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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 7/8 步:完成论证:Bombieri–Vinogradov给出lim inf⁡(pn+1−pn)≤600\liminf(p_{n+1}-p_n)\le 600
通俗地说

现在所有的部分都严丝合缝地拼在了一起。经典的 Bombieri–Vinogradov 定理自20世纪60年代就已知晓,无需张益唐的新估计,就能保证分布水平 θ\theta 可以任意接近 1/21/2。把 θ=1/2\theta=1/2 与 k=105k=105 代入第5步的阈值,连同第6步的数值事实 M105>4M_{105}>4,便得到 r105≥2r_{105}\ge 2:无穷多次,105105 个位移值中至少有两个是素数。

剩下的只是一个纯粹组合性的事实——存在一个可容许的 105105 元组,恰好装在一个长度仅为 600600 的区间内——由此保证的两个素数自然彼此相距不超过 600600。

lim inf⁡n→∞(pn+1−pn)≤600\liminf_{n\to\infty}(p_{n+1}-p_n)\le 600
详细分析

由 Bombieri–Vinogradov 定理,素数对每个 θ<1/2\theta<1/2 都具有分布水平 θ\theta(这是一个不需要张益唐工作任何输入的经典结果)。取 k=105k=105,命题4.3 给出 M105>4M_{105}>4,梅纳德直接验证当 θ\theta 足够接近 1/21/2 时有 θM105/2>1\theta M_{105}/2 > 1,因此 r105=⌈θM105/2⌉≥2r_{105}=\lceil \theta M_{105}/2\rceil \ge 2(梅纳德2013年,第4节,定理1.3的证明)。由命题4.2(第5步),对任何可容许的 H={h1,…,h105}\mathcal{H}=\{h_1,\dots,h_{105}\},都有无穷多个 nn 使得 n+h1,…,n+h105n+h_1,\dots,n+h_{105} 中至少有 22 个同时为素数。

剩下的只需展示一个直径不超过 600600 的可容许 105105 元集合;这样的集合可以通过直接的有限搜索找到(为每个小素数选出避开一个模类的 105105 个剩余类),梅纳德证实确实存在这样的集合。它的位移值中有两个无穷多次同时为素数,意味着满足 ∣hi−hj∣≤600|h_i-h_j|\le 600 的两个素数 pn+hi,pn+hjp_{n+h_i}, p_{n+h_j} 无穷多次出现在相邻或近乎相邻的素数之中,从而得到 lim inf⁡n(pn+1−pn)≤600\liminf_n(p_{n+1}-p_n)\le 600(梅纳德2013年,定理1.3)。

至关重要的是,这个论证没有用到超出经典 Bombieri–Vinogradov 定理的任何估计:它仅用更古老的工具就改进了张益唐最初的 70,000,00070{,}000{,}000,而这完全得益于第3–6步中的多维筛法。

本步骤中的术语
Bombieri–Vinogradov 定理
一个经典定理(1965年),陈述对任意 θ<1/2\theta<1/2,在模 q≤Nθq\le N^\theta 上平均而言,直到 NN 的素数在剩余类中的分布几乎与素数定理预测的一样均匀——起到了广义黎曼猜想若被证明将会起到的作用。