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111到底是质数还是合数?别急,马上告诉你答案!

孪生素数是指相差为2的一对素数,例如(3,5)、(5,7)等。现在我们来探讨如何计算小于某个自然数M的孪生素数对数。

(一)本文的计算方法基于孪生素数猜想证明中的以下几条核心结论:

a、任何大于1的奇数都可以表示为2n±1的形式,其中n为该奇数的“核”。如果两个奇数具有相同的核,则它们被称为“同核奇数”,n即为它们的共同核。

b、同核奇数只存在三种可能的状态:1、同核的两个奇数都是合数;2、同核奇数中一个是合数、另一个是素数;3、同核的两个奇数都是素数,这种情况下它们就是孪生素数。

c、根据上述结论2,我们可以得出:所有非孪生素数的素数(即单体素数)的核一定存在于对应的合数核中。进一步推论:只要去除所有的合数核,那么包含在合数核中的单体素数核也会被同时去除。

d、由结论c可以推出:孪生素数的核一定存在于所有合数核以外的非零自然数集合N*中,并且N*中存在无穷多个孪生素数核。逻辑如下:任何大于1的奇数只可能是合数、单体素数或孪生素数,因此奇数核也只可能是这三种类型;非零自然数集合N*(1,∞)中每个数都可以成为奇数核,全部自然数N*不可能都是合数核,所以去除合数核后,剩下的都是孪生素数核(因为单体素数的核在去除合数核时也被去除)。每个核对应一对孪生素数。

e、通过分析完美等差数列群,我们可以得出所有素数最终形式为6n±1,孪生素数自然也包含在内。6n±1去掉1后除以2得出核为3n,即所有孪生素数核一定存在于3n中。

(二)给定一个自然数M,如何计算小于M的孪生素数对数呢?

例子:自然数111,小于111的孪生素数有多少对?

1、111中有多少奇数核?n=(111-1)/2=55个。为了直观理解,可以验证n=1、2、3、……55,则奇数为3、5、7、……111。

2、我们知道所有非零自然数N*都可以成为奇数核,而全部自然数N实际上由三列完美等差数列群组成:3n、3n+1、3n+2(n∈N)。分别研究这三列等差数列的性质,可以得出:3n+1和3n+2这两列无穷等差数列的每个值都是合数核的值(参考以前发表的孪生素数猜想证明的文章)。因此,只需研究3n(n∈N*)这一列等差数列,如果能找出3n列中的所有合数核,剩下的必然是孪生素数核,每个核对应一对孪生素数。

3、3n中肯定不存在3n+1和3n+2的值,但存在其他形式的合数核。3n=5d+2,n=(5d+2)/3,n有整数解必须d=3t+2,得n=5t+4(t∈N,即t可以为0);在限定的55个奇数核范围内,3n最多只有18个奇数核,即n=18。可见n=5t+4=18,t=2,即t=1时n取值在18之内,t=2时n取值也在18之内,考虑还有t=0也符合要求,所以在5t+4中有2+1共3个合数核。这三个合数核分别是5t+4中t=0、1、2,此时3n合数核中的n为4、9、14。同理,3n=5d+3,当d=3t时n有整数解,得n=5t+1(t∈N*,即t≠0),n=5t+1=18,t=3,共三个合数核。这三个3n合数核的n分别是6、11、16。问题到此并没有结束,因为3n中还有其他形式的合数核(具体情况请参考以前已证明并发表的文章)。3n=7d+3,n有整数解则d=3t,则n=7t+1(t∈N*)。7t+1=18则d=2,即3n中7d+3形态的合数核共有2个,它们3n合数核中的n分别为8、15。同理3n=7d+4,必须d=3t+2(t∈N,即t可以为零),即n=7t+6=18,d=1,加上d=0时也在取值范围内,所以3n合数核中的n共有2个,即6、13。

4、现在共得到3n为合数核的n值共4组:4、9、14;6、11、16;8、15;6、13。其中不难发现出现两个6,需要舍弃一个,这是在计算5d+3和7d+4时形态合数核时重复计算了一个,必须舍弃。这样最后3n中成为合数核的n就剩下9个:4、9、14、6、11、16、8、15、13。它们的3n合数核为:12、27、42、18、33、48、24、45、39。

5、最后我们得到在111这个自然数内共有55个奇数核,但3n中n值最多只有18个(55/3=18),而这18个中有9个是合数核,所以剩下的就是18-9=9,这9就是孪生素数的对数,即不大于111这个数内存在9对孪生素数。再详细看一看具体数字:

111这个数,它的55个奇数核内存在18个3n值为:3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48、51、54。其中:12、27、42、18、33、48、24、45、39共9个合数核,这9个合数为:25、55、85、35、65、95、49、51、77。

剩下的9个为孪生素数核:3、6、9、15、21、30、36、51、54。这9对孪生素数为:5、7;11、13;17、19;29、31;41、43;59、61;71、73;101、103;107、109。

(三)、从上例可以看出解题思路很简单,从1到∞所有正整数N*都是奇数核,3n+1、3n+2所有n值代入后全部是合数核,唯一要做的是从3n这个数列中找出内藏的合数核,在M这个数确定的范围内把3n奇数核中的所有合数核找出来,剩下的就是孪生素数的核。

1、给定自然数M,算出M内的奇数核c,c=(M-1)/2(M为奇数)或c=M/2(M为偶数)。

2、在3N中算出容纳奇数核个数:N=c/3。(防止与下述n混淆,3n换成3N)。

3、找出在3N中可能存在合数核的各个形态:下面是2n+1形态的合数核

(5n+2)、(7n+3)、(11n+5)、(13n+6)、(17n+8)、(19n+9)、(23n+11)、(29n+14)、(31n+15)、(37n+13)、……[Pi×n+(Pi-1)/2](Pi中的i为序数下标,P为素数;n∈N*)

用3N分别与上述每个小括号表达式相等,算出3N中每个合数核数量N表达式,他们是:N=

(5t+4)、(7t+1)、(11t+9)、(13t+2)、(17t+14)、(19t+3)、(23t+19)、(29t+24)、(31t+5)、(37t+6)、……(A)

同理2n-1形态的合数核为:

(5n+3)、(7n+4)、(11n+6)、(13n+7)、(17n+9)、(19n+10)、(23n+12)、(29n+15)、(31n+16)、(37n+14)……

同理用3N分别与上述每个小括号表达式相等,算出3N中每个合数核的数量N表达式,即N=

(5t+1)、(7t+6)、(11t+2)、(13t+11)、(17t+3)、(19t+16)、(23t+4)、(29t+5)、(31t+26)、(37t+31)……(B)

关于t的取值范围:在例中可以看出,在不同场合,t=0或t≠0。在3n=5d+2时n=(5d+2)/3,只有d=3t+2时才有整数解n=5t+4,我们知道5d+2中d的定义域是不能为零的,所以d=3t+2中t=0,d=2并不为零,所以此时的t可以为0。在3n=5d+3,d=3t才有整数解n=5t+1,此时如果t=0则d=3t=0不符合d的定义域不能为零的规定,所以t≠0。这样就决定了(A)、(B)中只要KX+b中常数项bK/2的可以t=0。

4、剩下的就是简单计算,对于较小的M,几步计算就可完成。例如111,c=(111-1)/2=55,N=c/3=18。5t+4=18,t=2,即t=1,t=2,因为4>5/2所以t=0,得到N=4、9、14。5t+1=18,t=3即t=1,t=2,t=3代入得到N=6、11、16(17/2所以t=0,得到N=6、13。7t+1=18,t=2得到N=8、15(1

后记:1859年黎曼“论小于某数的素数个数”一文发表,这就是著名的π(x)的提出,为了解决此问题推出了Zeta黎曼函数,后来数学家们得出了素数定理:π(x)~x/lnx(x→∞)。1949年数学家塞尔伯格用初等方法证明了素数定理。但至今世上仍没有一个精确求解公式和具体计算途径,可见这个数学问题的复杂性、艰巨性。

今天我提出的这个方法,在计算数值较小的M时,还是十分实用的,但M值很大后,计算的时间十分长、十分繁琐,关键的难点是如何去除重复的合数核。现在我采用的是N值列出后进行分辨。当然在计算机编程如此发达的今天,通过编程还是能解决大M计算难度的,至少有这么一条途径可以精确计算M数以内的孪生素数对数。非专业人士文章,难免差错,请多包涵,也望高手不吝赐教、斧正。