引言

虽然已经翻译了GPY论文的两节,但是最主要的内容并没有翻译,也就是用命题1命题2去证明最重要的定理1定理2,因此这也是不得不细品的一个环节.

原文的链接可以见:https://www.jstor.org/stable/25662161.

当然,前面两节的拙劣翻译也可见我的前一篇博客.后续我将看一下命题1和命题2的证明过程,然后更新张益唐的想法与思路,而这一部分应该会更加简略一些.然后补充一下陈定理的博客,现在应该会轻松很多了吧.最后就是Maynard和Polymath的论文部分,当然也是前者为主.

命题和定理

以下是我们需要的命题.而其证明过程我后边再简单看一下好了.

命题1.H=H1H2\mathcal{H} = \mathcal{H}_1 \cup \mathcal{H}_2,Hi=ki|\mathcal{H_i}| = k_i,并且r=H1H2r = |\mathcal{H_1} \cap \mathcal{H_2}|.如果RN12(logN)4MR \ll N^{\frac{1}{2}} (\log N)^{-4M},以及对任意C>0C > 0hRCh \le R^C,那么当R,NR,N \to \infty时我们有

nNΛR(n;H1,1)ΛR(n;H2,2)=(1+21)(logR)r+1+2(r+1+2)!(S(H)+oM(1))N.(2.14)\sum_{n \le N} \Lambda_R(n; \mathcal{H}_1, \ell_1)\Lambda_R(n; \mathcal{H}_2, \ell_2) = \dbinom{\ell_1 + \ell_2}{\ell_1} \frac{(\log R)^{r + \ell_1 + \ell_2}}{(r + \ell_1 + \ell_2)!} (\mathfrak{S}(\mathcal{H}) + o_M(1))N.\quad (2.14)

命题2.H=H1H2\mathcal{H} = \mathcal{H}_1 \cup \mathcal{H}_2,Hi=ki|\mathcal{H_i}| = k_i,并且r=H1H2r = |\mathcal{H_1} \cap \mathcal{H_2}|,1h0h1 \le h_0 \le h,以及H0=Hh0\mathcal{H}^0 = \mathcal{H} \cup {h_0}.如果对于一个充分大的正常数B(M)B(M)RMN14(logN)B(M)R \ll_M N^{\frac{1}{4}(\log N)^{-B(M)}},以及hRh \le R,那么我们有

nNΛR(n;H1,1)ΛR(n;H2,2)θ(n+h0)={(1+21)(logR)r+1+2(r+1+2)!(S(H0)+oM(1))Nif h0∉H,(1+2+11+1)(logR)r+1+2+1(r+1+2+1)!(S(H0)+oM(1))Nif h0H1 and h0∉H2,(1+2+21+1)(logR)r+1+2+1(r+1+2+1)!(S(H0)+oM(1))Nif h0H1H2.(2.15)\begin{array}{l}\sum_{n \le N} \Lambda_R(n; \mathcal{H}_1, \ell_1)\Lambda_R(n; \mathcal{H}_2, \ell_2)\theta(n+h_0) \\ =\left\{ \begin{array}{ll} \dbinom{\ell_1+\ell_2}{\ell_1} \dfrac{(\log R)^{r + \ell_1 + \ell_2}}{(r+\ell_1+\ell_2)!} (\mathfrak{S}(\mathcal{H}^0)+o_M(1))N & \text{if } h_0 \not\in \mathcal{H}, \\ \dbinom{\ell_1+\ell_2+1}{\ell_1+1} \dfrac{(\log R)^{r + \ell_1 + \ell_2+1}}{(r+\ell_1+\ell_2+1)!} (\mathfrak{S}(\mathcal{H}^0)+o_M(1))N & \text{if } h_0 \in \mathcal{H}_1 \text{ and } h_0 \not\in \mathcal{H}_2, \\ \dbinom{\ell_1+\ell_2+2}{\ell_1+1} \dfrac{(\log R)^{r + \ell_1 + \ell_2+1}}{(r+\ell_1+\ell_2+1)!} (\mathfrak{S}(\mathcal{H}^0)+o_M(1))N & \text{if } h_0 \in \mathcal{H}_1 \cap \mathcal{H}_2. \\ \end{array} \right. \end{array}\quad (2.15)

其中,θ\theta函数的定义见(1.1).

然后就是我们将要证明的两个定理.

定理1. 假设素数的分布水平ϑ>1/2\vartheta>1/2.那么存在一个可明确计算的常数C(ϑ)C(\vartheta),其仅取决于ϑ\vartheta,使得对于任意kC(ϑ)k \ge C(\vartheta),任意的可容许的kk元组,有无穷多个该形式的元组,其中含有至少两个素数.特别地,当ϑ0.971\vartheta \ge 0.971,那么对于k6k \ge 6结论也成立.

定理2. 我们有

Δ1:=lim infnpn+1pnlogpn=0.(1.8)\Delta_1 := \liminf_{n \to \infty}\frac{p_{n+1}-p_n}{\log p_n} = 0.\quad (1.8)

以上就是本文最最关键的成果.并且其证明方式也与Maynard的证明思路很相似.

定理的证明

定理1前半部分的证明

0\ell \ge 0,Hk={h1,h2,,hk}\mathcal{H}_k = \{ h_1, h_2, \cdots, h_k \},1h1,h2,,hkhR1 \le h_1, h_2, \cdots, h_k \le h \le R时,根据命题1,取RN12(logN)B(M)R \ll N^{\frac{1}{2}}(\log N)^{-B(M)}R,NR,N \to \infty,有

nNΛR(n;Hk,)21(k+2)!(2)S(Hk)N(logR)k+2.(3.1)\sum_{n \le N}\Lambda_R(n; \mathcal{H}_k, \ell)^2 \sim \frac{1}{(k+2\ell)!} \dbinom{2\ell}{\ell} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) N(\log R)^{k+2\ell}. \quad (3.1)

而对于任意hiHkh_i \in \mathcal{H}_k,由命题2可知,对于RNϑ2ϵR \ll N^{\frac{\vartheta}{2} - \epsilon}R,NR,N \to \infty,

nNΛR(n,Hk,)2θ(n+hi)2(k+2+1)!(2+1)S(Hk)N(logR)k+2+1.(3.2)\sum_{n \le N}\Lambda_R(n, \mathcal{H}_k, \ell)^2 \theta(n + h_i) \sim \frac{2}{(k+2\ell+1)!} \dbinom{2\ell+1}{\ell} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) N(\log R)^{k+2\ell+1}. \quad (3.2)

于是取R=Nϑ2ϵR = N^{\frac{\vartheta}{2} - \epsilon},便可得到:

S:=n=N+12N(i=1kθ(n+hi)log3N)ΛR(n;Hk,)2k2(k+2+1)!(2+1)S(Hk)N(logR)k+2+1log3N1(k+2)!(2)S(Hk)N(logR)k+2(2kk+2+12+1+1logRlog3N)1(k+2)!(2)S(Hk)N(logR)k+2.(3.3)\begin{array}{ll} \mathcal{S} & := \displaystyle\sum_{n=N+1}^{2N} \left( \displaystyle\sum_{i=1}^k \theta(n+h_i)-\log 3N \right)\Lambda_R(n;\mathcal{H}_k,\ell)^2 \\ \\ & \sim k\dfrac{2}{(k+2\ell+1)!}\dbinom{2\ell+1}{\ell}\mathfrak{S}(\mathcal{H}_k)N(\log R)^{k+2\ell+1} \\ \\ & \quad -\log 3N \dfrac{1}{(k+2\ell)!}\dbinom{2\ell}{\ell}\mathfrak{S}(\mathcal{H}_k)N(\log R)^{k+2\ell} \\ \\ & \sim \left( \dfrac{2k}{k+2\ell+1} \dfrac{2\ell+1}{\ell+1} \log R - \log 3N \right)\dfrac{1}{(k+2\ell)!}\dbinom{2\ell}{\ell}\mathfrak{S}(\mathcal{H}_k)N(\log R)^{k+2\ell}. \end{array}\quad (3.3)

注意,其中i=1kθ(n+hi)log3N\sum_{i=1}^k \theta(n+h_i) - \log 3N十分重要,如果S>0S > 0,我们便可知道的是,在元组Hk\mathcal{H}_k中至少包含有两个素数.将R=Nϑ2ϵR = N^{\frac{\vartheta}{2} - \epsilon}代入,此时便有:

kk+2+12+1+1ϑ>1.(3.4)\dfrac{k}{k+2\ell+1}\dfrac{2\ell+1}{\ell+1}\vartheta > 1.\quad (3.4)

其中k,k,\ell \to \infty=o(k)\ell = o(k).因此上述不等式左侧即为2ϑ2\vartheta.因此当ϑ>1/2\vartheta > 1/2时,我们便可证明素数的有界间隙,也就证完定理1的前半部分了.

并且通过(3.4),我们便可以得到不同的ϑ\vartheta下,使得(3.4)成立的最小的kk和与之对应的\ell,以下h(k)h(k)是可接受的kk元组的最短长度(Mathematica穷举法制作的表格):

ϑ\vartheta kk \ell h(k)h(k)
11 77 11 2020
0.950.95 88 11 2626
0.900.90 99 11 3030
0.850.85 1111 11 3636
0.800.80 1616 11 6060
0.750.75 2121 22 8484
0.700.70 3131 22 140140
0.650.65 5151 33 252252
0.600.60 111111 55 634634
0.550.55 421421 1010 29562956^*

其中29562956^*表示的是一个上界,有可能进一步缩小.

我们发现,当ϑ=1\vartheta = 1,我们便可直接得到k=7k = 7,并且有lim infnpn+1pn20\displaystyle\liminf_{n \to \infty} p_{n+1}-p_n \le 20.其实k=6k = 6也是可以得到的,但是需要一些稍微复杂的论断,因此放到最后再来处理.

定理2的证明

而证明定理2的时候,我们需要对S\mathcal{S}进行修改,我们令:

S~:=n=N+12N(1h0hθ(n+h0)vlog3N)1h1,h2,,hkhdistinctΛR(n;Hk,)2,(3.5)\begin{array}{l} \widetilde{\mathcal{S}} := \displaystyle\sum_{n=N+1}^{2N} \left( \displaystyle\sum_{1 \le h_0 \le h} \theta(n+h_0) - v \log 3N \right) \displaystyle\sum_{\substack{1 \le h_1, h_2, \cdots, h_k \le h \\ \text{distinct}}} \Lambda_R(n; \mathcal{H}_k, \ell)^2, \end{array} \quad (3.5)

这时候,我们便需要使用到命题2,然后再利用Gallagher[9]中的一个结果,也就是当hh \to \infty时有:

1h1,h2,,hkhdistinctS(Hk)hk.(3.7)\sum_{\substack{1 \le h_1, h_2, \cdots, h_k \le h \\ \text{distinct}}} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) \sim h^k. \quad (3.7)

仍然取R=Nϑ2ϵR = N^{\frac{\vartheta}{2} - \epsilon},我们得到:

S~1h1,h2,,hkhdistinct(k2(k+2+1)!(2+1)S(Hk)N(logR)k+2+1+1h0hh0hi,1ik1(k+2)!(2)S(Hk{h0})N(logR)k+2vlog3N1(k+2)!(2)S(Hk)N(logR)k+2)(2kk+2+12+1+1logR+hvlog3N)1(k+2)!(2)Nhk(logR)k+2.(3.8)\begin{array}{ll} \widetilde{\mathcal{S}} & \sim \displaystyle\sum_{\substack{1 \le h_1, h_2, \cdots, h_k \le h \\ \text{distinct}}} \left( k \dfrac{2}{(k+2\ell+1)!} \dbinom{2\ell+1}{\ell} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) N (\log R)^{k + 2\ell + 1} \right. \\ \\ & \quad + \displaystyle\sum_{\substack{1 \le h_0 \le h \\ h_0 \neq h_i, 1 \le i \le k}} \dfrac{1}{(k+2\ell)!} \dbinom{2\ell}{\ell} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k \cup \{h_0\}) N (\log R)^{k + 2\ell} \\ \\ & \quad - \left. v \log 3N \dfrac{1}{(k+2\ell)!} \dbinom{2\ell}{\ell} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) N (\log R)^{k + 2\ell} \right) \\ \\ & \sim \left( \dfrac{2k}{k+2\ell+1} \dfrac{2\ell+1}{\ell+1} \log R + h - v \log 3N \right) \dfrac{1}{(k+2\ell)!}\dbinom{2\ell}{\ell} N h^k (\log R)^{k+2\ell}. \end{array}\quad (3.8)

其中1h0hθ(n+h0)vlog3N>0\displaystyle\sum_{1 \le h_0 \le h} \theta(n+h_0) - v \log 3N > 0便是说明在(n,n+h](n, n+h]中至少有v+1v + 1个素数.此时即为:

h>(v2kk+2+12+1+1(ϑ2ϵ))logN,(3.9)h > \left( v - \dfrac{2k}{k+2\ell+1}\dfrac{2\ell+1}{\ell+1} \left( \dfrac{\vartheta}{2} - \epsilon \right) \right) \log N, \quad (3.9)

于是令=[k/2]\ell = [\sqrt{k} / 2],并且让kk足够大,则得到有:

h>(v2ϑ+4ϵ+O(1k))logN.(3.10)h > \left( v - 2\vartheta + 4\epsilon + O\left( \dfrac{1}{\sqrt{k}} \right) \right) \log N. \quad (3.10)

于是得到了:

Δrmax(v2ϑ,0).(1.11)\Delta_r \le \max(v - 2\vartheta, 0). \quad (1.11)

而定理2即是r=1,ϑ=1/2r = 1, \vartheta = 1/2的特殊情况.因此我们也证明完了定理2.

定理1后半部分的证明

最后我们将证明定理1的后半部分.我们仍然是从S\mathcal{S}入手,令LL\ell的取值,但是仍然有L=o(k)L = o(k),考虑:

S:=n=N+12N(i=1kθ(n+hi)log3N)(=0LaΛR(n;Hk,))2=n=N+12N(i=1kθ(n+hi)log3N)×01,2La1a2ΛR(n;Hk,1)ΛR(n;Hk,2)=01,2La1a2M12,(3.11)\begin{array}{ll} \mathcal{S}' & := \displaystyle\sum_{n=N+1}^{2N} \left( \displaystyle\sum_{i=1}^{k} \theta(n+h_i) - \log 3N \right) \left( \displaystyle\sum_{\ell=0}^{L} a_\ell \Lambda_R(n; \mathcal{H}_k, \ell) \right)^2 \\ \\ & = \displaystyle\sum_{n=N+1}^{2N} \left( \displaystyle\sum_{i=1}^{k} \theta(n+h_i) - \log 3N \right) \\ \\ & \quad \times \displaystyle\sum_{0 \le \ell_1, \ell_2 \le L} a_{\ell_1}a_{\ell_2} \Lambda_R(n; \mathcal{H}_k, \ell_1) \Lambda_R(n; \mathcal{H}_k, \ell_2) \\ \\ & = \displaystyle\sum_{0 \le \ell_1, \ell_2 \le L} a_{\ell_1}a_{\ell_2} \mathcal{M}_{\ell_1\ell_2}, \end{array} \quad (3.11)

其中我们有:

M12=M~12(log3N)M12,(3.12)\mathcal{M}_{\ell_1 \ell_2} = \widetilde{M}_{\ell_1 \ell_2} - (\log 3N) M_{\ell_1 \ell_2}, \quad (3.12)

注意到R=Nϑ2ϵR = N^{\frac{\vartheta}{2} - \epsilon},我们再利用命题1和命题2可得到M12M_{\ell_1 \ell_2}M~12\widetilde{M}_{\ell_1 \ell_2}的表达式:

M12=(1+21)(logR)k+1+2(k+1+2)!S(Hk)N,M_{\ell_1 \ell_2} = \dbinom{\ell_1 + \ell_2}{\ell_1} \dfrac{(\log R)^{k+\ell_1+\ell_2}}{(k+\ell_1+\ell_2)!} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) N,

M~12=k(1+2+21+1)(logR)k+1+2+1(k+1+2+1)!S(Hk)N.\widetilde M_{\ell_1 \ell_2} = k \dbinom{\ell_1+\ell_2+2}{\ell_1+1} \dfrac{(\log R)^{k+\ell_1+\ell_2+1}}{(k+\ell_1+\ell_2+1)!} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) N.

因此我们得到:

M12(1+21)S(Hk)N(logR)k+1+2(k+1+2)!×(k(1+2+2)(1+2+1)(1+1)(2+1)(k+1+2+1)logRlog3N).\begin{array}{rl} \mathcal{M}_{\ell_1 \ell_2} \sim & \dbinom{\ell_1+\ell_2}{\ell_1} \mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) N \dfrac{(\log R)^{k+\ell_1+\ell_2}}{(k+\ell_1+\ell_2)!} \\ \\ & \times \left( \dfrac{k(\ell_1+\ell_2+2)(\ell_1+\ell_2+1)}{(\ell_1+1)(\ell_2+1)(k+\ell_1+\ell_2+1)} \log R - \log 3N \right). \end{array}

如果定义b=(logR)ab_\ell = (\log R)^\ell a_\ell,再记b\mathbf{b}为列向量(b0,b1,,bL)T(b_0, b_1, \cdots, b_L)^T.于是我们得到有:

S(N,Hk,ϑ,b):=1S(Hk)N(logR)k+1S01,2Lb1b2(1+21)1(k+1+2)!×(k(1+2+2)(1+2+1)(1+1)(2+1)(k+1+2+1)2ϑ)bTMb,(3.13)\begin{array}{ll} S^*(N, \mathcal{H}_k, \vartheta, \mathbf{b}) & := \dfrac{1}{\mathfrak{S}(\mathcal{H}_k) N (\log R)^{k+1}} S' \\ \\ & \sim \sum_{0 \le \ell_1, \ell_2 \le L} b_{\ell_1} b_{\ell_2} \dbinom{\ell_1+\ell_2}{\ell_1} \dfrac{1}{(k+\ell_1+\ell_2)!} \\ \\ & \quad \times \left( \dfrac{k(\ell_1+\ell_2+2)(\ell_1+\ell_2+1)}{(\ell_1+1)(\ell_2+1)(k+\ell_1+\ell_2+1)} - \dfrac{2}{\vartheta} \right) \\ \\ & \sim \mathbf{b}^T \mathbf{Mb}, \end{array} \quad (3.13)

其中

M=[(i+ji)1(k+i+j)!(k(i+j+2)(i+j+1)(i+1)(j+1)(k+i+j+1)2ϑ)]0i,jL.(3.14)\mathbf{M} = \left[ \dbinom{i+j}{i} \dfrac{1}{(k+i+j)!} \left( \dfrac{k(i+j+2)(i+j+1)}{(i+1)(j+1)(k+i+j+1)} - \dfrac{2}{\vartheta} \right) \right]_{0 \le i,j \le L}. \quad (3.14)

而我们的目的是,选择一个b\mathbf{b},使得对于给定的ϑ\vartheta以及最小的kk,满足有S>0S^* > 0.而我们如果设b\mathbf{b}M\mathbf{M}对应于λ\lambda的特征向量,我们便有:

SbTλb=λi=0kbi2.(3.15)S^* \sim \mathbf{b}^T \lambda \mathbf{b} = \lambda \sum_{i=0}^k |b_i|^2. \quad (3.15)

因此我们需要让M\mathbf{M}有大于00的特征值,即可满足我们的要求.此时利用Mathematica便可得到一张新的表格,而其较之(3.4)更加精确:

ϑ\vartheta kk \ell h(k)h(k)
11 66 11 1616
0.950.95 77 11 2020
0.900.90 88 22 2626
0.850.85 1010 22 3232
0.800.80 1212 22 4242
0.750.75 1616 22 6060
0.700.70 2222 44 9090
0.650.65 3535 44 158158
0.600.60 6565 66 336336
0.550.55 193193 99 12041204

具体而言,当k=6,L=1,b0=1,b1=bk = 6,L = 1, b_0 = 1, b_1 = b时,我们得到的即为:

S4(1ϑ)8!ϑ((b18ϑ164(1ϑ))2+15ϑ264ϑ+484(1ϑ)2).S^* \sim -\dfrac{4(1-\vartheta)}{8!\vartheta} \left(\left( b - \dfrac{18\vartheta - 16}{4(1 - \vartheta)} \right)^2 + \dfrac{15\vartheta^2 - 64\vartheta + 48}{4(1 - \vartheta)^2}\right).

b=18ϑ164(1ϑ)b = \frac{18\vartheta - 16}{4(1 - \vartheta)},于是便有:

S15ϑ264ϑ+488!ϑ(1ϑ),S^* \sim -\dfrac{15\vartheta^2 - 64\vartheta + 48}{8! \vartheta (1 - \vartheta)},

而要让S>0S^* > 0,我们可以解得:

ϑ>4(819)15=0.97096...(3.16)\vartheta > \dfrac{4(8 - \sqrt{19})}{15} = 0.97096... \quad (3.16)

因此我们便成功证得了定理1的后半部分.

总结

最后命题1和命题2的证明就直接承认了,还是有点太复杂了.后面紧接着更新一集陈氏定理吧,趁此机会也再深入了解一遍Selberg筛法.以及本篇到底哪一块是和筛法联系起来的,我也得再学学Halberstam才行,我猜可能就是这个权函数,可能充当了特征的作用?唉唉唉,还得学!

(2025.4.18)

\quad 回过头来稍微修改了两个符号的表达,使之与Annals of Mathematics上的版本稍微更一致一些了,以及后续Maynard论文的记录也是稍微统一下符号代表的含义.

\quad 以及之前刚了解时的疑问–"本篇到底哪一块是和筛法联系起来的?"现在我稍微有一些眉目了,其(3.3),(3.5)处的构造,就称作为GPY筛法(在论文阅读 – Small gaps between primes (Maynard)中稍微有所介绍),而这种筛法是对于admissible tuples进行筛选的,因此与Halberstam的那种对于大集合A\mathcal{A}的筛法的过程是不一样的.

\quad 但是目前还有一些疑问,那就是在GPY筛法中的这些权函数ωn\omega_n,与陈景润筛法中的加权函数ρ1\rho_1ρ2\rho_2(在筛法读书笔记(哥德巴赫猜想 by 潘承洞) – 加权筛法顶峰之陈景润定理也有介绍)之间有没有联系呢?所代表的内涵是不是一致的呢?能不能结合在一块呢?而这些问题我暂时也还没有去研究,如果之后还有机会研究筛法的话再思考思考,但是很有可能毕设之后就是终章了.