数猜想]] [[Category:質數猜想]] [[Category:素数猜想]] [[bn:জোড় মৌলিক অনুমান]] [[en:Twin prime conjecture]] [[eo:Ĝemela prima konjekto]] [[es:Conjetura de los números primos gemelos]] [[fr:Conjecture des nombres premiers jumeaux]] [[he:השערת המספרים הראשוניים התאומים]] [[hu:Ikerprím-sejtés]] [[it:Congettura dei numeri primi gemelli]] [[ko:쌍둥이 소수 추측]] [[pt:Conjectura dos primos gêmeos]] [[simple:Twin Prime Conjecture]] [[sv:Primtalstvillingsförmodan]] [[th:ข้อความคาดการณ์จำนวนเฉพาะคู่แฝด]] All content in the above text box is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike license Version 4 and was originally sourced from https://zh.wikibooks.org/w/index.php?diff=prev&oldid=51367.
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