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由素数定理 x→∞时 ,x以下的素数数量
π(x)= x/lnx ; (式1)
式1的两边同除以x ,就是
π(x)/x =1/lnx ; (式2)
式2的等号左端就是自然数 x以内的实际素数出现率;
等号右端就是依据素数定理的理论素数出现率。
由于 x→∞时 有 π(x)→∞ ,
因此实际素数出现率 π(x)/x 是两个无穷大量的比,也就是两个无穷小量的比:π(x)/x= [1/x]/[1/π(x)] .
两个无穷小量的比值取决于它们之间阶的高低。
教科书上对于无穷小量的阶的概念做确切的叙述:(摘自《高等数学》教材第28页,书号:13012.096)
设u,v是两个无穷小量,即lim u=0,lim v=0,
(1)若 lim u/v =0 ,这说明分子u趋于0的速度比分母v趋于0的速度要快得多,则称为u为比v高价的无穷小量,记为u=0(v);
(2)若 lim u/v =∞ ,这说明分母v趋于0的速度比分子u趋于0的速度要快得多,则称为u为比v低价的无穷小量;
(3)若 lim u/v =a (a≠0 ),这说明分子u与分母v趋于0的速度差不多,则称为u与v 为同阶的无穷小量;
(4)若 lim u/v =1 ,这说明分子u与分母v趋于0的速度一样,则称为u与v 是等阶的无穷小量,记作u~v。
现在从无穷小量的阶的概念出发,判断无穷小量[1/π(x)]、[1/x] 之间的阶的高低关系:
引入一个x→∞时比x低阶无穷大√x,那么 [1/x] 是比 [1/√x] 高价的无穷小量。
考察一下x→∞的过程中,[1/π(x)] /[1/√x]、 [1/x]/[1/√x]以及π(x)/x 的值变化:
x=10^2, π(10^2)=25; √x/π(x) = 0.4 ;[1/√x]=0.1;π(x)/x = .25 ;
x=10^4,π(10^4)=1229; √x/π(x)≈0.08137 ; [1/√x]=1e-2;π(x)/x= .1229;
x=10^8,π(10^8)=5761455, √x/π(x) ≈0.001736 ; [1/√x]=1e-4; π(x)/x ≈.057615 ;
x=10^12,π(10^12)=37607912018 ,√x/π(x) ≈2.659e-5 ; [1/√x]=1e-6;π(x)/x ≈ .03761;
x=10^16,π(10^16)=279238341033925, √x/π(x) ≈3.58e-7 ; [1/√x]=1e-8;π(x)/x ≈ .02792;
x=10^20,π(10^20)= 2220819602560918840;√x/π(x) ≈4.503e-9 ; [1/√x]=1e-10;π(x)/x ≈.02221;
x=10^22,π(10^22)=201467286689315906290;√x/π(x) ≈4.964e-10 ; [1/√x]=1e-11;π(x)/x ≈.02015;
数据显示:
x→∞的过程中,[√x/π(x)]值与[√x/x]值趋小的速度差得不多;
当然以目前的电脑科技水平,求出更大的x值内的π(x)值是不容易的,因此求得lim[√x/π(x)]=0 是困难的。
但是lim(√x/x)= lim(1/√x)=0 是确定的,而[√x/π(x)]的比值与[√x/x]趋小的速度差得不多,就足以判断出 [1/π(x)] 也是比 [1/√x]高价的无穷小量。
根据 1/x 与[1/π(x)]都是比 [1/√x] 高价的无穷小量,且 π(x)/x ≠ 1,故1/x与[1/π(x)]是同阶无穷小量。
依据 同阶无穷小量的比较定理,得出
x→∞时 lim π(x)/x = a ≠0 .
而关于素数的出现率,目前的数学界主流理论是:
x→∞时,1/lnx→0;也就是π(x)/x→0 ;《数论导引》(华罗庚编著)93页定理)
在我看来,这是照搬西方数论界的观点而来的观点,没有分析其是否合理。
为什么说素数的发生率趋于0而实际素数的数量趋于无穷多呢?不是典型的自相矛盾吗?
但是按照无穷小量的阶的概念,π(x)/x→0 的论点,必然导致[1/π(x)] 是比 [1/x]低价的无穷小 ,这是不符合 x以内实际的素数数量π(x)与x值的比值变化情况的。
实际的素数数量π(x)与x值的比值趋于一个不等于0的常数C 。
因此素数发生率趋于0的鼓吹者是很难举出素数发生率小于0.001的 x值的实例,更不要说更小的素数发生率小于0.0001的 x值了。
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