素数分布:欧拉的贡献
素数分布中一个重要的问题是:素数的个数。用π(x)\pi(x)π(x)表示不超过xxx的素数的个数。
设pkp_kpk是任意素数,m≥1m\geq1m≥1,有
11−1pkm=1+1pkm+1pk2m+⋯\frac{1}{1-\frac{1}{p^m_k}}=1+\frac{1}{p^m_k}+\frac{1}{p^{2m}_k}+\cdots1−pkm11=1+pkm1+pk2m1+⋯
若不超过已知数NNN的素数为p1,p2,⋯ ,pnp_1,p_2,\cdots,p_np1,p2,⋯,pn, 有公式如下:
11−1p1m=1+1p1m+1p12m+⋯\frac{1}{1-\frac{1}{p^m_1}}=1+\frac{1}{p^m_1}+\frac{1}{p^{2m}_1}+\cdots1−p1m11=1+p1m1+p12m1+⋯
11−1p2m=1+1p2m+1p22m+⋯\frac{1}{1-\frac{1}{p^m_2}}=1+\frac{1}{p^m_2}+\frac{1}{p^{2m}_2}+\cdots1−p2m11=1+p2m1+p22m1+⋯
⋯\cdots⋯
11−1pnm=1+1pnm+1pn2m+⋯\frac{1}{1-\frac{1}{p^m_n}}=1+\frac{1}{p^m_n}+\frac{1}{p^{2m}_n}+\cdots1−pnm11=1+pnm1+pn2m1+⋯
将上面的式子相乘得到:
∏k=1n11−1pkm=1+12m+13m+⋯+1Nm+1N1m+1N2m+⋯\prod_{k=1}^n\frac{1}{1-\frac{1}{p^m_k}}=1+\frac{1}{2^m}+\frac{1}{3^m}+\cdots+\frac{1}{N^m}+\frac{1}{N^{m}_1}+\frac{1}{N_2^m}+\cdotsk=1∏n1−pkm11=1+2m1+3m1+⋯+Nm1+N1m1+N2m1+⋯
现在假定m>1m>1m>1,由于无穷级数
∑l=1∞1lm=1+12m+13m+⋯\sum_{l=1}^{\infty}\frac{1}{l^m}=1+\frac{1}{2^m}+\frac{1}{3^m}+\cdotsl=1∑∞lm1=1+2m1+3m1+⋯
收敛,所以∀\forall∀ ϵ>0\epsilon>0ϵ>0,∃\exist∃ NNN是自然数,s.t.s.t.s.t.
1(N+1)m+1(N+2)m+⋯<ϵ\frac{1}{(N+1)^m}+\frac{1}{(N+2)^m}+\cdots<\epsilon(N+1)m1+(N+2)m1+⋯<ϵ
所以
1N1m+1N2m+⋯<ϵ\frac{1}{N^{m}_1}+\frac{1}{N_2^m}+\cdots<\epsilonN1m1+N2m1+⋯<ϵ
进一步得到欧拉公式
∏k=1∞(1−1pkm)−1=∑l=1∞1lm\prod_{k=1}^{\infty}(1-\frac{1}{p^m_k})^{-1}=\sum_{l=1}^{\infty}\frac{1}{l^m}k=1∏∞(1−pkm1)−1=l=1∑∞lm1
欧拉最早把数学分析的方法用来研究数论,所以欧拉可以说是分析数论的创始人。这种方法建立了素数分布与函数论的本质联系,使得素数分布问题,借助于解析方法获得了深刻的研究。