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[数论] 为什么说自然数越大,素数分布越稀?

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TSC999 Posted 2021-6-30 18:02 |Read mode
命题:  对于自然数 n, 将 0 至  n  从小到大分成相等的几段,比如 10 段,则各段所含素数个数随着 n 的增大而趋于相同。
如果上述命题成立(可以证明它成立,证明见 2# 楼),为啥说素数会随着 n 的增大而越来越稀呢?

先举个例子。若 n=10^14,将 0 至 n 区间分为等长的 10 段,第一段为 0 至 1×10^13,第二段为 1×10^13 至 2×10^13,......, 第十段为 9×10^13 至 10^14。
可算出各段所含素数个数依次为:

      各 段 起 始               各段所含的素数个数      各段素数占总和的百分比
   0 至  1×10^13                 346065536839                   10.7979%
1×10^13 至 2×10^13         329830372432                  10.2913%
2×10^13 至 3×10^13         324225759582                  10.1164%
3×10^13 至 4×10^13         320690302849                  10.0061%
4×10^13 至 5×10^13         318111792865                    9.9257%
5×10^13 至 6×10^13         316086663691                    9.8625%
6×10^13 至 7×10^13         314422443046                    9.8106%
7×10^13 至 8×10^13         313011242183                    9.7665%
8×10^13 至 9×10^13         311788137296                    9.7284%
9×10^13 至 10^14             310709500019                    9.6947%
      各 段 总 和                   3204941750802

如果 n 增大,比如 n=10^23,同样将 0 至 n 区间分为等长的 10 段,则上述数据为:

        各段起始                       该段所含素数个数            各段素数个数占总和百分比
    0 至  1×10^22               201467286689315906290               10.4641%
1×10^22 至 2×10^22        195915553381677286446                10.1757%
2×10^22 至 3×10^22        193925662757798080369                10.0724%
3×10^22 至 4×10^22        192655657018265030753                10.0061%
4×10^22 至 5×10^22        191722184556130626698                  9.9579%
5×10^22 至 6×10^22        190984804914521646190                  9.9196%
6×10^22 至 7×10^22        190375930826808484136                  9.8880%
7×10^22 至 8×10^22        189857777950057366559                  9.8611%
8×10^22 至 9×10^22        189407072239038116607                  9.8377%
9×10^22 至 10^23            189008461273191424875                  9.8170%
     各 段 总 和                  1925320391606803968923      

可见随着 n 的增大,各段中所含素数个数占总和的百分比,越来越趋于 10%
可以证明,当 n 趋于无穷大时,将 0 至 n 区间分为等长的 10 段,则各段中的素数个数将趋于相等。
既然如此,为啥说素数会随着 n 的增大而越来越稀呢?
有人说了,你的上述计算结果不正好说明越来越稀吗? 我觉得稀是稀了一点,可是稀得不咋地呀,我原先受科普小书的影响,总以为会成倍的稀,或者对数函数般的稀下去,到最后会稀得一塌糊涂,拿放大镜都难找到一个。
又有人说,根据素数定理,从不大于 n 的自然数随机选一个,它是素数的概率大约是  1/ln(n),所以越到后面,素数越难发现。这是数学家说的,不能怀疑,但是这与上述数据有没有矛盾?如何解释?

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 Author| TSC999 Posted 2021-6-30 18:05
本帖对上面的命题加以证明。说明两点:
(1) n 和 m 都是自然数,并且 m 与 n 相比是一个很小的有限数,例如 m=10。
(2)根据素数定理,当 n 趋于无穷大时, n 以内的素数个数趋于 n/ln(n)。
证明.png

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 Author| TSC999 Posted 2021-7-1 10:19
没有人解释吗? 我来说一下。

出现素数的概率趋于相同和这个概率越来越小(即素数越来越稀)是两个概念。

在 0 至 10^14 这一区间或它的十分之一区间,任意选一个整数,它是素数的概率约等于 3204941750802/10^14 =0.0320494175,

在 0 至 10^23 这一区间或它的十分之一区间,任意选一个整数,它是素数的概率约等于 1925320391606803968923/10^23 =0.0192532039。

这表明 n 越大,出现素数的概率越小,也就是说素数越稀少。

但是原命题还是正确的!即: 对于自然数 n, 将 0 至  n  从小到大分成相等的几段,比如 10 段,则各段所含素数个数随着 n 的增大而趋于相同。

这个命题也可以写成: 对于自然数 2n, 将 0 至 2n  从小到大分成相等的两段 0 至 n 和 n 至 2n,则前后两段所含素数个数随着 2n 的增大而趋于相同。

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2025-5-31 10:44 GMT+8

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