Jun 272012
 

theorem   Let \(n\) be a positive integer,  then \(n\) can be expressed as the sum of three squares iff it is not of  the  form

\begin{equation}4^a(8b+7)\end{equation}

for some \( a,b\in\Bbb Z,a,b\geq 0\).

For a integer \(n\equiv3\pmod8\), there exists three odd numbers \(x,y,z\) such that

\begin{equation}n=x^2+y^2+z^2.\end{equation}

Jun 262012
 

Sylvester’s theorem  the binomial coefficient

\begin{equation}{n\choose k}=\frac{n(n-1)(n-2)\cdots(n-k+1)}{k!}\end{equation}

has a prime divisor \(p\) greater than \(k\). In other words, if \(n\geq 2k\), then the product of  \(k\) consecutive integers greater than \(k\) is divisible by a prime greater than \(k\). Note that for \(n=2k\) we obtain precisely Bertrand’s postulate.

Theorem 

  1. if \(n>6\) is an integer, then there always exists at least two prime numbers \(p\), one  is the form \(4k+1\) and the other \(4k+3\), such that \(n<p<2n\).
  2. if \(k\) is a positive  integer, then there always exists a positive  integer \(N\) such that  for every  integer \(n>N\),  there exist at least \(k\) prime numbers \(p\) such that \(n<p<2n\).
  • 对任意正整数 \(n>6\) ,  至少存在一个 \(4k+1\) 型和一个 \(4k+3\)  型素数 \(p\)  使得  \(n<p<2n\).
  • 对任意正整数 \(k\),  存在正整数 \(N\),  使得只要正整数 \(n>N\),  就存在 \(k\) 个素数 \(p\) 使得 \(n<p<2n\).

注意, 定理 \(2\) 已经隐含在 Ramanujan 给出的 Bertrand’s postulate 的证明中 Ramanujan’s proof of Bertrand’s postulate.

Jun 232012
 

二平方和

引理 \(1\)正整数 \(a, b\) 互质, \((a,b)=1, p>2\) 是质数,并且 \(p\bigm|(a^2+b^2)\), 则 \(p\equiv1\pmod4\).

证明  不难用二次剩余(Quadratic residue)来给出证明:

由 \(p\bigm|(a^2+b^2)\) 得

\begin{equation}a^2\equiv-b^2\pmod p,\end{equation}

故而

\begin{equation}(\frac{a^2}{p})= (\frac{-1}{p})(\frac{b^2}{p}).\end{equation}

这里 \((\frac{n}{p})\) 是 Legendre symbol. 由于  \((a,b)=1\), 因之 \((p,a)=(p,b)=1\), 于是

\begin{equation}(\frac{a^2}{p})=(\frac{b^2}{p})=1\end{equation}

成为事实, 所以必定有

\begin{equation}(\frac{-1}{p})=1.\end{equation}

换句话说, 我们已经得到了所要的 \(p\equiv1\pmod4\).

 

下面换一个办法, 可能是最简单的, 工具是 Fermat 小定理(Fermat’s little theorem

用反证法.

假定有正整数 \(k\) 使得 \(p=4k-1\), 由 \((1)\)  可得

\[(a^2)^{2k-1}\equiv(-b^2)^{2k-1}\pmod p,\]

这也就是

\[a^{p-1}\equiv-b^{p-1}\pmod p.\]

但这是不可能的!

这里的处理方式, 也可以稍作变更:

\(p\bigm|(a^2+b^2)\), 注意到 \((a^2+b^2)\bigm|(a^{p-1}+b^{p-1})\)(因为 \(p-1=2(2k-1)\)), 于是

\[p\bigm|(a^{p-1}+b^{p-1}).\]

一样是不可能的.

 

引理 \(1\) 虽然简单, 但是隐含了下面的事实:

引理 \(2\)    质数 \(p\equiv3\pmod4\), 并且 \(p\bigm|(a^2+b^2)\), 这里 \(a,b\) 是整数, 则 \(p\bigm|a,  p\bigm|b.\)

照样可以使用二次剩余来得到欲证的结果: 同样由 \((1)\), 我们又得出 \((2)\)! 注意 \( (\frac{-1}{p})=-1\), 所以

\begin{equation}(\frac{a^2}{p})= -(\frac{b^2}{p}).\end{equation}

这又迫使下面的等式成为事实:

\begin{equation}(\frac{a^2}{p})= (\frac{b^2}{p})=0.\end{equation}

这也就是 \(p\bigm|a,  p\bigm|b.\)

 

下面直接借用引理 \(1\) 来完成引理 \(2\) 的证明. 事实上, 记 \(d=(a,b)\)为 \(a,b\) 的最大公约数, 则有整数 \(a_1,b_1\) 使得 \(a=a_1d, b=b_1d\), 并且 \((a_1,b_1)=1\). 于是

\begin{equation}a^2+b^2=d^2(a_1^2+b_1^2). \end{equation}

由 \(p\bigm|(a^2+b^2)\), 得

\begin{equation}p\bigm|d^2(a_1^2+b_1^2).\end{equation}

根据引理 \(1\), 可以知道

\begin{equation}(p,a_1^2+b_1^2)=1,\end{equation}

于是

\begin{equation}p\bigm|d^2,\end{equation}

从而

\begin{equation}p\bigm|d.\end{equation}

我们得到了需要的 \(p\bigm|a,  p\bigm|b.\)

 

现在, 假定 \(n\) 是正整数, 并且有整数 \(a,b\), 使得 \(n=a^2+b^2\). 质数 \(p\equiv3\pmod4\), 并且 \(p\bigm|n\).  根据 \((7), (9), (10),\) \(n\) 的质因数分解式中的 \(p\) 全部出现在 \(d^2\) 的质因数分解式中,因此 \(n\) 的质因数分解式中 \(p\) 的指数等于 \(d^2\) 的质因数分解式中 \(p\) 的指数,是 \(d\) 的质因数分解式中 \(p\)  的指数的 \(2\) 倍, 当然是偶数, 故而有了引理 \(3\):

引理 \(3\)   正整数 \(n\) 是二平方和, 即有整数 \(a,b\), 使得 \(n=a^2+b^2\). 质数 \(p\equiv3\pmod4\), 并且 \(p\bigm|n\), 则 \(n\) 的质因数分解式中, \(p\) 的指数是偶数.

 

至此, 我们也就得出了下述的二平方和定理

正整数 \(n\)  能写成两个整数的平方和的充分必要条件是, 所有 \(n\) 的质因数分解式中形如 \(4k-1\) (\(k\) 为正整数)的质数的指数皆为偶数.

 

利用 \(\Bbb Z[i]\) 的唯一分解定理, 也可以证明引理 \(3\):

事实上, 假定 \(n\) 是正整数, 并且有 \(a,b\in\Bbb Z\), 使得 \(n=a^2+b^2\), 则

\begin{equation}n=(a+bi)(a-bi).\end{equation}

假定 \(a+bi\) 在 \(\Bbb Z[i]\) 中有分解式

\begin{equation}a+bi=(a_1+b_1i)(a_2+b_2i)\cdots(a_l+b_li),\end{equation}

\begin{equation}a-bi=(a_1-b_1i)(a_2-b_2i)\cdots(a_l-b_li),\end{equation}

于是

\begin{equation}n=(a_1^2+b_1^2)(a_2^2+b_2^2)\cdots(a_l^2+b_l^2).\end{equation}

若有 \(b_k=0(1\leq k \leq l)\), 则 \(a_k^2\) 即为\(\Bbb Z\) 中的平方数; 如果 \(b_k\neq0(1\leq k \leq l)\), 则 \(a_k^2+b_k^2\) 就是\(\Bbb Z\) 中的质数: 这是因为, 假若不是如此, 则有 \(\neq\pm1\) 的整数 \(s, t\) 使得 \(a_k^2+b_k^2=st\). 将 \(s, t\) 在 \(\Bbb Z[i]\) 中分解, 就得到了一种不同于 \((a_k+b_ki)(a_k-b_ki)\) 的, 是两个有理整数或三个以上质因数的积的分解式. 这与 \(\Bbb Z[i]\) 的唯一分解定理是矛盾的.

既然 \(a_k^2+b_k^2\) 是\(\Bbb Z\) 中的质数, 那么 \(a_k^2+b_k^2\) 要么是 \(2\), 要么 \(\equiv1\pmod4\), 肯定不是 \(p\). 至此已经知道, 在\(n\) 的质因数分解式中, \(p\) 的指数是偶数.

Jun 092012
 

Bertrand’s postulate states that if \(x\geq4\), then there always exists at least one prime \(p\) with\(x<p<2x-2\). A weaker but more elegant formulation is: for every \(x>1\) there is always at least one prime p such that \(x<p<2x\).

In 1919, Ramanujan used properties of  the  Gamma function to give a simple  proof  that  appeared as  a  paper “A proof of Bertrand’s postulate” in the  Journal of the Indian Mathematical Society \( 11: 181–182\).

Let’s begin with the  Chebyshev function :

The  first  Chebyshev  function \(\vartheta(x)\)  is defined with

\begin{equation}\vartheta(x)=\sum_{p\leqslant x}\log p,\end{equation}

The second Chebyshev function \(\psi(x)\) is given by

\begin{equation}\psi(x)=\sum_{i\geqslant 1}\vartheta(x^{\frac1i}),\end{equation}

so

\begin{equation}\log \left[x\right]!=\sum_{i\geqslant 1}\psi(\frac1ix) ,\end{equation}

where \(\left[x\right]\)denotes as usual the greatest integer \(\leqslant x\).

From \((2)\) we have

\begin{equation}\psi(x)-2\psi(\sqrt{x})=\vartheta(x)-\vartheta(x^\frac12)+\vartheta(x^\frac13)-\dotsb,\end{equation}

and from \((3)\)

\begin{equation}\log\left[x\right]!-2\log\left[\frac12x\right]!=\psi(x)-\psi(\frac12x)+\psi(\frac13x)-\dotsb .\end{equation}

Remembering  that \(\vartheta(x)\) and \(\psi(x)\) are steadily increasing functions, from \((4)\) and \((5)\) we get that

\begin{equation}\psi(x)-2\psi(\sqrt{x})\leqslant\vartheta(x)\leqslant\psi(x);\end{equation}

and

\begin{equation}\psi(x)-\psi(\frac12x)\leqslant \log \left[x\right]!-2\log \left[\frac12x\right]!\leqslant\psi(x)-\psi(\frac12x)+\psi(\frac13x). \end{equation}

But it is easy to see that

\begin{equation}\begin{split}\log \Gamma(x)-2\log \Gamma(\frac12x+\frac12)&\leqslant \log \left[x\right]!-2\log \left[\frac12x\right]!\\&\leqslant\log \Gamma(x+1)-2\log \Gamma(\frac12x+\frac12).\end{split}\end{equation}

Now using Stirling’s approximation we deduce from \((8)\) that

\begin{equation}\log \left[x\right]!-2\log \left[\frac12x\right]!<\frac34x, \text{if}  x>0;\end{equation}

and

\begin{equation}\log \left[x\right]!-2\log \left[\frac12x\right]!>\frac23x, \text{if}  x>300.\end{equation}

It follows from \((7)\), \((9)\) and  \((10)\) that

\begin{equation}\psi(x)-\psi(\frac12x)<\frac34x, \text{if}  x>0;\end{equation}

and

\begin{equation}\psi(x)-\psi(\frac12x)+\psi(\frac13x)>\frac23x, \text{if } x>300. \end{equation}

Now changing \(x\) to \(\frac12x\), \(\frac14x\), \(\frac18x\), \(\dotsc\) in \((11)\) and adding up all the results, we obtain

\begin{equation}\psi(x)<\frac32x,\text{if}  x>0.\end{equation}

Again we have

\begin{equation}\begin{split}\psi(x)-\psi(\frac12x)+\psi(\frac13x)&\leqslant\vartheta(x)+2\psi(\sqrt{x})-\vartheta(\frac12x)+\psi(\frac13x)\\&<\vartheta(x)-\vartheta(\frac12x)+\frac12x+3\sqrt{x},\end {split}\end{equation}

in virtue of  \((6)\) and \((13)\).

It  follow from \((12)\) and \((14)\) that

\begin{equation}\vartheta(x)-\vartheta(\frac{1}{2}x)>\frac{1}{6}x-3\sqrt{x}, \text{ if }x>300.\end{equation}

But it is obvious that

\begin{equation}\frac16x-3\sqrt{x}\geqslant 0\text{, if } x\geqslant 324,\end{equation}

Hence

\begin{equation}\vartheta(2x)-\vartheta(x)>0, \text{if } x\geqslant162.\end{equation}

In other words there is at least one prime between \(x\) and \(2x\) if  \(x\geq162\). Thus Bertrand’s postulate is proved for all values of  \(x\) not less than \(162\); and, by actual verification, we find that it is true for smaller values.

 

Since \(\pi(x)-\pi(\frac12x)\)  is the number of   primes  bwteen  \(x\) and  \(\frac12x\), and \(\vartheta(x)-\vartheta(\frac12x)\) is the  sum of  logarithms of  primes bwteen \(x\) and  \(\frac12x\),  It is obvious that

\begin{equation}\vartheta(x)-\vartheta(\frac12x)\leqslant(\pi(x)-\pi(\frac12x))\log x,\end{equation}

for all values of  \(x\). It follows from \((15)\) and \((18)\) that

\begin{equation}\pi(x)-\pi(\frac12x)\gt\frac1{\log x}(\frac16x-3\sqrt{x}), \text{ if }  x\gt 300.\end{equation}

From this we easily deduce that

\begin{equation}\pi(x)-\pi(\frac12x)\geqslant1,2,3,4,5,\dotsc\text{, if } x\geqslant2,11,17,29,41,\dotsc\end{equation}

respectively.

Jun 072012
 

Terence Tao(陶哲轩)\(1\)月\(31\)日, 提交了一篇论文 “Every odd number greater than 1 is the sum of at most five primes“. 这篇文章的主要结果, 正如标题展示的, 每个奇数可以表示为不超过\(5\)个质数之和. 显然, 这个结果和 Goldbach’s conjecture(哥德巴赫猜想)有关, 把奇数情形的哥德巴赫猜想, 即弱哥德巴赫猜想(Goldbach’s weak conjecture)推进了一步, 也改进了 Ramare 的结论: 每个偶数可以表示为不超过\(6\)个质数的和.

Tao 的论文, 有 \(44\) 页, 这里是pdf . 所采用的工具, 是哈代和立特伍德所创造的圆法(Hardy–Littlewood circle method), 结合了一些另外的技巧.

次日, Tao 在他的博客 之中, 写了一篇日志 描述了证明的大概轮廓.

这个事情最近上了新闻. 这是意料当中的情事! 这篇论文已提交学术刊物, 专家们正在审查. 英国《自然》杂志网站\(5\)月\(14\)日报道说, 陶哲轩在研究“弱哥德巴赫猜想”上取得突破, 有望最终解决这个世纪难题, 详细的报道在这个Mathematicians come closer to solving Goldbach’s weak conjecture.

Jun 072012
 

密率与无限算术级数

Szemerédi’s theorem 任意有正(上)密率的正整数的子集必定包含任意长的算术级数.

Van der Waerden’s theorem 把正整数集合任意划分成两个子集, 必有一个子集包含任意长的算术级数.

这里先要说明的是, Szemerédi’s theorem中的子集未必包含无限长的算术级数, Van der Waerden’s theorem 也未必有一个子集包含无限长的算术级数. 看下面的例子:

\[ \{1,2,3\}\bigcup \{n: 2^{2i} \leqslant n < 2^{2i+1}, i \in {\Bbb N}\}\]

问题:正整数集合的子集 \( A\) 的密率 \( \sigma (A)\) 满足什么条件的时候, 必定包含无限长的算术级数呢?

上面的例子说明,\( \sigma (A) > 0 \)不能保证包含无限长的算术级数. 那么, 是否存在一个正数 \( \gamma \), 使得只要 \( \sigma (A) \geqslant \gamma \), 就有 \( A\) 包含无限长的算术级数呢?[问题提出于10月9日, 写在 WordPress 的一个免费 blog 是10日]

很不幸.  没有这样的正数.  事实上, 任何正数 \( \gamma < 1 \), 有正整数集合的子集 \( A \) , 满足 \( \sigma (A) > \gamma\) ,但是 \( A\) 并不包含无限长的算术级数 . 比如,考虑下面的例子:

\( 1, 2, 3, \dotsc, 10\), 去掉最后\( 1\)个;
\( 11, 12, 13, \dotsc, 100\), 去掉最后\( 9\)个;
\( 101, 102, 103, \dotsc, 1000\), 去掉最后\( 90\)个;
如此下去,\(\dotsc\)

这样得到的正整数集合的子集的密率是\( 0.9\), 但是没有无限长的算术级数, 因为相邻两项的差可以任意大.

那么,进一步考虑[10月12日]:
\[ a_1 < a_2 < a_3 < \dotsb\]
是一正整数列, 并且存在 \(m\), 使得
\[ a_{i+1} – a_i < m\]
对所有的正整数 \( i\) 成立, 其密率很接近 \(1\), 则该数列包含无限长的算术级数.

很遗憾,答案也是否定的. 事实上, 无限长的算术级数必是以下三种形式之一:

  • 全部是奇数;
  • 全部是偶数;
  • 奇偶交替。

于是,很容易就做出反例来,而且这样的正整数的子列的密率可以任意接近 \( 1\).

Start from x1= 1

The first 101  increments are all 1: 2,…, 102
Followed by 1 2-increments: 104 (all even)
Then, 1001   1-increments, 105,… 1105
followed by 2 2-increments: 1107, 1109 (all odd)
Then 10001  1-increments
followed by 3 2-increments:  (all even)
Then 100001  1-increments
followed by 4 2-increments  (all odd)
….

The idea is to make the 2-increment blocks to be all even follwed by all odd
follwed by all even …..

看来, 要找出一个充要条件还真难! [ 11月1日1时24分]

[本文实际上,完成于 2009 年,是我在 mitbbs 的一个帖子密率与无穷项等差数列的讨论.]