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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 8/8 步:超越素数对:任意多个素数,以及通往246的道路
通俗地说

把 105105 个位移中给出 22 个素数的同一套机制,配合更大的 kk,同样能对 33、44,乃至任意数量 mm 个素数同时起作用:由于 MkM_k 至少像 log⁡k\log k 一样增长,选取足够大的 kk 总能对任意 mm 都把 mm 个素数逼进一个有界窗口。这就是梅纳德论文中一般性的定理1.1——无穷多次,任意多个素数聚集在一起。

具体常数 600600 从未被声称是最优的——梅纳德本人就明确说明了这一点——事实上,一个名为 Polymath8b 的大型合作项目在几个月内就把同一方法的数值进一步推进,将界降到了 246246,这至今仍是已知最好的无条件界。而完整的孪生素数猜想(界是 22,而不只是某个有界的数)依然是一个未解之谜。

lim inf⁡n→∞(pn+m−pn)≪m3e4m\liminf_{n\to\infty}(p_{n+m}-p_n) \ll m^3 e^{4m}
详细分析

由于当 kk 较大时 Mk>log⁡k−2log⁡log⁡k−2M_k>\log k-2\log\log k-2(第6步),且 θ\theta 可以无条件地取到接近 1/21/2,阈值 rk=⌈θMk/2⌉r_k=\lceil\theta M_k/2\rceil 当 k→∞k\to\infty 时像 14log⁡k\tfrac14\log k 一样增长。根据目标 mm 适当选取 kk,梅纳德得出定理1.1:对每个 m∈Nm\in\mathbb{N},无条件地有 lim inf⁡n(pn+m−pn)≪m3e4m\liminf_n(p_{n+m}-p_n)\ll m^3 e^{4m}(梅纳德2013年,定理1.1)——对每个 mm,都有无穷多次任意多个素数聚集在一个有界窗口中。

梅纳德明确表示,无论是 600600(定理1.3)还是 m3e4mm^3e^{4m} 的增长速度(定理1.1)都不被认为是最优的:“通过进一步的数值计算,我们的方法可以得出更好的界”(梅纳德2013年,第1节)。事实正是如此:Polymath8b 项目(2014年)是一次大规模的在线合作,把梅纳德与陶哲轩各自独立发现的同一方法的版本结合起来,并对可容许元组进行了广泛的计算机搜索,将界降到了 lim inf⁡n(pn+1−pn)≤246\liminf_n(p_{n+1}-p_n)\le 246,这是今天已知最好的无条件界。

孪生素数猜想本身——即界可以一路降到 22——仍然完全是一个未解之谜;梅纳德的方法,即便结合 Elliott–Halberstam 猜想(一个尚未证明的、把 Bombieri–Vinogradov 加强到 θ\theta 接近 11 的猜想),也只能达到 lim inf⁡n(pn+1−pn)≤12\liminf_n(p_{n+1}-p_n)\le 12(梅纳德2013年,定理1.4)。要把剩下的差距缩小到 22,需要超越目前所理解的筛法理论的、根本性的全新想法。

本步骤中的术语
Elliott–Halberstam 猜想
一个尚未证明的、对 Bombieri–Vinogradov 定理的加强,猜想素数对每个 θ<1\theta<1(而不仅是 θ<1/2\theta<1/2)都具有分布水平 θ\theta。这是筛法自然的目标,但仍未解决。
本步骤用到的知识