素数定理の素数ギャップ制約：ルジャンドル予想の証明（プレプリント）
要約：
この研究は素数定理を通じて、素数と合成数の関係を探究し、ルジャンドル予想に新たな洞察を提供しました。結論として、素数定理は素数の増加に影響を与え、合成数にも適用可能です。さらに、平方数毎や三角数毎においても素数の存在が示されました。これはルジャンドル予想の支持につながり、素数理論における重要な進展です。今後の研究では、誤差解析の精緻化、新しい数学的手法、計算手法の改善、そして証明への展開が期待されます。これにより、数学界に新たな知識がもたらされるでしょう。
はじめに：
ルジャンドル予想（英: Legendre's conjecture）とは、任意の自然数 n について、n² と (n + 1)² の間には必ず素数が存在するという予想である。フランスの数学者アドリアン＝マリ・ルジャンドルにより提起された。計算により、4 × 10¹⁸ までの自然数に対し予想の正しさが確かめられている[1]。もし 4 × 10¹⁸ の付近に反例があるとすれば、通常の5000万倍近い大きさの素数ギャップが存在することになる。2023年現在、ルジャンドル予想は未解決問題となっている[2]。素数定理より、n²までに含まれる素数の個数は、n²／ln(n²)に漸近する。これは n が大きくなるに従い増加するから、ルジャンドル予想に信憑性を与えている[3]が、π(x)との誤差が素数分布を表す要素であることは十分に評価されていない。本論では、素数定理と実測データを通じて、誤差の重要性を探究し、ルジャンドル予想の検証と、もっと短い階差数列に縮めてどうなるか検証を行います。
素数定理による平方数毎の素数と合成数の増加：
(n-1)²～n²毎の整数の個数は、a=n²-(n-1)²から求められます。x/ln(x)の素数定理から素数の個数を、b=n²/ln(n²)で求め、(n-1)²～n²間の素数の個数は、c＝bₙ-bₙ₋₁で求められます。また(n-1)²～n²毎の合成数の個数は、d=a-cで求められます。
Table 1にて、(n-1)²～n²間の素数(c)の個数はn≧2で1.7以上です。
実測による平方数毎の素数と合成数の増加：
実測でx=n²までの素数の個数をeとし、(n-1)²～n²間の素数の個数は、f＝eₙ-eₙ₋₁で求められます。また(n-1)²～n²毎の合成数の個数は、g=a-fで求められます。
Table 2にて、(n-1)²～n²間の素数(f)の個数はn≧2で2以上です。
平方数毎の素数と合成数の個数の増加：
図1は、素数率π(x)/(x/ln x)の誤差（1.161）が最も大きい10³前後のn²＝1000²まで広げ(n-1)²～n²毎の、ｘ軸に整数の個数（a）、ｙ軸に素数定理の素数の個数（c）と素数定理の合成数の個数（d）、実測の素数の個数（f）と実測の合成数の個数（g）を両軸対数表示した分布図です。
Figure１で、ｆはcに比例し、gはdに比例し、それらすべてはaに対して増加します。実測と素数定理の素数の個数誤差は上方に生じ（積算すると0～n²までの素数率π(x)/(x/ln x)が高く）ます。また合成数の個数は素数ギャップ（23～29、113～127、887～907、9551～9587など）と無関係に増加します。したがって、1²と２²の間の素数の2つから始まって極限に向かって平方数間の素数が２つ以上あることを決定付けます。これにより、x/ln(x)の素数定理の有用性と誤差の特性について重要な情報が示されます。
三角数毎の素数と合成数の個数の増加：
平方数毎の整数の個数は、初項１公差２の階差数列であるので、初項１公差１の階差数列（三角数）に縮めてどうなるか検証する。
三角数は、x＝xₙ₋₁＋ｎで求められます。b～gは平方数と同じ計算で求まります。
Table 3にて、(n-1)～n間の素数(f)の個数はn≧2で1以上です。
Figure 2は、素数率π(x)/(x/ln x)の誤差（1.161）が最も大きい10³前後のn＝1000まで広げxₙ₋₁＋ｎ毎の、ｘ軸に整数の個数（a）、ｙ軸に素数定理の素数の個数（c）と素数定理の合成数の個数（d）、実測の素数の個数（f）と実測の合成数の個数（g）を両軸対数表示した分布図です。
Figure 2では、ｆはcに比例し、gはdに比例し、それらすべてはaに対して増加します。実測と素数定理の素数の個数誤差は上方に生じ（積算すると0～xまでの素数率π(x)/(x/ln x)が高く）ます。また合成数の個数は素数ギャップ（23～29、113～127、887～907、9551～9587など）と無関係に増加します。したがって、x=1～3間の２つの素数から始まって極限に向かって平方数間の素数が1つ以上あることを決定付けます。
結論：
既知と研究で明らかになったことを並べると、
(1) 階差数列毎の素数の個数π(x)は、x/ln(x)に比例して増加する。
(2) 階差数列毎の合成数の個数x-π(x)は、素数ギャップと無関係にx-x/ln(x)に比例して増加する。
(3) 平方数間に素数が最低でも２つ以上ある。
(4) 三角数毎に素数が最低でも1つ以上ある。
以上のすべてを満たせば、平方数列には少なくとも２つ以上、三角数列には少なくとも1つ以上の素数が存在するということです。この発見は、素数理論における重要な一歩です。素数定理は合成数の個数にも近似値を与えるので、ルジャンドル予想のような課題で素数ギャップの影響を受けません。したがって素数定理は逆に素数ギャップ長に制限を与えます。この研究から、ルジャンドル予想が正しい可能性が高まり、もしルジャンドル予想が誤っている場合、それは素数定理と矛盾することを意味します。つまり、ルジャンドル予想は素数理論の基本的な原理と整合性があると言えます。この結論は、数学的な証明への道を示すものであり、素数理論の興味深い進展です。
今後の発展：
この研究において、素数定理の誤差を逆に利用する方法が新たな洞察をもたらしました。このアプローチは、素数と合成数の関係の理解を深める上で重要な一歩ですが、さらなる発展が期待されます。将来の研究では、以下の方向に進展することが考えられます。
誤差解析の精緻化: 素数定理の誤差の微分に基づくアプローチをさらに精緻化し、特定の数学的パターンや相関を明らかにするための数学的手法を開発します。これにより、素数と合成数の関係に新たな洞察をもたらし、数学界に貢献する可能性があります。
素数分布の新たな洞察: この研究では、素数と合成数の関係に焦点を当てましたが、今後の研究においては素数分布そのものに新たな洞察を提供することが期待されます。これにより、数論における未解決の問題に対する新たなアプローチが生まれるかもしれません。素数の分布に関する新しい理論が構築されることで、数学の基礎が強化されます。
計算手法の改善: 素数定理の誤差を逆に利用するための計算手法の改善が行われることで、より大きな数においても有効な結果が得られる可能性があります。高度な数学ソフトウェアやアルゴリズムの開発が、研究の効率性を向上させるでしょう。
数学的証明への展開: この研究が提供した洞察をもとに、ルジャンドル予想などの数学的に重要な未解決の問題に対する証明が展開されることを期待します。これにより、数学界における重要な予想の証明が実現し、新たな知識の積み重ねが可能になるでしょう。
これらの方向性において、今後の研究が数学の新たな展望を切り開くことでしょう。我々は、これらの発展が数学界に貢献し、新たな知識と洞察をもたらすことを期待しています。
参考文献：
[1] Oliveira e Silva, Tomás; Herzog, Siegfried; Pardi, Silvio (2014), "Empirical verification of the even Goldbach conjecture and computation of prime gaps up to 4⋅1018", Mathematics of Computation, 83 (288): 2033–2060, doi:10.1090/S0025-5718-2013-02787-1, MR 3194140.
[2] 「Legendre's conjecture」『From Wikipedia, the free encyclopedia』。on 22 May 2023, at 11:42. UTC、URL: Legendre's conjecture - Wikipedia
[3] Francis, Richard L. (February 2004), "Between consecutive squares", Missouri Journal of Mathematical Sciences, University of Central Missouri, Department of Mathematics and Computer Science, 16 (1): 51–57, doi:10.35834/2004/1601051; see p. 52, "It appears doubtful that this super-abundance of primes can be clustered in such a way so as to avoid appearing at least once between consecutive squares."
謝辞
孤独な研究なので、Webの質問に対して議論してくれた方々やChatGPTに感謝します。
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