初等数论入门 Lesson 2 算术基本定理与素数分布初步

算术基本定理

Fundamental Theorem of Arithmetic

n=p1a1p2a2pkakn=p_1^{a_1}p_2^{a_2}\dots p_k^{a_k}

欧几里得证明素数有无穷多个

我们使用欧几里得证明,使用反证法:

不妨设素数只有有限个,记为:

p1,p2,,pnp_1,p_2,\dots,p_n

N=p1p2pn+1N=p_1p_2\dots p_n+1

由算术基本定理,N>1N>1,则必然存一个 piNp_i|N

N1(modpi)N\equiv1\pmod {p_i},矛盾。

证毕。

筛法

埃氏筛

对素数 pp,从 p2,p(p+1),p(p+2)p^2,p(p+1),p(p+2)\dots 开始筛

欧拉筛 / 线性筛

维护 primes[],对于每个 ii

  • 标记 i×pi\times p 为合数
  • pip\mid i,则停止
  • 若始终未停止,则加入 primes[]

素数计数函数的初等估计

记:

π(x)=#{pxp 为素数}\pi(x) = \#\{ p \leq x \mid p \text{ 为素数} \}

即不超过 xx 的素数个数

切比雪夫不等式有:

x+x\to +\infty

c1xlnx<π(x)<c2xlnxc_1\dfrac x {\ln x}<\pi(x)<c_2\dfrac x {\ln x}

其中 c10.92c_1\approx 0.92c21.11c_2\approx 1.11

故,我们可以认为:

π(x)xlnx\pi(x)\sim \dfrac x {\ln x}

这有助于我们快速进行素数的数量级估计。