소수 계량 함수

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Prime-counting function

1. 개요
1.1. 변형
2. 소수 정리3. 성질4. 스큐스 수5. 관련 문서

1. 개요[편집]

'소수 계량 함수' 줄여서 그냥 '소수 함수'라고 부르기도 한다. '소수 세기 함수'라는 표현을 사용하기도 한다.

일반적으로 prime number의 머릿글자 p에 해당하는 그리스 문자 파이(π)(\pi)를 써서 π(x)\pi(x)로 표시한다. 다만, 원주율과는 무관하다.
π(x)\pi(x)xx보다 작거나 같은 소수의 개수로 정의된다.
즉, π(x)=P[1,x]\pi(x)=\left\|\mathbb{P}\cap[1,\,x]\right\| (xNx\in\mathbb{N}이고, P\mathbb{P}는 소수의 집합)이다. [1,x][1,\,x]11에서 xx까지의 폐구간 집합이다. 우변의 \left\|\cdot\right\|는 원소의 개수를 세는 것(노름)을 뜻한다.

달리 표현하면 다음과 같다.
π(x)=n=1x1P(n)=1x1P(n)dn\displaystyle \pi(x)=\sum_{n=1}^{x}\bold{1}_{\mathbb P}(n)=\int_{1}^{x}\bold{1}_{\mathbb P}(n)\mathrm{d}\lfloor n\rfloor
위 식에서 1P(n)\bold{1}_{\mathbb P}(n)소수 판별 함수, n\lfloor n\rfloor최대 정수 함수이다.

22보다 작거나 같은 소수는 22 하나뿐이므로 π(2)=1\pi(2)=1이고, 33보다 작거나 같은 소수는 22, 33으로 2개이므로 π(3)=2\pi(3)=2이다.

소수의 특성상 일반항을 대수적으로 전개할 수 없기 때문에 초월함수에 속한다. 다만 다른 초월함수와는 달리 연속함수가 아니므로[1] 미분 불가능하나, 증가함수이므로 일단 적분은 가능하다.

1.1. 변형[편집]

쌍둥이 소수에 등장하는 하디-리틀우드 추측에서는 이를 약간 변형한 함수를 사용했는데, xx 보다 '작은' 소수의 개수이다.
π2(x)\displaystyle \pi_{2}(x)xx보다 작은 소수의 개수

만약 xx가 합성수라면 π(x)=π2(x)\pi(x)=\pi_2(x)이며, xx가 소수라면 π(x)1=π2(x)\pi(x)-1=\pi_2(x)가 된다.
따라서 다음 등식이 성립한다.
π2(x)=n=1x11P(n)=π(x)1P(x)\displaystyle \pi_2(x)=\sum_{n=1}^{x-1} \mathbf{1}_\mathbb{P} (n)=\pi(x)-\mathbf{1}_\mathbb{P} (x)

2. 소수 정리[편집]

이 소수 계량 함수가 xlnx\displaystyle \frac{x}{\ln x}에 근사한다는 것이 소수 정리이다.

참고로, 이후에는 2x1lntdt\displaystyle \int_{2}^{x}\frac{1}{\ln t}\mathrm{d}t라는 근사식[2]으로 갈음되었다. 이 둘은 동치라는 것이 증명되었고, 로그 적분 함수가 실제로 좀 더 근사값에 가까우며 다루기 쉽다는 이유로 대체되었다.

이 소수 정리를 파고 들면 정수론의 최종 보스인 리만 가설에 도달하게 된다.

3. 성질[편집]

nn번째 소수 pnp_n에 대해 π(pn)=n\pi(p_n)=n이다.

4. 스큐스 수[편집]

소수 계량 함수와 관련된 큰 수로는 스큐스 수라는 것이 있다. 해당 항목 참조.

5. 관련 문서[편집]

[1] 그래프를 보면 알겠지만 불규칙하게 뚝뚝 끊어지는 계단 모양이다.[2] 로그 적분 함수에서 적분범위를 [2,x][2,\,x]로 취한 것.이 경우 특이점인 11이 적분 구간에 포함되지 않는다.