探究偶数与素数之间的联系

来源 :数学学习与研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangzhanglu
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  【摘要】素数定理描述了素数在整数中的分布特点,哥德巴赫猜想告诉人们:大于4的偶数都可以用两个素数之和表示.本文阐明了可以用不等式描述一个大于4的偶数由两个素数之和表示的不同情况的个数.
  【关键词】素数定理;哥德巴赫猜想;素数;偶数
  一、引 言
  素数表面看上去很简单,但当你深入了解它的时候,你会感到它其实神秘而深奥. 有关素数的性质非常少,但应用它的地方却很多.如果你把你的猜想赋予给它的时候,它会让你高兴一会儿或很长一段时间,在你认为它正确的时候,它会给你迎面泼一盆冷水. 对于命题“大于4的偶数一定能用两个素数之和表示”,在思考的过程中,虽然没有找到证明它的方法,却总结出与这个命题相关的命题,并且认为这个命题有一定的实用价值.
  二、命题及概述
  命题:任何一个大于或等于4的偶数x都可以写成两个素数之和,设这个偶数能写成两个素数之和的个数为c,则c≥Π(x)-π2 其中Π(x)为小于x的素数的个数,Π(x)-π2表示不大于Π(x)-π2的最大整数.
  在命题中之所以用Π(x)-π2来表示偶数能写成两个素数之和的個数,是想以此来说明偶数与比它小的素数的个数之间存在某种联系. 随着偶数的不断增大,素数的个数也逐渐增加. 在公式c≥Π(x)-π2中,根据素数定理可知,从整体上看,随着偶数的逐渐增大,素数的个数Π(x)逐渐增大[1],则Π(x)-π2也逐渐增大.
  对于这个命题,当x≥18时,素数的个数Π(x)≥7,此时,Π(x)-π2≥1符合哥德巴赫猜想. 因此,命题符合哥德巴赫猜想,是对哥德巴赫猜想的一个补充说明. 同时,从另外一个角度说明,虽然随着整数的不断增加,素数在整数中的密度会逐渐减小,但是,由于素数的内在特性,使得任何一个偶数x随着偶数的增大,它能写成两个素数之和的可能性也会逐渐增大.用两个素数之和表示偶数时,带有一定的偶然性,当偶数较小时对结果影响较大,为了修正这种偏差,在公式中用了Π(x)-π2,使计算的结果更能反映内在的规律.
  下面列举4—2000之间的部分有代表性的偶数写成两个素数之和的情况,其中b=Π(x)-π2,c表示偶数用两个素数之和表示的实际的个数.
  4=2 2;c=1,b=2-π2=-1.
  6=3 3;c=1,b=3-π2=0.
  8=3 5;c=1,b=0.
  10=3 7=5 5;c=2,b=0.
  12=5 7;c=1,b=0.
  14=3 11=7 7;c=2,b=0.
  16=3 13=5 11;c=2,b=6-π2=0.
  18=5 13=7 11;c=2,b=7-π2=1.
  20=3 17=7 13;c=2,b=1.
  22=3 19=5 17=11 11;c=3,b=1.
  24=5 19=7 17=11 13;c=3,b=1.
  26=3 23=7 19=13 13;c=3,b=1.
  28=5 23=11 17;c=2,b=1.
  30=7 23=11 19=13 17;c=3,b=1.
  32=3 29=13 19;c=2,b=1.
  34=3 31=5 29=11 23=17 17;c=4,b=1.
  36=5 31=7 29=13 23=17 19;c=4,b=1.
  38=7 31=19 19;c=2,b=1.
  40=3 37=11 29=17 23;c=3,b=12-π2=1.
  42=5 37=11 31=13 29=19 23;c=4,b=13-π2=2.
  44=3 41=7 37=13 31;c=3,b=2.
  46=3 43=5 41=17 29=23 23;c=4,b=2.
  48=5 43=7 41=11 37=17 31=19 29;c=5,b=2.
  50=3 47=7 43=13 37=19 31;c=4,b=2.
  52=5 47=11 41=23 29;c=3,b=2.
  54=7 47=11 43=13 41=17 37=23 31;c=5,b=2.
  56=3 53=13 43=19 37;c=3,b=2.
  58=5 53=11 47=17 41=29 29;c=4,b=2.
  60=7 53=13 47=17 43=19 41=23 37=29 31;c=6,b=2.
  62=3 59=19 43=31 31;c=3,b=2.
  64=3 61=5 59=11 53=17 47=23 41;c=5,b=2.
  66=5 61=7 59=13 53=19 47=23 43=29 37;c=6,b=2.
  68=7 61=31 37;c=2,b=2.
  70=3 67=11 59=17 53=23 47=29 41;c=5,b=2.
  72=5 67=11 61=13 59=19 53=29 43=31 41;c=6,b=20-π2=2.
  74=3 71=7 67=13 61=31 43=37 37;c=5,b=21-π2=3.
  …
  126=13 113=17 109=19 107=23 103=29 97
  =37 89=43 83=47 79=53 73=59 67;c=10,b=3.
  128=19 109=31 97=61 67;c=3,b=31-π2=3.   …
  500=13 487=37 463=43 457=61 439=67 433
  =79 421=103 397=127 373=151 349=163 337
  =193 307=223 277=229 271;c=13,b=95-π2=8.
  …
  1004=7 997=13 991=37 967=67 937=97 907=127 877
  =151 853=181 823=193 811=271 733=277 727=313 691
  =331 673=373 631=397 607=433 571=457 547=463 541;
  c=18,b=168-π2=11.
  …
  通過上面这些计算会发现,计算的结果符合命题. 虽然c的值波动较大,但c的较小的值与相应的b的值比较接近,且总有c≥b. 在局部,随着偶数的增大,c有时增大,有时减小,会经常出现反复,但整体上呈现增大的趋势.虽然这些数据还不够多,但足以说明命题是正确的. 对于较大的偶数由于受篇幅的影响,没有列举,但这并不影响命题的成立. 况且数学本身就有由小及大、由点及面的描述和预测的功能.
  从公式中可以看出,对于几个连续偶数:x1,x2,…,xk, 如果小于它们的素数都是m个,理论上这几个偶数用两个素数之和表示的个数都大于或等于m-π2个, 即这几个偶数用两个素数之和表示的个数与它们的数值大小无关,但与小于它们的素数的个数有关.素数在整数内的分布是随机的,但由于素数的定义的约束,使得素数在整数内的分布不是简单的随机,而是一种非常严格的随机. 这种严格的随机使得素数表面看起来杂乱无章,但若仔细探究又非常有序,使得素数在数学领域的应用非常广泛.
  我们可以推想到,对于所有的偶数,命题的结论都是正确的. 在这些数据中,偶数能写成两个素数之和的个数的实际数值c常常比计算的数值b高出许多,但实际数值c的波动性较大,而结论c≥b却总能成立,这恰好说明计算b是必要的,只有b才能真正反映出偶数写成两个素数之和的个数存在的规律.
  随着偶数的增大,素数在整数中的密度会越来越小,很多人担心当偶数足够大时,会有较少的偶数不能用两个素数之和表示. 根据素数的定义,要想知道一个整数是不是素数,可以用这个整数除以小于或等于这个整数的所有正整数,如果这个整数只能被1和它本身整除,那么这个数就是素数. 因此,每一个偶数都与小于它的所有素数保持着紧密的联系.再者,对于素数数列{2,3,5,7,11,13,…,ak,…},当素数由k个增加到(k 1)个时,用两个素数之和生成的偶数的个数增加:(k2 1)-[(k-1)2 1]=2k-1(个). 而且,增加的偶数大于ak 1且小于或等于2ak 1,并依此严格循环. 由于素数在整数中的密度减小得非常缓慢,而偶数由两个素数之和生成的个数却能较快地增多,而且增多的这些偶数都有一定的约束条件,对每一个偶数几乎都是公平的.相当于生成的偶数对区间内的偶数进行覆盖,而且偶数越大,被覆盖的次数可能越多. 因此,我们不必担心个别较大的偶数不能用两个素数之和表示,而且,当偶数越大,它能用两个素数之和表示的机会也越大. 基于以上这两点考虑,素数的分布虽然具有随机性,但这种随机是受一定条件约束的,对每一个整数都是公平的,是一种非常严格的随机. 长期以来,人们通过各种方法验证,都认为哥德巴赫猜想是正确的,只是需要一个时间点或一个契机,进行完整的证明. 所以,我们不仅要关注大于4的偶数是否一定能用两个素数之和表示[2],还应该有一部分人需要避开这个难点,去关注一个大于4的偶数用两个素数之和表示时可能有多少种情况.
  三、结 论
  综合上面的讨论,我们可以得到下面的结论,这个命题应该是正确的,即命题:偶数不但能用两个素数之和表示,而且表示的个数与小于这个偶数的素数的个数之间也有一定的联系.
  在数学上有许多定理都是先提出后证明的,费马大定理由17世纪法国数学家费马提出,经过了很多年,直到1995年才被证明是正确的.哥德巴赫猜想是在1742年被提出的,直到现在仍然没有得到完整的证明. 发现规律、证明规律和运用规律有时是各自独立的,有时又是相互统一的.
  整数是数学的基础,素数是整数中有特殊性质的整数,是整数中很重要的成员. 对素数进行了任何一点点深入的了解,对数学的发展都会起到一定的作用.
  【参考文献】
  [1] 蔡同灵. 数学的学习与研究[J]. 绵阳师范高等专科学校学报(自然科学版), 1996(S1): 13-20.
  [2] 程洁. 对哥德巴赫猜想的论证[J]. 数学学习与研究, 2019(15):150.
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