i i “”schnirelmannov izrek”” — 2010/5/10 — 13:54 — page 1 — #1 i i i i i i SCHNIRELMANNOVIZREK VINKO MEDIC ˇ Solski center Novo mesto Math. Subj. Class. (2010): 11P32 Lev Schnirelmann 1 (1905–1938) je leta 1930 dokazal, da je vsako naravno ˇ stevilo, veˇ cje od ena, vsota konˇ cnega ˇ stevila praˇ stevil. To je zelo pomemben izrek in hkrati prvi odmevnejˇ si rezultat v zvezi z Goldbachovo domnevo. V temˇ clanku bo predstavljen dokaz z njegovim kriterijem za celoˇ stevilske mnoˇ zice kot baze s konˇ cnim redom. SCHNIRELMANN’S THEOREM In 1930 Schnirelmann proved that every integer greater than one is the sum of a finite number of primes. This is a great theorem, the first significant result on the Goldbach conjecture. InthiscontributionweshallapplySchnirelmann’scriterionforasetofintegers to be a basis of finite order. 1. Uvod Goldbachova domneva je eden najstarejˇ sih problemov v teoriji ˇ stevil in nasploh v matematiki. Hilbert jo je leta 1900 uvrstil na seznam triin- dvajsetih najveˇ cjih matematiˇ cnih izzivov dvajsetega stoletja. Goldbachova domneva je zapisana na osmem mestu, skupaj s sploˇ sno Riemannovo hipo- tezo, in je eden od redkih problemov s tega seznama, ki ni reˇ sen. Originalna domneva je bila prviˇ c zapisana v pismu, ki ga je Christian Goldbach (1690– 1764) 7. junija 1742 poslal Eulerju. V njem je trdil, da lahko vsako naravno ˇ stevilo, veˇ cje od 5, zapiˇ semo kot vsoto treh praˇ stevil. Euler je odgovoril, da se strinja z domnevo, vendar je ne zna dokazati. Kasneje jo je spremenil v drugoobliko,kipravi,dalahkovsakosodonaravnoˇ stevilo,veˇ cjeoddve,za- piˇ semo kot vsoto dveh praˇ stevil (isto praˇ stevilo lahko uporabimo dvakrat). Primeri: 4 = 2+2, 6 = 3+3, 8 = 3+5, 10 = 5+5 = 3+7, 12 = 5+7, 14 = 3+11 = 7+7, ... Ta oblika je danes znana kot krepka Goldbachova domneva. Obstaja tudi ˇ sibka oblika Goldbachove domneve, ki pravi, da je vsako liho naravno ˇ stevilo, veˇ cje od 5, vsota treh praˇ stevil. Obe domnevi sta do sedaj ostali nereˇ seni,ˇ ceprav je reˇ sitevˇ sibke domneve bliˇ ze kot reˇ sitev krepke. V tem ˇ clanku bo predstavljen Schnirelmannov pristop k reˇ sevanju problema. 1 Ruski matematik, Luzinov uˇ cenec Obzornik mat. fiz. 57 (2010) 1 1 i i “”schnirelmannov izrek”” — 2010/5/10 — 13:54 — page 2 — #2 i i i i i i Vinko Medic 2. Schnirelmannova gostota Naj bo A mnoˇ zica nenegativnih celih ˇ stevil. Za vsako realno ˇ stevilo x naj pomeni A(x)ˇ stevilo pozitivnih elementov mnoˇ zice A, ki ne presegajo x, tj. A(x) = X a∈A 1≤a≤x 1. Funkcijo x 7→ A(x) imenujemo ˇ stevna funkcija mnoˇ zice A. Za x > 0 velja 0≤A(x)≤ [x]≤x, kjer oznaˇ cuje [x] najveˇ cje celo ˇ stevilo, ki ne presega x. Definicija 1. Schnirelmannovo gostoto mnoˇ zice A definiramo s predpisom σ(A) = inf n∈N A(n) n . Ker je σ(A)≤ A(n) n za vsak n∈N, je 0≤σ(A)≤ 1. Poglejmo si nekaj primerov mnoˇ zic naravnih ˇ stevil in jim doloˇ cimo ˇ ste- vno funkcijo ter Schnirelmannovo gostoto. (a) Za mnoˇ zico A = N vseh naravnih ˇ stevil je A(n) = n za vsak n ∈ N, njena Schnirelmannova gostota pa je σ(A) = 1. Ker tudi obratno hitro vidimo, je σ(A) = 1 natanko takrat, ko je A =N. (b) Za mnoˇ zico B, ki vsebuje vsa naravna ˇ stevila razen enega, npr. B = N\{m}, je ˇ stevna funkcija B(n) = n za n < m in B(n) = n−1 za n ≥ m, zato velja σ(B) = inf n∈N B(n) n = m−1 m = 1− 1 m . ˇ Ce je m = 1, je B(1) = 0 in zato σ(B) = 0. (c) Za mnoˇ zico C, ki vsebuje vse veˇ ckratnike naravnega ˇ stevila d in ˇ ste- vilo 1, tj. C = {1}∪{kd;k ∈ N}, smo za primer, ko je d = 1, ˇ ze ugotovili, da ima mnoˇ zica C gostoto 1. ˇ Ce pa d 6= 1, je ˇ stevna funk- cija C(n) = n d +1 za vsak n ∈N, zato velja σ(C) = inf n∈N [ n d ]+1 n = 1 d . Vidimo,dazveˇ canjemrazlikedvaritmetiˇ cnemzaporedjuSchnirelman- nova gostota pada, vendar ostaja pozitivna. (d) Za mnoˇ zico D, ki vsebuje potence danega naravnega ˇ stevila k, tj. D = {1}∪{k n ;n∈N}, je zak = 1 oˇ citnoσ(D) = 0, saj je vD le enoˇ stevilo. V primeru, ko je k > 1, pa jeˇ stevna funkcija D(n) = [log k n]+1. Tako je njena gostota σ(D) = inf n∈N [log k n]+1 n = 0. 2 Obzornik mat. fiz. 57 (2010) 1 i i “”schnirelmannov izrek”” — 2010/5/10 — 13:54 — page 3 — #3 i i i i i i Schnirelmannov izrek (e) V zadnjem primeru si oglejmoˇ se mnoˇ zico P, ki vsebuje 1 in vsa praˇ ste- vila. Tokrat seˇ stevna funkcijaP(n) za velikaˇ stevilan obnaˇ sa pribliˇ zno kotizrazc n lnn ,priˇ cemerjecpozitivnakonstanta(praˇ stevilskiizrek,glej [1]), zato je njena gostota σ(P) = inf n∈N c lnn = 0. Schnirelmannova gostota je pomembna mera za velikost podmnoˇ zic ne- negativnih celihˇ stevil. Za nadaljevanje potrebujemo nov pojem baze konˇ c- nega reda. Definicija 2. Podmnoˇ zica A nenegativnih celih ˇ stevil se imenuje baza re- da h, ˇ ce hA vsebuje vsa nenegativna cela ˇ stevila (tj. ˇ ce lahko vsako nene- gativno celo ˇ stevilo zapiˇ semo kot vsoto h, ne nujno razliˇ cnih ˇ stevil iz A). Mnoˇ zici A pravimo baza konˇ cnega reda, ˇ ce je baza reda h za neko ˇ stevilo h≥ 1. ˇ Ce so A 1 , ..., A h podmnoˇ zice nenegativnih celih ˇ stevil, je vsota A 1 + ···+A h sestavljena iz vseh nenegativnih celih ˇ stevil oblike a 1 +···+a h , kjer je a i ∈ A i za vsak i = 1, ..., h. ˇ Ce je A i = A za vse i = 1, ..., h, pa naj bo hA =A+···+A | {z } h-krat . Po toˇ cki (a) z zaˇ cetka razdelka je podmnoˇ zica A baza reda h natanko tedaj, ko je σ(hA) = 1. Schnirelmann je priˇ sel do preprostega, vendar pomembnega odkritja, da je podmnoˇ zica nenegativnih celih ˇ stevil, ki vse- buje 0 in ima pozitivno gostoto, baza konˇ cnega reda (glej izrek 8 na koncu tega razdelka). Preden pa to dejstvo dokaˇ zemo, si oglejmo najpomembnejˇ se lastnosti Schnirelmannove gostote. Trditev 3. Naj bosta A in B podmnoˇ zici celih ˇ stevil, ki vsebujeta 0. ˇ Ce je n≥ 0 in A(n)+B(n)≥n, je n∈A+B. Dokaz. ˇ Ce je n ∈ A ali n ∈ B, je oˇ citno n ∈ A+B; zato predpostavimo n 6∈ A∪B. Definirajmo mnoˇ zici A 0 = {n−a: a ∈ A,1 ≤ a ≤ n−1} in B 0 ={b: b∈B,1≤b≤n−1}. Potemjemoˇ cmnoˇ ziceA 0 enaka|A 0 | =A(n), ker n6∈A, in moˇ c mnoˇ zice B 0 je |B 0 | =B(n), ker n6∈B. Oˇ citno velja A 0 ∪B 0 ⊆ [1,n−1]. Ker je |A 0 |+|B 0 | =A(n)+B(n)≥n, 1–10 3 i i “”schnirelmannov izrek”” — 2010/5/10 — 13:54 — page 4 — #4 i i i i i i Vinko Medic mora biti A 0 ∩B 0 6=∅. Torej je n−a =b za neka a∈A in b∈B oziroma n =a+b∈A+B. Trditev 4. Naj bosta A in B podmnoˇ zici celih ˇ stevil, ki vsebujeta 0. ˇ Ce je σ(A)+σ(B)≥ 1, je n∈A+B za vsako nenegativno celo ˇ stevilo n. Dokaz. ˇ Ce oznaˇ cimo σ(A) =α in σ(B) =β, je za n≥ 0 A(n)+B(n)≥ (α+β)n≥n, zato iz trditve 3 sledi n∈A+B. Posledica 5. ˇ Ce je A mnoˇ zica celih ˇ stevil, ki vsebuje 0 in za katero je σ(A)≥ 1/2, je A baza reda 2. Trditev 6. Naj bosta A in B takˇ sni podmnoˇ zici celih ˇ stevil, ki vsebujeta 0. Potem je σ(A+B)≥σ(A)+σ(B)−σ(A)σ(B). (1) Dokaz. Za utemeljitev te lastnosti ocenimo, koliko naravnih ˇ stevil, ki ne presegajo n, vsebuje mnoˇ zica A+B. V ta namen razdelimo interval [0,n] na k+1 delov, pri ˇ cemer je k =A(n). Torej naj bo n≥ 1, a 0 = 0 in 0 =a 0 0, je 0 ≤ 1−α < 1; zato obstaja tako naravno ˇ stevilo l≥ 1, da je 0≤ (1−α) l ≤ 1/2. Potem je po trditvi 7 1−σ(lA)≤ (1−σ(A)) l = (1−α) l ≤ 1/2 in tako σ(lA)≥ 1/2. Po posledici 5 je mnoˇ zica lA baza reda 2 in zato A baza konˇ cnega reda 2l. 3. Schnirelmannov izrek Sedaj se bomo posvetili dokazu Schnirelmannovega izreka. Pokazali bomo, da ima mnoˇ zica, sestavljena iz 0, 1 in naravnih ˇ stevil, ki jih lahko predstavimo kot vsoto dveh praˇ stevil, pozitivno Schnirelmannovo gostoto. Za to pa potrebujemo razliˇ cne ocene za povpreˇ cno ˇ stevilo predstavitev na- ravnegaˇ stevila kot vsote dveh praˇ stevil. Preden zaˇ cnemo, moramo vpeljati nekaj novih oznak. 6 Obzornik mat. fiz. 57 (2010) 1 i i “”schnirelmannov izrek”” — 2010/5/10 — 13:54 — page 7 — #7 i i i i i i Schnirelmannov izrek Najbof poljubnarealnaalikompleksnafunkcijaing pozitivnafunkcija. Zapis f g naj pomeni, da obstaja takˇ sna konstanta c> 0, da velja |f(x)|≤cg(x) za vse x iz definicijskega obmoˇ cja funkcije f. Oznaka f g pa naj pomeni isto kot g f. Naj r(N) oznaˇ cuje ˇ stevilo predstavitev naravnega ˇ stevila N kot vsote dveh praˇ stevil, pri ˇ cemer loˇ cimo vrstni red sumandov. Naj bo x ≥ 2 po- ljubno realno ˇ stevilo. S π(x) oznaˇ cimo ˇ stevilo vseh praˇ stevil, ki ne prese- gajo x (glej [1]). ˇ Ce sta p in q praˇ stevili, ki ne presegata x/2, njuna vsota p+q ne presega x. Sedaj tvorimo vse moˇ zne vsote s tema dvema praˇ ste- viloma. Ker je do x/2 natanko π(x/2) praˇ stevil, dobimo natanko π(x/2) 2 urejenih parov vsot manjˇ sih ali enakih x. Vendar to niso vse vsote dveh praˇ stevil, ki ne presegajo x, saj bi lahko veljalo p+q≤x tudi za praˇ stevili, ki nista obe manjˇ si od x/2. Torej velja X N≤x r(N)≥π(x/2) 2 . Uporabimo izrek ˇ Cebiˇ seva, (glej [1], str. 173), ki pravi, da je π(x/2) x/2 logx/2 , pa imamo X N≤x r(N)≥π(x/2) 2 (x/2) 2 (log(x/2)) 2 x 2 (logx) 2 . (3) V [2] najdemo izrek (Theorem 7.2 na strani 186), ki pravi, da za vsako sodo naravno ˇ stevilo N velja r(N) N (logN) 2 Y p|N 1+ 1 p ≤ N (logN) 2 X d|N 1 d . (4) Taneenakostveljatudizalihanaravnaˇ stevila, sajjelihonaravnoˇ steviloN vsota dveh praˇ stevil natanko tedaj, ko je N −2 praˇ stevilo. Za takˇ sno liho naravno ˇ stevilo je torej r(N) = 2. Naj bo x≥ 1 poljubno realno ˇ stevilo. Z uporabo neenakosti (4) dobimo X N≤x r(N) 2 X N≤x N 2 (logN) 4   X d|N 1 d   2 . 1–10 7 i i “”schnirelmannov izrek”” — 2010/5/10 — 13:54 — page 8 — #8 i i i i i i Vinko Medic Ker je funkcija N 2 (logN) 4 naraˇ sˇ cajoˇ ca, jo navzgor ocenimo z najveˇ cjo vredno- stjo pri x. Vsoto P d|N 1 d ! 2 pa zapiˇ semo v ekvivalentni obliki   X d 1 |N 1 d 1     X d 2 |N 1 d 2   = X d 1 |N X d 2 |N 1 d 1 d 2 . Zdaj imamo X N≤x r(N) 2 x 2 (logx) 4 X N≤x   X d|N 1 d   2 = x 2 (logx) 4 X N≤x X d 1 |N X d 2 |N 1 d 1 d 2 . Zamenjamo vrstni red seˇ stevanja in dobimo X N≤x r(N) 2 x 2 (logx) 4 X d 1 ,d 2 ≤x 1 d 1 d 2 X N≤x d 1 |N,d 2 |N 1. Zadnjavsotajerazliˇ cnaod0samovprimeru,kod 1 ind 2 hkratidelitaN. To pomeni natanko takrat, ko njun najmanjˇ si skupni veˇ ckratnik [d 1 ,d 2 ] deliN. Vsoto ocenimo navzgor, pa dobimo X N≤x r(N) 2 x 2 (logx) 4 X d 1 ,d 2 ≤x 1 d 1 d 2 X N≤x [d 1 ,d 2 ]|N 1≤ x 2 (logx) 4 X d 1 ,d 2 ≤x 1 d 1 d 2 x [d 1 ,d 2 ] . Izpostavimox, upoˇ stevamo oceno [d 1 ,d 2 ] = d 1 d 2 (d 1 ,d 2 ) ≥ (d 1 d 2 ) 1/2 za najmanjˇ si skupni veˇ ckratnik [d 1 ,d 2 ] in najveˇ cji skupni delitelj (d 1 ,d 2 ) ˇ stevil d 1 in d 2 ter zopet uvedemo sumacijsko spremenljivko d: X N≤x r(N) 2 x 3 (logx) 4 X d 1 ,d 2 ≤x 1 d 3/2 1 d 3/2 2 = x 3 (logx) 4   X d≤x 1 d 3/2   2 . Zadnja vsota konvergira, ko gre x ˇ cez vse meje, ker je eksponent v imeno- valcu veˇ cji od ena. Tako dobimo X N≤x r(N) 2 x 3 (logx) 4 . (5) 8 Obzornik mat. fiz. 57 (2010) 1 i i “”schnirelmannov izrek”” — 2010/5/10 — 13:54 — page 9 — #9 i i i i i i Schnirelmannov izrek Po Cauchy-Schwarzevi neenakosti velja   X N≤x r(N)   2 ≤ X N≤x r(N)≥1 1 X N≤x r(N) 2 . Vsota P N≤x r(N)≥1 1 preˇ steje vsa naravnaˇ stevila N, ki ne presegajo x in jih lahko vsaj na en naˇ cin zapiˇ semo kot vsoto dveh praˇ stevil. Torej je ta vsota enaka ˇ stevni funkciji A(x) za mnoˇ zico A vseh naravnih ˇ stevil, ki se dajo zapisati kot vsota dveh praˇ stevil. Tako imamo   X N≤x r(N)   2 ≤A(x) X N≤x r(N) 2 . Iz neenakosti izrazimo A(x), tako da je A(x)≥ P N≤x r(N) ! 2 P N≤x r(N) 2 . Po deljenju z x dobimo A(x) x ≥ 1 x P N≤x r(N) ! 2 P N≤x r(N) 2 . Upoˇ stevajmo oceni (3) in (5), pa od tod sledi A(x) x 1 x x 4 (logx) 4 x 3 (logx) 4 1. Prepriˇ cajmo se, da ima mnoˇ zica A = {0,1}∪{p+q : p,q praˇ stevili} pozitivno Schnirelmannovo gostoto. Pravkar smo videli, da obstaja takˇ sno ˇ steviloc 1 > 0, dajeA(x)≥c 1 xzavsadovoljvelikaˇ stevilax≥x 0 . Kerpa1 pripada mnoˇ zici A, obstaja takˇ sno ˇ stevilo c 2 > 0, da je A(x)≥ c 2 x tudi za 1≤ x≤ x 0 . Torej A(x)≥ cx za vse x≥ 1, pri ˇ cemer je c = min{c 1 ,c 2 }. Iz tega lahko sklepamo, da je Schnirelmannova gostota mnoˇ zice A pozitivna. 1–10 9 i i “”schnirelmannov izrek”” — 2010/5/10 — 13:54 — page 10 — #10 i i i i i i Vinko Medic Izrek 9 (Schnirelmann). Obstaja takˇ sno naravnoˇ stevilo H, da lahko vsa- ko naravno ˇ stevilo, veˇ cje kot ena, zapiˇ semo kot vsoto kveˇ cjemu H praˇ stevil. Dokaz. Pokazali smo, da ima mnoˇ zica A ={0,1}∪{p+q: p,q sta praˇ stevili} pozitivno Schnirelmannovo gostoto. Zato obstaja po izreku 8 takˇ sno na- ravno ˇ stevilo h, da je vsako nenegativno celo ˇ stevilo N vsota natanko h elementov mnoˇ zice A. Naj bo N ≥ 2 oziroma N −2≥ 0. Zapiˇ simo N −2 kotvsotok enicinl parovpraˇ stevilp i ,q i ,priˇ cemerveljak+l≤h(k,l≥ 0). Torej je N−2 = 1+···+1 | {z } k +(p 1 +q 1 )+···+(p l +q l ). ˇ Ce je k sodo ˇ stevilo, to je k = 2m, potem po prenosu ˇ stevila 2 na desno stran dobimo N = 2+···+2 | {z } m+1 +(p 1 +q 1 )+···+(p l +q l ). Vidimo, da je tedaj N vsota m+1+2l praˇ stevil. V primeru, da je k liho ˇ stevilo k = 2m+1, pa imamo N = 2+···+2 | {z } m +3+(p 1 +q 1 )+···+(p l +q l ). Torej je tudi v tem primeru N vsota m+1+2l praˇ stevil. Ker ˇ stevili l in m+l nepresegatah, veljam+1+2l≤ 2h+1.Ugotovilismo, dalahkovsako naravno ˇ stevilo N > 1 zapiˇ semo kot vsoto kveˇ cjemu 2h+1 = H praˇ stevil. ˇ Stevilo H se imenuje Schnirelmannova konstanta in je po Schnirelman- novih izraˇ cunih znaˇ sala 300000. Kasneje so konstanto z natanˇ cnejˇ simi oce- nami moˇ cno zmanjˇ sali. Najboljˇ si rezultat doslej je leta 1995 dosegel Olivier Ramar´ e, ki je pokazal, da je Schnirelmannova konstanta enaka najveˇ c 6. Torej lahko vsako naravnoˇ stevilo, ki je veˇ cje od 1, zapiˇ semo kot vsoto kve- ˇ cjemu ˇ sestih praˇ stevil. LITERATURA [1] J. Braˇ ciˇ c, Uvod v analitiˇ cno teorijo ˇ stevil, Podiplomski seminar iz matematike 26, DMFA-zaloˇ zniˇ stvo, Ljubljana, 2003. [2] M. B. Nathanson, Additive Number Theory, Graduate Texts in Mathematics 164, Springer-Verlag, 1996. [3] Goldbach Conjecture, . 10 Obzornik mat. fiz. 57 (2010) 1