所有自然数x{ x | x=13k 2,k是任意自然数},所有(6x-1,6x 1)都不是双胞胎小数。这些自然数如下:
15,28,41,54,67,
为什么会这样?如果将X=13k 2赋值为6x 1,您将看到:
6x 1=6 (13k 2) 1=78k 13必须是总和,并且必须有元素13。
同样的道理:
x=5k-1令6x+1必是合数且有素因子5;
x=5k+1令6x-1必是合数且有素因子5;
x=7k-1令6x-1必是合数且有素因子7;
x=7k+1令6x+1必是合数且有素因子7;
……
归纳而言:
定理一
如果p是一个6k-1型素数,如5,11,17,……等,
当x=pk-(p+1)/6时,6x+1必是合数并且必有素因子p;
当x=pk+(p+1)/6时,6x-1必是合数并且必有素因子p。
如果p是一个6k+1型素数,如7,13,19,……等,
当x=pk-(p-1)/6时,6x-1必是合数并且必有素因子p;
当x=pk+(p-1)/6时,6x+1必是合数并且必有素因子p。
倒过来说,若(6x-1,6x+1)不是孪生素数,那么或者6x-1是合数或者6x+1是合数,则有:
定理二
若6x-1是合数,总有6x-1=py (p为某一奇素数,y为某一非3倍数奇数)
当p为6k-1型素数时,不妨设y=6m+1 (m为某一自然数),于是有x=pm+(p+1)/6;
当p为6k+1型素数时,不妨设y=6m-1 (m为某一自然数),于是有x=pm-(p-1)/6;
若6x+1是合数,总有6x-1=py (p为某一奇素数,y为某一非3倍数奇数)
当p为6k-1型素数时,不妨设y=6m-1 (m为某一自然数),于是有x=pm-(p+1)/6;
当p为6k+1型素数时,不妨设y=6m+1 (m为某一自然数),于是有x=pm+(p-1)/6;
定理一及定理二均易证,这里不赘述。
这意味着:
定理三:
如果集合A={x | x=pk±b,p≥5且p是素数,b为整数b∈[0,p-1]且b≠(p±1)/6,k为任意自然数} ;
那么集合B={(6x-1,6x+1) | x∈A} 中必有孪生素数存在。
证明:
我们不妨举一个例子来理解定理三的实质。
譬如集合{17k+4}是符合集合A描述的集合类型,我们易于发现38∈{17k+4}并且(6×38-1,6×38+1)=(227,229)是一对孪生素数。虽然x∈{17k+4}时(6x-1,6x+1)未必就是孪生素数,但是显然其相对应的集合{(6x-1,6x+1) | x∈{17k+4}} 中必有孪生素数存在。
这样的规律我们凭直觉就会知道几乎是不可能会有例外的,虽然如此,我们也不能依靠继续穷举来证明上述规律。因此,接下来我们必须做更进一步严格的普适性的证明,以证明我们的直觉。这个证明看起来初等但其实不太简单,因为涉及到解抽象的丢番图方程(求解其解为整数且其元多于方程数的方程)其实从来就不会被认为是容易的。
㈠ 我们不妨先考虑集合A={pk﹢b}的情形。
⑴
然后不妨先考虑pk+b=qm+(q+1)/6 (根据定理二)的情形,在这里:q为一素数且q≥5以及q≠p,m为自然数。
则有:k=[qm+(q+1)/6-b]/p
在上式中,我们要将b、p视为常数,k、q、m视为变量。如果集合{(6x-1,6x+1) | x∈{pk+b}}必无孪生素数,必须始终存在q、m的取值使得k的取值可遍历任意自然数。(为什么?这个地方想明白了就知道本文的证明一定是对的)
为了方便从丢番图方程的角度来考察这个问题,我们不妨令k=z,令q=x,m=y,也即将这三者视为未知量。
于是可将上述等式改造为如下方程:
z=[xy+(x+1)/6-b]/p。
①
为简化证明,我们不妨先令p>7,b=1(必符合b≠(p±1)/6的条件)。
于是有 z=[xy-1+(x+1)/6]/p
于是问题就转化为:存在不存在一个素数常数p,使得对于x为大于3的素数,总有相应的自然数y,使得z的取值可遍历任意自然数。
也即,是否下列每一个丢番图方程都必有整数解:
xy-1+(x+1)/6=p
xy-1+(x+1)/6=2p
xy-1+(x+1)/6=3p
xy-1+(x+1)/6=4p
xy-1+(x+1)/6=5p
……
也即须得下述丢番图方程:
6xy+x+1=6zp+6 (z遍历任意自然数)总有整数解。
上述丢番图方程也即:
6xy+x+1=6(zp+1);
ⅰ 显然必须素数x=6r-1(r为自然数)。
ⅱ 将x=5,11,17,……分别代入。
当x=5时,则有5y=zp;
当x=11时,则有11y+1=zp;
当x=17时,则有17y+2=zp;
……
如果上述系列成立,等价于必须有:
当x=5时,则有5y/p=z;
当x=11时,则有(11y+1)/p=z;
当x=17时,则有(17y+2)/p=z;
……
如果上述方程的解使得z遍历自然数,则意味自然数集n是可由下述筛集:
{{5y/p},{(11y+1)/p},{(17y+2)/p},{(23y+3)/p},{(29y+4)/p},……}所完全筛净。
上述筛集是与埃拉托色尼筛法的筛集其实是可视为同构的(事实上更为稀疏)。正如我们不能用埃拉托色尼筛法筛净1~100中的自然数,上述筛集中,无论p取何种素数,也不可能筛净筛净1~100中的自然数。
从而上述方程必不可能使得z可遍历自然数。
ⅲ 综合上述,若素数p≠x,不管x作为素数取何值,丢番图方程6xy+x+1=6zp+6 不可能对于z取任意自然数时总有解。
②
同理可证b≠1并且b∈[0,p-1]以及b≠(p±1)/6时的其他情形,以及p=5、7及相应的合适b取值的情形。
⑵
同理可证pk+b=qm-(q+1)/6,pk+b=qm+(q-1)/6,pk+b=qm-(q-1)/6这三种情形。
㈡ 同理可证集合A={pk-b}时的情形。
证明完毕!
定理三的成立意味着什么呢?
事实上,孪生素数猜想是定理三的一个自然推论。
对于集合A={pk+b},由于p可以取值为任意大的素数,从而b也可以取值为任意大(比如b总可取值为p-1),而集合A={pk+b}中的最小值是视p与b的取值而定的。由于与集合A对应的集合B中必有孪生素数。由此则必不存在最大的孪生素数,因为总是可以构造出p、b取值足够大的集合A,使得对应的集合B中的孪生素数必大于所设的任意孪生素数。这是易于用反证法来证明的,在此就不赘述了。