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定理已证明

切比雪夫界:θ(n) < (log 4) n

命题陈述

设 θ(x)=∑p≤xlog⁡p\theta(x) = \sum_{p \le x} \log p。则对每个整数 n≥1n \ge 1 都有 θ(n)<(log⁡4) n\theta(n) < (\log 4)\, n。

为什么成立?

在阿达马与德拉瓦莱·普桑1896年的解析证明之前,切比雪夫(1852年)已经仅用二项式系数初等地证明了质数个数被夹在 x/log x 的常数倍范围内。这个界是后来任何完整定理证明的关键初等要素,其核心二项式系数技巧正是埃尔德什著名的伯特兰假设初等证明背后所用的技巧。

证明思路

对 nn 用强归纳法。基础情形 n=1,2n=1,2 显然:θ(1)=0\theta(1)=0,θ(2)=log⁡2<log⁡4\theta(2)=\log 2 < \log 4。

归纳步骤中,假设该界对所有小于 nn 的正整数成立。若 n>2n>2 为偶数,则 nn 不是质数,对 n−1n-1 用归纳假设得 θ(n)=θ(n−1)<(log⁡4)(n−1)<(log⁡4)n\theta(n)=\theta(n-1) < (\log4)(n-1) < (\log4)n。

若 n=2m+1n=2m+1 为奇数,考虑系数 (2m+1m)=(2m+1)!m! (m+1)!\binom{2m+1}{m}=\dfrac{(2m+1)!}{m!\,(m+1)!}。它在 (1+1)2m+1(1+1)^{2m+1} 二项展开的 22m+12^{2m+1} 项中出现两次(一次为 (2m+1m)\binom{2m+1}{m},一次为 (2m+1m+1)\binom{2m+1}{m+1},二者相等),故 2(2m+1m)≤22m+12\binom{2m+1}{m} \le 2^{2m+1},即 (2m+1m)≤4m\binom{2m+1}{m} \le 4^m。

每个满足 m+1<p≤2m+1m+1 < p \le 2m+1 的质数 pp 整除分子 (2m+1)!(2m+1)!,但不整除 m!m! 或 (m+1)!(m+1)!(因为 p>m+1p>m+1),故 pp 整除 (2m+1m)\binom{2m+1}{m}。因此所有这样的质数之积整除 (2m+1m)\binom{2m+1}{m},得 ∏m+1<p≤2m+1p≤(2m+1m)≤4m\prod_{m+1<p\le 2m+1} p \le \binom{2m+1}{m} \le 4^m,即 θ(2m+1)−θ(m+1)≤(log⁡4) m\theta(2m+1)-\theta(m+1) \le (\log 4)\,m。

对 m+1<nm+1<n 用归纳假设得 θ(m+1)<(log⁡4)(m+1)\theta(m+1) < (\log4)(m+1)。相加得 θ(n)=θ(2m+1)<(log⁡4)(m+1)+(log⁡4)m=(log⁡4)(2m+1)=(log⁡4)n\theta(n)=\theta(2m+1) < (\log4)(m+1) + (\log4)m = (\log4)(2m+1) = (\log4)n,归纳完成。

用到此定理的主题

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. MacTutor History of Mathematics, University of St Andrews (2021). Prime numbers (history)
  2. Donald J. Newman (1980). Simple analytic proof of the prime number theorem · DOI:10.1080/00029890.1980.11995126