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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)를 써서
π(x)로 표시한다. 다만,
원주율과는 무관하다.
π(x)는 x보다 작거나 같은 소수의 개수로 정의된다. |
즉,
π(x)=∥P∩[1,x]∥ (
x∈N이고,
P는 소수의 집합)이다.
[1,x]는
1에서
x까지의
폐구간 집합이다. 우변의
∥⋅∥는 원소의 개수를 세는 것(
노름)을 뜻한다.
달리 표현하면 다음과 같다.
π(x)=n=1∑x1P(n)=∫1x1P(n)d⌊n⌋위 식에서
1P(n)는
소수 판별 함수,
⌊n⌋는
최대 정수 함수이다.
2보다 작거나 같은 소수는
2 하나뿐이므로
π(2)=1이고,
3보다 작거나 같은 소수는
2,
3으로 2개이므로
π(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.
쌍둥이 소수에 등장하는 하디-리틀우드 추측에서는 이를 약간 변형한 함수를 사용했는데,
x 보다 '작은' 소수의 개수이다.
π2(x)는 x보다 작은 소수의 개수 |
만약
x가 합성수라면
π(x)=π2(x)이며,
x가 소수라면
π(x)−1=π2(x)가 된다.
따라서 다음 등식이 성립한다.
π2(x)=n=1∑x−11P(n)=π(x)−1P(x) |
이 소수 계량 함수가
lnxx에 근사한다는 것이
소수 정리이다.
참고로, 이후에는
∫2xlnt1dt라는 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.