ฟังก์ชันนับจำนวนเฉพาะ

ในทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชันนับจำนวนเฉพาะ (อังกฤษ: prime-counting function) มีค่าเท่ากับจำนวนของจำนวนเฉพาะที่มีค่าน้อยกว่าหรือเท่ากับจำนวนจริง x หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ฟังก์ชันนับจำนวนเฉพาะเป็นฟังก์ชันที่หาว่า x เป็นจำนวนเฉพาะลำดับที่เท่าไร เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ π(x)

ค่า π(n) สำหรับจำนวนนับตั้งแต่ 1 ถึง 60

ประวัติศาสตร์แก้ไข

หัวข้อที่เป็นที่สนใจอย่างยิ่งในทฤษฎีจำนวนคืออัตราการเจริญเติบโต ของฟังก์ชันการนับจำนวนเฉพาะ[1][2] ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 18 คาร์ล ฟรีดริช เกาส์ และโดยอาดรีแย็ง-มารี เลอฌ็องดร์ เสนอว่าข้อความคาดการณ์ว่า π(x) จะมีค่าใกล้เคียงกลับ

 

เมื่อฟังก์ชันลอการิทึมข้างต้นเป็นฟังก์ชันลอการิทึมฐานธรรมชาติ ในความหมายที่ว่า

 

ข้อความข้างต้นรู้จักกันในชื่อทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะ (prime number theorem) โดยสมมูลกันกับ

 

เมื่อ li(x) คือฟังก์ชันอินทิกรัลลอการิทึม ทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะพิสูจน์ได้ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1896 โดย ฌัก อาดามาร์ และโดย ชาร์ล เดอ ลา วัลเล-ปูแซ็ง อย่างอิสระต่อกัน โดยใช้สมบัติของฟังก์ชันซีตาของรีมันที่ แบร์นฮาร์ท รีมัน เสนอขึ้นในปี ค.ศ. 1859 บทพิสูจน์ทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะที่ไม่ใช้ฟังก์ชันซีตาหรือไม่ใช้การวิเคราะห์เชิงซ้อนมีขึ้นในราวปี ค.ศ. 1948 โดย อัตเลอ เซลแบรก์ และโดย พอล แอร์ดิช (โดยงานเกือบทั้งหมดเป็นอิสระต่อกัน)[3]

ในปี ค.ศ. 1899 ชาร์ล เดอ ลา วัลเล-ปูแซ็ง ได้พิสูจน์ว่า[4]:ทฤษฎีบท 23

 

สำหรับค่าคงที่บวก a บางจำนวน โดยที่ O(...) คือ สัญกรณ์โอใหญ่

ตอนนี้ทราบค่าประมาณของ   ที่แม่นยำยิ่งขึ้นแล้ว ตัวอย่างเช่น ในปี ค.ศ. 2002 เควิน ฟอร์ด ได้พิสูจน์ว่า[5]

 

จากการพิสูจน์ของ Mossinghoff และ Trudgian[6] ขอบเขตบนชัดแจ้งสำหรับผลต่างระหว่างฟังก์ชัน   และ   เป็นไปตามสมการ

 

สำหรับ  

สำหรับค่าส่วนใหญ่ของ   ที่เราสนใจ (เช่น เมื่อ   ไม่มีค่ามากเกินไป)   จะมีค่ามากกว่า   อย่างไรก็ตามฟังก์ชัน   เป็นที่ทราบกันว่ากลับค่าระหว่างบวกและลบเป็นอนันต์ครั้ง สำหรับการพิจารณาในเรื่องนี้ โปรดดูที่ จำนวนสกีว

รูปแบบแม่นตรงแก้ไข

สำหรับ   ให้   เมื่อ   เป็นจำนวนเฉพาะ มิฉะนั้นแล้ว   บทพิสูจน์ของแบร์นฮาร์ท รีมันที่มีความสำคัญอย่างยิ่งคือการพิสูจน์ค่าสมมูลกับ  [7]

 

เมื่อ

 

โดยที่ μ(n) คือ ฟังก์ชันเมอบิอุส, li(x) คือ ฟังก์ชันปริพันธ์ลอการิทึม, ρ เป็นดรรชีสำหรับทุกรากของฟังก์ชันซีตาของรีมัน และ li(xρ/n) ไม่ได้หาค่าจากการสร้าง branch cut แต่หาค่าจาก Ei(ρ/n log x) โดยที่ Ei(x) คือฟังก์ชันปริพันธ์เลขชี้กำลัง

ถ้าหากไม่พิจารณารากชัดแจ้งของฟังก์ชันซีตาของรีมันน์ และพิจารณาผลรวมจากรากที่ไม่ชัดแจ้ง แล้ว   สามารถประมาณค่าได้โดย[8]

 

สมมติฐานของรีมันน์เสนอว่าทุกรากที่ไม่ใช่รากชัดแจ้งจะสอดคล้องกับ Re(s) = 1/2


ตารางของ π(x), x / log x และ li(x)แก้ไข

ตารางแสดงฟังก์ชัน π(x), x / log x และ li(x) เปรียบเทียบที่ตัวแปร x ยกกำลัง 10 ดูเพิ่มเติม[1][9] และ[10]

x π(x) π(x) − x / log x li(x) − π(x) x / π(x) x / log x  % Error
10 4 0 2 2.500 −8.57%
102 25 3 5 4.000 13.14%
103 168 23 10 5.952 13.83%
104 1,229 143 17 8.137 11.66%
105 9,592 906 38 10.425 9.45%
106 78,498 6,116 130 12.739 7.79%
107 664,579 44,158 339 15.047 6.64%
108 5,761,455 332,774 754 17.357 5.78%
109 50,847,534 2,592,592 1,701 19.667 5.10%
1010 455,052,511 20,758,029 3,104 21.975 4.56%
1011 4,118,054,813 169,923,159 11,588 24.283 4.13%
1012 37,607,912,018 1,416,705,193 38,263 26.590 3.77%
1013 346,065,536,839 11,992,858,452 108,971 28.896 3.47%
1014 3,204,941,750,802 102,838,308,636 314,890 31.202 3.21%
1015 29,844,570,422,669 891,604,962,452 1,052,619 33.507 2.99%
1016 279,238,341,033,925 7,804,289,844,393 3,214,632 35.812 2.79%
1017 2,623,557,157,654,233 68,883,734,693,928 7,956,589 38.116 2.63%
1018 24,739,954,287,740,860 612,483,070,893,536 21,949,555 40.420 2.48%
1019 234,057,667,276,344,607 5,481,624,169,369,961 99,877,775 42.725 2.34%
1020 2,220,819,602,560,918,840 49,347,193,044,659,702 222,744,644 45.028 2.22%
1021 21,127,269,486,018,731,928 446,579,871,578,168,707 597,394,254 47.332 2.11%
1022 201,467,286,689,315,906,290 4,060,704,006,019,620,994 1,932,355,208 49.636 2.02%
1023 1,925,320,391,606,803,968,923 37,083,513,766,578,631,309 7,250,186,216 51.939 1.93%
1024 18,435,599,767,349,200,867,866 339,996,354,713,708,049,069 17,146,907,278 54.243 1.84%
1025 176,846,309,399,143,769,411,680 3,128,516,637,843,038,351,228 55,160,980,939 56.546 1.77%
1026 1,699,246,750,872,437,141,327,603 28,883,358,936,853,188,823,261 155,891,678,121 58.850 1.70%
1027 16,352,460,426,841,680,446,427,399 267,479,615,610,131,274,163,365 508,666,658,006 61.153 1.64%
1028 157,589,269,275,973,410,412,739,598 2,484,097,167,669,186,251,622,127 1,427,745,660,374 63.456 1.58%
1029 1,520,698,109,714,272,166,094,258,063 23,130,930,737,541,725,917,951,446 4,551,193,622,464 65.759 1.52%

อ้างอิงแก้ไข

  1. 1.0 1.1 "How many primes are there?". Chris K. Caldwell. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 15 ตุลาคม 2012. สืบค้นเมื่อ 2 ธันวาคม 2008.
  2. Dickson, Leonard Eugene (2005). History of the Theory of Numbers, Vol. I: Divisibility and Primality. Dover Publications. ISBN 0-486-44232-2.
  3. Ireland, Kenneth; Rosen, Michael (1998). A Classical Introduction to Modern Number Theory (Second ed.). Springer. ISBN 0-387-97329-X.
  4. A.E. Ingham (2000). The Distribution of Prime Numbers. Cambridge University Press. ISBN 0-521- 39789-8.
  5. Kevin Ford (November 2002). "Vinogradov's Integral and Bounds for the Riemann Zeta Function" (PDF). Proc. London Math. Soc. 85 (3): 565–633. arXiv:1910.08209. doi:10.1112/S0024611502013655. S2CID 121144007.
  6. Mossinghoff, Michael J.; Trudgian, Timothy S. (2015). "Nonnegative trigonometric polynomials and a zero-free region for the Riemann zeta-function". J. Number Theory. 157: 329–349. arXiv:1410.3926. doi:10.1016/J.JNT.2015.05.010. S2CID 117968965.
  7. Hutama, Daniel (2017). "Implementation of Riemann's Explicit Formula for Rational and Gaussian Primes in Sage" (PDF). Institut des sciences mathématiques.
  8. Riesel, Hans; Göhl, Gunnar (1970). "Some calculations related to Riemann's prime number formula" (PDF). Mathematics of Computation. American Mathematical Society. 24 (112): 969–983. doi:10.2307/2004630. ISSN 0025-5718. JSTOR 2004630. MR 0277489.
  9. "Tables of values of pi(x) and of pi2(x)". Tomás Oliveira e Silva. สืบค้นเมื่อ 14 กันยายน 2008.
  10. "A table of values of pi(x)". Xavier Gourdon, Pascal Sebah, Patrick Demichel. สืบค้นเมื่อ 14 กันยายน 2008.