直至
n
≤
30000
{\displaystyle n\leq 30000}
為止的
π
(
x
;
4
,
3
)
−
π
(
x
;
4
,
1
)
{\displaystyle \pi (x;4,3)-\pi (x;4,1)}
的值。
在數論 上,切比雪夫偏差 (Chebyshev's bias)指的是說在多數時候,在給定的界限下,除4餘3的質數個數,會多於除4餘1的質數的現象。這現象最早由帕夫努季·切比雪夫 於1853年觀察到。
設
π
(
x
;
n
,
m
)
{\displaystyle \pi (x;n,m)}
為不大於x 且形如
n
k
+
m
{\displaystyle nk+m}
的質數的數量,那麼根據質數定理 在算術數列上 的推廣,有以下關係:
π
(
x
;
4
,
1
)
∼
π
(
x
;
4
,
3
)
∼
1
2
x
log
x
.
{\displaystyle \pi (x;4,1)\sim \pi (x;4,3)\sim {\frac {1}{2}}{\frac {x}{\log x}}.}
也就是說,大約一半的質數除4餘1,另外一半則是除4餘3的。因此一個合理的猜測是
π
(
x
;
4
,
1
)
>
π
(
x
;
4
,
3
)
{\displaystyle \pi (x;4,1)>\pi (x;4,3)}
跟
π
(
x
;
4
,
3
)
>
π
(
x
;
4
,
1
)
{\displaystyle \pi (x;4,3)>\pi (x;4,1)}
的發生率大約相等;然而這點並不受數據支持,實際上,
π
(
x
;
4
,
3
)
>
π
(
x
;
4
,
1
)
{\displaystyle \pi (x;4,3)>\pi (x;4,1)}
遠遠更常發生。像例如說對於所有小於26833且不等於5、17、41及461的x 而言,
π
(
x
;
4
,
3
)
>
π
(
x
;
4
,
1
)
{\displaystyle \pi (x;4,3)>\pi (x;4,1)}
,而在x 等於5、17、41及461的狀況下,則有
π
(
x
;
4
,
3
)
=
π
(
x
;
4
,
1
)
{\displaystyle \pi (x;4,3)=\pi (x;4,1)}
;而第一個使得
π
(
x
;
4
,
1
)
>
π
(
x
;
4
,
3
)
{\displaystyle \pi (x;4,1)>\pi (x;4,3)}
的x 是26861,也就是說,對於任意的x < 26861 而言,
π
(
x
;
4
,
3
)
≥
π
(
x
;
4
,
1
)
{\displaystyle \pi (x;4,3)\geq \pi (x;4,1)}
。
更一般地,若
0
<
a
,
b
<
n
{\displaystyle 0<a,b<n}
是整數,其彼此的最大公因數有
gcd
(
a
,
n
)
=
gcd
(
b
,
n
)
=
1
{\displaystyle \gcd(a,n)=\gcd(b,n)=1}
這樣的關係,且a 為模n 的二次剩餘a 為模n 的二次非剩餘,那麼
π
(
x
;
n
,
b
)
>
π
(
x
;
n
,
a
)
{\displaystyle \pi (x;n,b)>\pi (x;n,a)}
是更常發生的。這點只有在假定強形式的黎曼猜想 成立的狀況下得證。
Knapowski 和圖蘭 兩氏曾提出更強的猜想,認為使得
π
(
x
;
4
,
3
)
>
π
(
x
;
4
,
1
)
{\displaystyle \pi (x;4,3)>\pi (x;4,1)}
成立的x 的密度 為一,也就是說
π
(
x
;
4
,
3
)
>
π
(
x
;
4
,
1
)
{\displaystyle \pi (x;4,3)>\pi (x;4,1)}
對幾乎所有 的x 成立;然而這兩氏提出的猜想已被否證;而實際上使之成立的數的對數密度 大約為0.9959.... 。[ 1]
相關的問題可轉化成對於
k
=
−
4
{\displaystyle k=-4}
而言,使得
∑
q
≤
p
,
q
is prime
(
k
q
)
>
0
{\displaystyle \sum _{q\leq p,\ q\ {\text{is prime}}}\left({\frac {k}{q}}\right)>0}
成立的最小質數p ,其中
(
m
n
)
{\displaystyle \left({\frac {m}{n}}\right)}
是克羅內克符號 ;然而對於任意給定的不為零的k (不僅是
k
=
−
4
{\displaystyle k=-4}
),也能找使上式成立的最小質數p 。從質數定理可知,對於任意非零的整數k ,有無限多個質數p 滿足此條件。
對於正整數
k
=
1
,
2
,
3
,
⋯
{\displaystyle k=1,2,3,\cdots }
而言,最小質數p 如下所示:
2, 11100143, 61981, 3, 2082927221, 5, 2, 11100143, 2, 3, 577, 61463, 2083, 11, 2, 3, 2, 11100121, 5, 2082927199, 1217, 3, 2, 5, 2, 17, 61981, 3, 719, 7, 2, 11100143, 2, 3, 23, 5, 11, 31, 2, 3, 2, 13, 17, 7, 2082927199, 3, 2, 61463, 2, 11100121, 7, 3, 17, 5, 2, 11, 2, 3, 31, 7, 5, 41, 2, 3, ... ( A306499 是 A003658 對於
k
=
1
,
5
,
8
,
12
,
13
,
17
,
21
,
24
,
28
,
29
,
33
,
37
,
40
,
41
,
44
,
53
,
56
,
57
,
60
,
61
,
⋯
{\displaystyle k=1,5,8,12,13,17,21,24,28,29,33,37,40,41,44,53,56,57,60,61,\cdots }
的子序列)
對於負整數
k
=
1
,
2
,
3
,
⋯
{\displaystyle k=1,2,3,\cdots }
而言,最小質數p 如下所示:
2, 3, 608981813029, 26861, 7, 5, 2, 3, 2, 11, 5, 608981813017, 19, 3, 2, 26861, 2, 643, 11, 3, 11, 31, 2, 5, 2, 3, 608981813029, 48731, 5, 13, 2, 3, 2, 7, 11, 5, 199, 3, 2, 11, 2, 29, 53, 3, 109, 41, 2, 608981813017, 2, 3, 13, 17, 23, 5, 2, 3, 2, 1019, 5, 263, 11, 3, 2, 26861, ... ( A306500 是 A003657 對於
k
=
−
3
,
−
4
,
−
7
,
−
8
,
−
11
,
−
15
,
−
19
,
−
20
,
−
23
,
−
24
,
−
31
,
−
35
,
−
39
,
−
40
,
−
43
,
−
47
,
−
51
,
−
52
,
−
55
,
−
56
,
−
59
,
⋯
{\displaystyle k=-3,-4,-7,-8,-11,-15,-19,-20,-23,-24,-31,-35,-39,-40,-43,-47,-51,-52,-55,-56,-59,\cdots }
的子序列)
對於任意非平方整數k 而言,多數時候,在給定的界限下,使得
(
k
p
)
=
−
1
{\displaystyle \left({\frac {k}{p}}\right)=-1}
的質數p 會多於使得
(
k
p
)
=
1
{\displaystyle \left({\frac {k}{p}}\right)=1}
質數p 。
設m 和n 是兩個彼此互質的正整數,那麼可定義以下函數:
f
(
m
,
n
)
=
∑
p
is prime,
p
∣
φ
(
n
)
,
x
p
≡
m
(
mod
n
)
has a solution
(
1
p
)
{\displaystyle f(m,n)=\sum _{p{\text{ is prime, }}p\,\mid \,\varphi (n),\ x^{p}\,\equiv \,m{\pmod {n}}{\text{ has a solution }}}\left({\frac {1}{p}}\right)}
其中
φ
{\displaystyle \varphi }
是歐拉函數 。
這函數的一些數值如次:
f
(
1
,
5
)
=
f
(
4
,
5
)
=
1
/
2
,
f
(
2
,
5
)
=
f
(
3
,
5
)
=
0
,
f
(
1
,
6
)
=
1
/
2
,
f
(
5
,
6
)
=
0
,
f
(
1
,
7
)
=
5
/
6
,
f
(
2
,
7
)
=
f
(
4
,
7
)
=
1
/
2
,
f
(
3
,
7
)
=
f
(
5
,
7
)
=
0
,
f
(
6
,
7
)
=
1
/
3
,
f
(
1
,
8
)
=
1
/
2
,
f
(
3
,
8
)
=
f
(
5
,
8
)
=
f
(
7
,
8
)
=
0
,
f
(
1
,
9
)
=
5
/
6
,
f
(
2
,
9
)
=
f
(
5
,
9
)
=
0
,
f
(
4
,
9
)
=
f
(
7
,
9
)
=
1
/
2
,
f
(
8
,
9
)
=
1
/
3
{\displaystyle f(1,5)=f(4,5)=1/2,f(2,5)=f(3,5)=0,f(1,6)=1/2,f(5,6)=0,f(1,7)=5/6,f(2,7)=f(4,7)=1/2,f(3,7)=f(5,7)=0,f(6,7)=1/3,f(1,8)=1/2,f(3,8)=f(5,8)=f(7,8)=0,f(1,9)=5/6,f(2,9)=f(5,9)=0,f(4,9)=f(7,9)=1/2,f(8,9)=1/3}
。
目前有猜想認為,若若
0
<
a
,
b
<
n
{\displaystyle 0<a,b<n}
是整數,其彼此的最大公因數有
gcd
(
a
,
n
)
=
gcd
(
b
,
n
)
=
1
{\displaystyle \gcd(a,n)=\gcd(b,n)=1}
這樣的關係,且同時
f
(
a
,
n
)
>
f
(
b
,
n
)
{\displaystyle f(a,n)>f(b,n)}
成立,那麼
π
(
x
;
n
,
b
)
>
π
(
x
;
n
,
a
)
{\displaystyle \pi (x;n,b)>\pi (x;n,a)}
是更常發生的。
^ (Rubinstein—Sarnak, 1994)
P.L. Chebyshev: Lettre de M. le Professeur Tchébychev à M. Fuss sur un nouveaux théorème relatif aux nombres premiers contenus dans les formes 4n + 1 et 4n + 3, Bull. Classe Phys. Acad. Imp. Sci. St. Petersburg , 11 (1853), 208.
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J. Kaczorowski: On the distribution of primes (mod 4), Analysis , 15 (1995), 159–171.
S. Knapowski, Turan: Comparative prime number theory, I, Acta Math. Acad. Sci. Hung. , 13 (1962), 299–314.
Rubinstein, M.; Sarnak, P. Chebyshev's bias. Experimental Mathematics . 1994, 3 (3): 173–197. doi:10.1080/10586458.1994.10504289 .