素數(shù)與孿生素數(shù)邏輯解的幾個方法初探

葉 笛

（江蘇省建湖縣岡東供銷社，江蘇 建湖 224732）

0 引言

素數(shù)的混堆式及縱堆式合因子解法，側(cè)重于對合數(shù)的計算過程，并由合數(shù)成因條件揭示真正的素因素（素因子）為4 大尾數(shù)——1，3，7，9 的奇數(shù)，即真正決定素數(shù)生成的內(nèi)在條件是4 個特定的尾數(shù)值——1，3，7，9。只有這些尾數(shù)加上了某個10進(jìn)位數(shù)后，才有可能成為素數(shù)。那么，素數(shù)及孿生素數(shù)公式都離不開這4 大因子——1，3，7，9 尾數(shù)。

1 素數(shù)的兩種合因子互積計算法

1.1 混堆式合因子互積式

1.1.1 基本定義

合數(shù)（不含5 尾合數(shù)）一般是由4 個不同尾數(shù)的小質(zhì)數(shù)互積構(gòu)成的，只要按小質(zhì)數(shù)量值大小順序互積，就可得到有順序排列的合數(shù)，這里的小質(zhì)數(shù)稱為合因子數(shù)。而在一定量值范圍內(nèi)解得合數(shù)，就可解得該值區(qū)內(nèi)所有的質(zhì)數(shù)。這一方法主要用于數(shù)值區(qū)間分解，對于個值計算比較費(fèi)力，但作為一種方法是存在的。

1.1.2 公式運(yùn)用

第1 步：設(shè)立計算對象及數(shù)值區(qū)間m 值。第2 步：確定該值區(qū)最小合因子的積值。第3 步：計算由小到大排列的小質(zhì)數(shù)互積因子值，直至到達(dá)m 值，即獲得該值區(qū)內(nèi)全部合數(shù)。第4步：列出m 值區(qū)內(nèi)4 大尾數(shù)—1，3，7，9 質(zhì)因子數(shù)。第5 步：在質(zhì)因子數(shù)中減去合數(shù)即得素數(shù)。

例1：計算m=101～300 內(nèi)的全部素數(shù)。

第1 步：計算出m=101～300 內(nèi)數(shù)值的最小質(zhì)數(shù)積，即3×37，同理，按量值大小逐次算出小質(zhì)數(shù)間的互積值合數(shù)。即：

第2 步：將m=101～300 內(nèi)質(zhì)因子數(shù)——1，3，7，9 結(jié)尾的奇數(shù)按順序列出，并標(biāo)注合數(shù)值。

第3 步：將m=101～300 內(nèi)沒有小質(zhì)數(shù)互積因子的數(shù)列出，即為所解質(zhì)數(shù)：101，103，107，109，113，127，131，137，139，151，157，163，167，173，179，181，191，193，197，199，211，223，227，229，233，239，241，251，257，263，269，271，277，281，283，293

1.2 縱堆式合因子互積式

1.2.1 基本定義

指在計算合數(shù)過程中，只按照某個相同尾數(shù)值內(nèi)進(jìn)行縱向的合因子互積計算，而不考慮橫向的其他尾數(shù)值的因子關(guān)系。此法可提供一種清晰的邏輯化途徑，它一般適宜小值區(qū)m 的全解，對大值區(qū)m 全解需取出全部可倍的合因子值，計算量很大。

1.2.2 公式運(yùn)用

第1 步：設(shè)立計算對象及值區(qū)m 的值。第2 步：列出質(zhì)因子數(shù)。第3 步：計算值，保證得到一個m 值內(nèi)最大合因子數(shù)y（y2≤m）。第4 步：分別計算4 個質(zhì)因子數(shù)——1，3，7，9中合因子數(shù)——3，7，11……y 的一個合數(shù)位。第5 步：以已取得的3，7，11……y 的合數(shù)位為準(zhǔn)，分別在同一尾數(shù)內(nèi)縱向向上、向下數(shù)出某個合數(shù)值的合數(shù)位。例如：11 的合數(shù)，則數(shù)出上、下各第11 位的那個數(shù)，且連續(xù)不斷，這些數(shù)即是11 的合數(shù)（此法又稱數(shù)位法）。第6 步：合數(shù)取得后，剩下的即為質(zhì)數(shù)。

例2：求解：m=1932749～1933000 內(nèi)的質(zhì)數(shù)（隨機(jī)取值，本例解未作全解，僅從第一合因子3 解至11 的合數(shù)位，因具體計算過于復(fù)雜）。

第1 步：根據(jù)m 值列出1，3，7，9 尾數(shù)值作質(zhì)因子數(shù)，并分別計算1，3，7，9 尾數(shù)中3，7，11 的3 個整除位作相應(yīng)的合數(shù)位（其中3 的合數(shù)用“O”表示，7 的合數(shù)用“——”表示，11 的合數(shù)用“﹏﹏”表示）。

第2 步：在“3”的1，3，7，9 尾數(shù)的合數(shù)位上，分別縱向向上、向下每隔3 位即得一個3 的合數(shù)。同理，在“7”“11”的1，3，7，9 尾數(shù)的合數(shù)位上分別向上、向下間隔7 或11 位即可得到7 或11 的合數(shù)。依此類推，可繼續(xù)以此法得到13，17，19，23，29……小質(zhì)數(shù)的合數(shù)（凡數(shù)位法所得合數(shù)用“√”表示）。

第3 步：余下的質(zhì)因子1，3，7，9 結(jié)尾的大奇數(shù)，一般情況下則可采用現(xiàn)行素數(shù)公式求得（數(shù)位法也可直接作公式用，只是對個值計算太難）。

1.3 簡單結(jié)論

由2 個新的素數(shù)計算方法可知：質(zhì)因子數(shù)是固定的，每10位數(shù)里產(chǎn)生4 個，即縱向的每個尾因子都以均勻的十進(jìn)位方式不斷生成，而阻止它生成的條件只有一個合數(shù)，而合數(shù)是小質(zhì)數(shù)互積堆壘而成的，它的進(jìn)位是不均勻的，雖然各尾數(shù)擁有同樣的合因子，但位置卻不同，這造成了不同尾類間的差異性，由于小質(zhì)數(shù)間的頻率高是主宰合數(shù)生成的主要因素，就一個大質(zhì)數(shù)而言對某一數(shù)段內(nèi)質(zhì)數(shù)分布的影響是微弱的、不連續(xù)的。那么光憑小質(zhì)數(shù)互積數(shù)是永遠(yuǎn)無法達(dá)成10 進(jìn)位的均勻性分布要求的，所以質(zhì)數(shù)是無窮大的、抽象化的。但由縱堆式合因子法可知：在同一個10 進(jìn)位的4 大尾數(shù)中，它們擁有的素數(shù)個數(shù)總體上是相等的，其少數(shù)誤差是由首末位置等因素造成的。原因是它們擁有相同的合因子數(shù)。顯示了素數(shù)總量分布的潛規(guī)則——對稱性、均勻性。假如合數(shù)分布無位置差異，可斷言，大多數(shù)的素數(shù)都會以孿生方式顯現(xiàn)的（除了3，7 尾數(shù)間）。

2 孿生素數(shù)的兩種計算方法

2.1 剩位法計算公式

2.1.1 基本定義

根據(jù)質(zhì)因子——1，3，7，9 的內(nèi)在結(jié)構(gòu)可以看出，它們相互間先天性存在3 個孿生因子，即表示為S1、3S7、9S9、1三大類，如非合數(shù)干擾，則此3 類可一直存在下去。那么基于此，在任一類孿生素數(shù)中，先算出最大可能存在的孿生素數(shù)值，然后以此為條件建立計算方法。具體為：分別在1，3，7，9 尾位上計算最大可能出現(xiàn)的3 的合數(shù)值，因在每一孿生位置上3 的合數(shù)位是挫開的，即表明縱向3 個連續(xù)位置中只有1 個剩余位，且每隔3位都是這樣的，用口訣表示這個剩位為1，7 尾前，3，9 尾后和9前1 后。表明S1、3S7、9中1，7 尾中被3 整除數(shù)的前一位是剩位，3，9 尾中被3 整除數(shù)的后一位是剩位，在S9、1中剩位是9 前1后。因此這個剩位才是孿生的，圍繞這才可能算出某值區(qū)的孿生素數(shù)。

2.1.2 公式運(yùn)用

第1 步：設(shè)立計算對象及數(shù)值區(qū)間m 值。計算m 決定的最大合因子y（y 指m 值區(qū)可容納的最大合數(shù)積因子：y≤）。

第2 步：將質(zhì)因子數(shù)按孿生尾數(shù)順序排列S1、3S7、9S9、1。

第3 步：分別將S1、3S7、9S9、1的3 的“剩位”確立下來。

第4 步：逐次算出7，11，13……y 在“剩位”上的合數(shù)項。

第5 步：得到最后的“剩位”即為孿生素數(shù)。

例3：解m=101～300 的孿生素數(shù)。

②列出3 類剩位孿生因子項（用“____”表示）。

③列出剩位孿生因子合數(shù)項（合數(shù)用“√”表示）。

從7，11，13 直至17 的合因子數(shù)，分別找出剩位上的一個合數(shù)值，其中各個因子項可采用定位關(guān)系取得（對于同一個合因子數(shù)，1，3 尾、7，9 尾、9，1 尾間位置是固定的。例如，7 的合因子項1 尾中“161”，由第1 個1 尾“7”的合數(shù)21，與第1 個3 尾“7”的合數(shù)63 可知，縱向相差4 位數(shù)，則由此推算本例3 尾中“203”是7 的合數(shù)等）。用定位法解得：1 尾合數(shù)121，161，221；3 尾合數(shù)133，253；7 尾合數(shù)167，287；9 尾合數(shù)119，169，209，259，299。

④m=101～300 的孿生素數(shù)。

2.2 綜合試算式

2.2.1 基本定義

在“剩位法”當(dāng)中全解一個較大的值的孿生素數(shù)是很難的，要從最小合因子一直解至最大合因子y，為了結(jié)合現(xiàn)行素數(shù)公式優(yōu)點，將兩種方法的優(yōu)點結(jié)合起來運(yùn)用。即任何一個大數(shù)值m，它最易成為小合因子的合數(shù)，只要盡可能將小合因子的合數(shù)去除后，剩下的數(shù)成為質(zhì)數(shù)或?qū)\生質(zhì)數(shù)的可能較大，對剩下的數(shù)再以現(xiàn)行素數(shù)公式求解即可。

2.2.2 公式運(yùn)用

第1 步：設(shè)立計算對象及值區(qū)m 的值。

第2 步：按“3”的剩位口訣，列出剩位孿生因子數(shù)。

第3 步：分別計算7，11，13 至某個適宜的合因子為止，并列出去掉的一部分剩位因子。

第4 步：對最后的剩位因子逐一按現(xiàn)行公式試解。

例4：求解m=80～120 間孿生素數(shù)。

①列出孿生質(zhì)因子數(shù)。

②按3 的剩位口訣，1、7 尾前，3、9 尾后及9 尾前1 尾后得，剩位孿生因子為：89，91，101，103，107，109。

③代入7，去掉一個合因子項91（89，91）。

④對余下的101，103，107，109 再按現(xiàn)行素數(shù)公式求解（由于120 的最大合因子就是y=7，故本例已全解，提出此解是針對大數(shù)值區(qū)而言）。

2.3 簡單結(jié)論

在二公式中，對孿生素數(shù)起主要作用的是兩點：其一，在1，3，7，9 結(jié)尾的4 大素因子數(shù)中，已構(gòu)成3 個先天性的孿生因子——S1、3S7、9S9、1。其二，小合因子數(shù)3 的主導(dǎo)合因子作用，因任一相鄰的2 個孿生因子中，被3 整除的數(shù)是挫開的，這樣每3 位數(shù)中注定有2 位是不能成為孿生因子的，即因“3”的作用，最大孿生素數(shù)總量占m 值的，那么這個表現(xiàn)在位置上為3 的合數(shù)的“剩位”關(guān)系。確立了“剩位”因子就等于節(jié)約了的計算總量。由“剩位”特征可知，在任一相鄰2 個尾數(shù)的孿生因子中不可能出現(xiàn)2 個及以上的連續(xù)孿生素數(shù)，其最小間距每3 位數(shù)一個。其次，孿生素數(shù)的變化趨勢同于素數(shù)的基本趨勢，因其本質(zhì)上的成因條件是一致的，孿生性只是一般素數(shù)間的分布結(jié)構(gòu)特征，在一般性中具有偶然性，因只有當(dāng)相鄰兩尾素數(shù)間不但擁有相同的合因子數(shù)，其合數(shù)所在位置完全一致時，才可能保證所有素數(shù)間為孿生素數(shù)。而事實上只擁有基本一致的合因子數(shù)，而位置都是挫開的，這表明絕大多數(shù)素數(shù)非孿生態(tài)是必然現(xiàn)象。第三，如果使數(shù)值到達(dá)n 值不再產(chǎn)生孿生素數(shù)，它的必要條件是所有除了“3”以后的合數(shù)因子遞進(jìn)位剛好滿足因“3”的剩位留下的間隔為3 的這種遞進(jìn)速度才行，且保持連續(xù)不斷。而已知的7，11，13，17……在小量值里都是定位相關(guān)的，只有出現(xiàn)3 與這些合因子數(shù)具互積關(guān)系時如：3×7，3×11……才重合。小的合數(shù)因子達(dá)不到每3 位就可干擾一次的速度。而對于較大的合因子數(shù)，如例2 中，y=1381，這樣的數(shù)要每隔1381 位才會出現(xiàn)一次，其與3 的間隔更不可能產(chǎn)生持續(xù)的位置平衡。就是說：只要合數(shù)因子總和無法完成每3 位數(shù)且均勻生成一個合數(shù)的要求，那么孿生素數(shù)就必然不斷生成。第四，就歐拉關(guān)于質(zhì)數(shù)無窮大采用的推定方法提出一點商榷：即，這個表達(dá)式應(yīng)是遞減式，趨勢值接近0 而不等于0，屬于發(fā)散的。然而我們知道，0.333……當(dāng)轉(zhuǎn)換成分式和為雖然也是發(fā)散的，卻是一個有限值，其問題取決于發(fā)散度或發(fā)散率。正如孿生素數(shù)的倒數(shù)和得到一個常數(shù)一樣?？墒窃?～1 之間就可分解無窮多個分?jǐn)?shù)，這意味著有限數(shù)值內(nèi)也可產(chǎn)生無窮個數(shù)。就質(zhì)數(shù)與孿生質(zhì)數(shù)無窮大證明問題，主要還是從實際的邏輯條件及性質(zhì)入手，取得一個一般性證明方法，或理論推定即可。