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未解決問題、算術と数論, 確率と統計、1936年に提起

素数ギャップに関するクラメールの予想

未解決

pnp_n を nn 番目の素数、gn=pn+1−png_n = p_{n+1} - p_n とするとき、n→∞n \to \infty において gn=O ⁣((log⁡pn)2)g_n = O\!\left((\log p_n)^2\right) が成り立つ。クラメール自身のより強い元の形では lim sup⁡n→∞pn+1−pn(log⁡pn)2=1\limsup_{n \to \infty} \frac{p_{n+1} - p_n}{(\log p_n)^2} = 1 である。

研究の最前線 2026年時点

2026年時点で、最大素数ギャップに対する既知の上界・下界とクラメールの予測 (log⁡pn)2(\log p_n)^2 の間には依然として巨大な隔たりがある。無条件の最良の上界はすべての素数ギャップに対する gn≪pn0.525g_n \ll p_n^{0.525}(ベイカー–ハーマン–ピンツ、2001年)であり、また2024年のガース–メイナードの零点密度評価により短区間 [x,x+x17/30+ε][x, x+x^{17/30+\varepsilon}] における漸近的な素数定理が確立された。リーマン予想を仮定しても最良の評価は gn=O(pnlog⁡pn)g_n = O(\sqrt{p_n}\log p_n) であり、対数の多項式ではなく依然として pnp_n のべき乗のオーダーにとどまる。逆方向では、無限に多くのギャップに対する最良の無条件の下界は gn≫log⁡pnlog⁡log⁡pnlog⁡log⁡log⁡log⁡pnlog⁡log⁡log⁡png_n \gg \frac{\log p_n \log\log p_n \log\log\log\log p_n}{\log\log\log p_n}(フォード–グリーン–コニャーギン–メイナード–タオ、2014年)であり、log⁡pn\log p_n をわずかに超えるにすぎない。

既知の最良の結果

  • 無条件の上界:十分大きなすべての nn に対して pn+1−pn≪pn0.525p_{n+1} - p_n \ll p_n^{0.525}(ベイカー、ハーマン、ピンツ、2001年)。
  • 条件付き上界:リーマン予想のもとで pn+1−pn=O(pnlog⁡pn)p_{n+1} - p_n = O(\sqrt{p_n}\log p_n)(クラメール、1920年)。
  • 無条件の下界:無限にたびたび pn+1−pn≫log⁡pnlog⁡log⁡pnlog⁡log⁡log⁡log⁡pnlog⁡log⁡log⁡pnp_{n+1} - p_n \gg \frac{\log p_n \log\log p_n \log\log\log\log p_n}{\log\log\log p_n} が成り立つ(フォード、グリーン、コニャーギン、メイナード、タオ、2014年)。

使われた手法と限界

手法達成したこと限界
ζ(s)\zeta(s) の零点密度評価とハーマンの篩短区間 [x,x+xθ][x, x+x^{\theta}] 内の素数を制御し、無条件の指数を θ=0.525\theta = 0.525 まで引き下げた。明示公式が臨界線 Re(s)=1/2\mathrm{Re}(s)=1/2 上の零点にわたる和を含むため、リーマン予想を完全に仮定しても θ=1/2+ε\theta = 1/2 + \varepsilon にしか到達できない。
メイナード–タオの素数組重みを組み合わせたランキンの篩い落とし法zz 以下の素数を法とする剰余類を巧みに選ぶことで連続する合成数の長い区間を構成し、長年未解決だったエルデシュのランキン境界の問題を解決した。素数定理により z≈log⁡xz \approx \log x 以下の素数の積は xx を超えられないため、ヤコブスタール関数の構成は (log⁡x)(log⁡log⁡x)O(1)(\log x)(\log\log x)^{O(1)} に制限され、(log⁡x)2(\log x)^2 には遠く及ばない。

未解決の問い

  • リーマン予想やモンゴメリの対相関予想を仮定したとしても、何らかの指数 θ<1/2\theta < 1/2 に対して pn+1−pn≪pnθp_{n+1} - p_n \ll p_n^{\theta} を証明できるか。
  • lim sup⁡n→∞(pn+1−pn)/(log⁡pn)2\limsup_{n\to\infty} (p_{n+1}-p_n)/(\log p_n)^2 の真の値は 11(クラメール)か、2e−γ≈1.12292e^{-\gamma} \approx 1.1229(グランヴィル)か、それともさらに大きいのか。

参考文献

  1. Harald Cramér (1936). On the order of magnitude of the difference between consecutive prime numbers · DOI:10.4064/aa-2-1-23-46
  2. Andrew Granville (1995). Harald Cramér and the distribution of prime numbers · DOI:10.1080/03461238.1995.10413946
  3. Roger C. Baker, Glyn Harman, János Pintz (2001). The difference between consecutive primes, II · DOI:10.1112/plms/83.3.532
  4. Kevin Ford, Ben Green, Sergei Konyagin, James Maynard, Terence Tao (2018). Long gaps between primes · DOI:10.1090/jams/890 · arXiv:1412.5029