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解法:梅纳德的多维筛法:素数之间的有界间隔(2013年)

第 5/8 步:一个数 MkM_k决定一切:变分问题
通俗地说

由于 S2S_2 大致正比于 ∑mJk(m)(F)\sum_m J_k^{(m)}(F),而 S1S_1 大致正比于 Ik(F)I_k(F),二者之比——在所有合理的 FF 中取最大值——就成了决定 n+h1,…,n+hkn+h_1,\dots,n+h_k 中能被迫出现多少个素数的那个唯一数字。把这个最优比值称为 MkM_k。

MkM_k 越大,梅纳德的方法就能在长度有界、大小为 kk 的窗口内保证越多的素数。现在一切都取决于对合适的 kk,能证明 MkM_k 可以有多大——这是一个不再涉及任何素数的变分法问题。

Mk=sup⁡F∈Sk∑m=1kJk(m)(F)Ik(F),rk=⌈θMk2⌉M_k=\sup_{F\in\mathcal{S}_k}\frac{\sum_{m=1}^{k} J_k^{(m)}(F)}{I_k(F)},\qquad r_k=\Big\lceil\frac{\theta M_k}{2}\Big\rceil
详细分析

对固定的分布水平 θ>0\theta>0 与小的 δ>0\delta>0,梅纳德定义 Mk=sup⁡F∈Sk(∑m=1kJk(m)(F))/Ik(F)M_k=\sup_{F\in\mathcal{S}_k}\big(\sum_{m=1}^k J_k^{(m)}(F)\big)/I_k(F),上确界取遍适当光滑函数 FF 组成的类 Sk\mathcal{S}_k(梅纳德2013年,第4节,命题4.2)。在第2步的计数和 S=S2−ρS1S=S_2-\rho S_1 中取 ρ=θMk/2−ϵ\rho=\theta M_k/2-\epsilon,利用第4步的渐近式经过简短计算可知,对所有充分大的 NN 都有 S>0S>0,于是——按第2步的逻辑——存在无穷多个 nn,使得 n+h1,…,n+hkn+h_1,\dots,n+h_k 中至少有 rk=⌈θMk/2⌉r_k=\lceil \theta M_k/2\rceil 个是素数。

这就是梅纳德的命题4.2,是整个方法的关键:长度为 kk 的可容许集合 H\mathcal{H} 内出现大小为 rkr_k 的有界素数间隔,只要对该 kk 展示出一个使比值 (∑mJk(m)(F))/Ik(F)\big(\sum_m J_k^{(m)}(F)\big)/I_k(F) 足够大的光滑函数 FF,就会自动成立。特别地,rk≥2r_k\ge2(即 kk 个位移中有两个以上为素数)已经给出了 lim inf⁡n(pn+1−pn)\liminf_n(p_{n+1}-p_n) 的一个界,就是实现它的任何可容许 kk 元组的直径。

于是整个解析数论问题就转化成了:对合适的 kk,找到一个足够好的 FF。下一步正是通过显式的测试函数与数值优化来给出这一点。

本步骤中的术语
变分问题
寻找能使由其构造出的某个量(这里是比值 ∑mJk(m)(F)/Ik(F)\sum_m J_k^{(m)}(F)/I_k(F))取最大或最小的函数(这里是 kk 个变量的 FF)的问题,而不是寻找单一的最优数字。