为了正式定义质数,我将使用戈弗雷·哈罗德·哈代(G. H. Hardy)和爱德华·梅特兰·赖特(E. M. Wright)的经典数论书《数论导论》中定义的“改进”版本。
我们只考虑正整数。一个数p被称为素数,如果:
素数的无限质数的数目是无限的。前几个素数是:2、3、5、7、11、13、17、19、23、29、31、37等等。“素数有无限个”这个重要定理的第一个证明是由古希腊数学家欧几里得提供的。 瑞士伟大的数学家莱昂哈德·欧拉只用了基本微积分就证明了素数有无限多个。
我们首先考虑小于或等于某个x∈R的素数的个数,其中R表示实数集合:
这个函数称为素数计数函数。我们可以随便给质数编号,但这里我们还是按数值递增的顺序给它们编号:
现在考虑下面所示的函数f(x)=1/x。
该函数在区间[1,∞]内的积分是x的对数:
现在将1/x以下的面积与图中显示的阶梯函数以下的面积进行比较。稍后我们将更仔细地验证整数。
满足以下两个不等式:
其中,最后一个和扩展到所有m∈N,仅包含素数p,且: 为了便于理解,让我们考虑一个例子,比如n=6。在这种情况下,式4中的区间为x∈[6,7],不等式为:
第一个不等式可以从图4中看出。第二个呢?在这种情况下,在上面的不等式中m∈N的值是哪些?
加上1后,上面列出的数的倒数(即2、3、4、5和6)的和已经等于式6中不等式之间的和,因为有无限多个m(调和级数发散到∞),满足式6中的第二个不等式。更正式的表达如下:
现在,算术的基本定理表明:“一个整数只能用一种方式表示为质数的乘积。”因此,式5中的每一个m都可以唯一地表示为以下形式的乘积:
其中,k为每个质因数在m的因式分解中出现的次数。因此,式5中1/m的和可以表示为:
读者可以通过一个例子来验证这一点。括号内的和是一个简单的几何级数:
式9中的乘积是除以所有小于或等于x的质数。因此,将式9与式1比较,可以得到式 5:
因为下面的不等式一般是成立的: 得到了: 这意味着: 由于log(x)是无界的,如下图所示:
素数函数π(x)也没有界限。因此,我们得出结论,存在无数个质数。 |
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