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[交流] 【转帖】孪生素数猜想

孪生素数猜想

- 卢昌海 -

二零零三年三月二十八日，在美国数学学会 (American Institute of Mathematics) 位于加州 Palo Alto 的总部，来自世界各地的数学家怀着极大的兴趣聆听了 San Jose State University 的数学教授 Dan Goldston 所做的一个学术报告。在这个报告中， Goldston 介绍了他和土耳其 Bogazici University 的数学家 Cem Yalcin Yildirim 在证明孪生素数猜想 (twin prime conjecture) 方面所取得的一个进展。这一进展 - 如果得到证实的话 - 将把几十年来人们在这一领域中的研究大大推进一步。

那么什么是孪生素数？什么是孪生素数猜想呢？本文将对此做一个简单的介绍，这也将成为本网站第一篇数学方面的文章，填补作为本人兴趣的一个主要组成部分的数学在本网站的空白。

要介绍孪生素数，首先当然要说一说素数这个概念。素数是除了 1 和它本身之外没有其它因子的自然数。在数论中，素数是最纯粹、最令人着迷的概念。除了 2 以外，所有素数都是奇数 (因为否则的话，除了 1 和它本身之外还有一个因子 2，从而不满足素数的定义)。因此很明显，大于 2 的两个相邻素数之间的最小可能间隔是 2。所谓孪生素数指的就是这种间隔为 2 的相邻素数，它们之间的距离已经近得不能再近了，就象孪生兄弟一样。最小的孪生素数是 (3, 5)，不难验证，在 100 以内的孪生素数还有 (5, 7)、 (11, 13)、 (17, 19)、 (29, 31)、 (41, 43)、 (59, 61) 和 (71, 73)，总计有 8 组。随着数字的增大，孪生素数的分布会变得越来越稀疏，寻找孪生素数也会变得越来越困难。那么，会不会在超过某个界限之后就再也不存在孪生素数了呢？

我们知道，素数本身的分布也是随着数字的增大而越来越稀疏，不过幸运的是早在古希腊时代， Euclid 就证明了素数有无穷多个 (否则今天许多数论学家就得另谋生路了)。长期以来人们猜测孪生素数也有无穷多组，这就是与 Goldbach 猜想齐名、集令人惊异的简单表述与令人惊异的复杂证明于一身的著名猜想 - 孪生素数猜想：

孪生素数猜想：存在无穷多个素数 p, 使得 p+2 也是素数。

究竟谁最早明确提出这一猜想我没有考证过，但一八四九年法国数学 Alphonse de Polignac 曾提出过一个猜想：对于任何偶数 2k, 存在无穷多组以 2k 为间隔的素数。对于 k=1，这就是孪生素数猜想。因此人们有时把 Alphonse de Polignac 作为孪生素数猜想的提出者。值得一提的是，不同的 k 所对应的素数对的命名也很有趣， k=1 我们已经知道叫做孪生素数， k=2 (即间隔为 4) 的素数对被称为 cousin prime (比 twin 远一点)，而 k=3 (即间隔为 6) 的素数对竟然被称为 sexy prime！这回该相信 “书中自有颜如玉” 了吧？不过别想歪了，之所以称为 sexy prime，其实是因为 sex 正好是拉丁文中的 6。:-)

孪生素数猜想还有一个更强的形式，是英国数学家 Hardy 和 Littlewood 于一九二三年提出的，现在通常被称为 Hardy-Littlewood 猜想或强孪生素数猜想[注一]。这一猜想不仅提出孪生素数有无穷多组，而且还给出其渐近分布形式为：

其中 π2(x) 表示小于 x 的孪生素数的数目， C2 被称为孪生素数常数 (twin prime constant)，其数值为：

Hardy-Littlewood 猜想所给出的孪生素数分布的精确程度可以由下表看出：

x  孪生素数数目  Hardy-Littlewood 猜想
100,000  1224  1249
1,000,000  8,169  8,248
10,000,000  58,980  58,754
100,000,000  440,312  440,368
10,000,000,000  27,412,679  27,411,417

很明显， Hardy-Littlewood 猜想对孪生素数分布的拟合程度是惊人的。如此精彩的拟合堪与自然科学史上 Adams 和 Leverrier 运用天体摄动规律对海王星位置的预言以及 Einstein 对光线引力偏转的预言相媲美，是理性思维的动人篇章。这种数据对于纯数学的证明虽没有实质的帮助，但是它大大增强了人们对孪生素数猜想的信心。

顺便说一下， Hardy-Littlewood 猜想所给出的孪生素数分布规律可以通过一个简单的定性分析 “得到”：我们知道，素数定理 (prime number theorem) 表明对于足够大的 x, 在 x 附近素数的分布密度大约为 1/ln(x)，因此两个素数处于区间 2 以内的概率大约为 2/ln2(x)。这几乎正好就是 Hardy-Littlewood 猜想中的被积函数！当然其中还差了一个孪生素数常数 C2，而这个常数显然正是 Handy 与 Littlewood 的功力深厚之处！

除了 Hardy-Littlewood 猜想与孪生素数实际分布之间的拟合外，对孪生素数猜想的另一类 “实验” 支持来自于对越来越大的孪生素数的直接寻找。就象对于大素数的寻找一样，这种寻找在很大程度上成为对计算机运算能力的一种检验。一九九四年十月三十日，这种寻找竟然导致发现了 Intel Pentium 处理器浮点除法运算的一个 bug，在工程界引起了不小的震动。截至二零零二年底，人们发现的最大的孪生素数是：

(33218925×2169690-1, 33218925×2169690+1)

这对素数中的每一个都长达 51090 位！许多年来这种记录一直被持续而成功地刷新着。

好了，介绍了这么多关于孪生素数的资料，现在该说说人们在证明孪生素数猜想上所走过的路了。

迄今为止，在证明孪生素数猜想上的成果大体可以分为两类。第一类是所谓的非估算性结果，这方面迄今最好的结果是一九六六年由已故的我国数学家陈景润 (顺便说一下，美国数学学会在介绍 Goldston 和 Yildirim 成果的简报中提到陈景润时所用的称呼是 “伟大的中国数学家陈”) 利用筛法 (sieve method) 所取得的。陈景润证明了：存在无穷多个素数 p，使得 p+2 要么是素数，要么是两个素数的乘积。这个结果与他关于 Goldbach 猜想的结果很类似。目前一般认为，由于筛法本身的局限性，这一结果在筛法范围内很难被超越。

证明孪生素数猜想的另一类结果则是估算性结果， Goldston 和 Yildirim 所取得的结果就属于这一类。这类结果估算的是相邻素数之间的最小间隔，更确切地说是：

Δ := limn→∞inf[(pn+1-pn)/ln(pn)]

翻译成白话文，这个表达式所定义的是两个相邻素数之间的间隔，与其中较小的那个素数的对数值之比在整个素数集合中所取的最小值。很显然，孪生素数猜想如果成立，那么 Δ 必须等于 0。因为孪生素数猜想表明 pn+1-pn=2 对无穷多个 n 成立，而 ln(pn)→∞，因此两者之比的最小值对于孪生素数集合 (从而对于整个素数集合也) 趋于零。不过要注意， Δ=0 只是孪生素数猜想成立的必要条件，而不是充份条件。换句话说，如果能证明 Δ≠0，则孪生素数猜想就不成立；但证明 Δ=0 却并不意味着孪生素数猜想就一定成立。

对 Δ 最简单的估算来自于素数定理。按照素数定理，对于足够大的 x, 在 x 附近素数出现的几率为 1/ln(x)，这表明素数之间的平均间隔为 ln(x) (这也正是 Δ 的表达式中出现 ln(pn) 的原因)，从而 (pn+1-pn)/ln(pn) 给出的其实是相邻素数之间的间隔与平均间隔的比值，其平均值显然为 1。平均值为 1，最小值显然是小于等于 1，因此素数定理给出 Δ≤1。

对 Δ 的进一步估算始于 Hardy 和 Littlewood。一九二六年，他们运用圆法 (circle method) 证明了假如广义 Riemann 猜想成立，则 Δ≤2/3。这一结果后来被被 Rankin 改进为 Δ≤3/5。但这两个结果都有赖于本身尚未得到证明的广义 Riemann 猜想，因此只能算是有条件的结果。一九四零年， Erdös 利用筛法首先给出了一个不带条件的结果： Δ<1 (即把素数定理给出的结果中的等号部分去掉了)。此后 Ricci 于一九五五年， Bombieri 和 Davenport 于一九六六年， Huxley 于一九七七年，分别把这一结果推进到 Δ≤15/16， Δ≤(2+√3)/8≈0.4665 及 Δ≤0.4425。 Goldston 和 Yildirim 之前最好的结果是 Maier 在一九八六年取得的 Δ≤0.2486。

以上这些结果都是在小数点后做文章， Goldston 和 Yildirim 的结果把这一系列的努力大大推进了一步，并且 - 如果得到证实的话 - 将在一定意义上终结对 Δ 进行数值估算的长达几十年的征途。因为 Goldston 和 Yildirim 证明了 Δ=0。当然如我们前面所说， Δ=0 只是孪生素数猜想成立的必要条件，而非充份条件，因此 Goldston 和 Yildirim 的结果即便得到确认，离最终证明孪生素数猜想仍远得很，但它无疑将是近十几年来这一领域中最引人注目的结果。

一旦 Δ=0 被证明，人们的注意力自然就转到了研究 Δ 趋于 0 的方式上来。孪生素数猜想要求 Δ ~ [log(pn)]-1 (因为 pn+1-pn=2 对无穷多个 n 成立)。 Goldston 和 Yildirim 的证明所给出的则是 Δ ~ [log(pn)]-1/9，两者之间还有相当距离。但是看过 Goldston 和 Yildirim 手稿的一些数学家认为， Goldston 和 Yildirim 所用的方法存在改进的空间。这就是说，他们的方法有可能可以对 Δ 趋于 0 的方式作出更强的估计。因此 Goldston 和 Yildirim 的证明，其价值不仅仅在于结果本身，更在于它很有可能成为未来一系列研究的起点。这种系列研究对于数学来说有着双重的价值，因为一方面，这种研究所获得的新结果本身是对数学的直接贡献；另一方面，这种研究对 Goldston 和 Yildirim 的证明会起到反复推敲与核实的作用。现代数学早已超越了一两个评审花一两个小时就可以对一个数学证明做出评判的时代。以前四色定理和 Fermat 大定理都曾有过一个证明时隔几年 (甚至十几年) 才被发现错误的例子。因此一个复杂的数学结果能够成为进一步研究的起点，吸引其它数学家的参与，对于最终判定其正确性具有极其正面的意义。

本文到此就结束了，再过一个多月 (五月二十二日) 就是陈景润先生诞辰七十周年的日子。谨以本文纪念这位在数论领域中功绩卓著的中国数学家。

注释

Hardy 与 Littlewood 在一九二三年提出的猜想共有两个，其中第一个猜想又称为 k-tuple 猜想，它给出了所有形如 (p, p+2m1, ... , p+2mk) (其中 0 二零零三年四月六日写于纽约
http://www.changhai.org/

补注

二零零三年四月二十三日， Andrew Granville (University de Montreal) 和 Kannan Soundararajan (University of Michigan) 发现了 Goldston 与 Yildirim 证明中的一个错误。截至目前 (2003-07-03)， Goldston 和 Yildirim 已经承认、但尚未能更正这一错误。谢谢刘逢绥读者来信提醒我注意这一信息。 [2003-07-03]
很久没有继续关注孪生素数猜想的消息，近日一位未署名的读者来信告知了这方面的一个新进展。我简单查了一下文献，结果如下：二零零五年初， Goldston、 János Pintz 和 Yildirim 重新证明了 Δ=0，他们所证明的 Δ 的渐进行为是： Δ ~ [loglog(pn)]2/[log(pn)]1/2 [D. A. Goldston, J. Pintz and C. Y. Yıldırım, Primes in Tuples II, preprint (2005)]。以后有时间我将更细致地介绍有关内容。这里谨向来信提供信息的读者表示感谢。 [2007-03-02]

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