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Cierta regularidad en el primer descomposición

Esta pregunta está ligada a mi pregunta anterior, que es más específico para la secuencia de $(\rho(n))$.

Definición de $\Phi$.

Vamos a considerar una función de $\rho$, actuando sobre el primer descomposición de un número entero $n$:

$$\begin{matrix} \rho\colon & \mathbb N_{\geqslant 1}&\to &\mathbb N_{\geqslant 1} \\& n=\displaystyle\prod_p p^{\alpha_p}&\mapsto &\displaystyle\sum_p p\cdot\alpha_p .\end{matrix} $$

Por ejemplo:

$$\rho(12)=\rho(2^2\times 3)=2\times 2+3=7.$$

Vamos a definir a continuación

$$\Phi(x)=\sum_{n\leqslant x} \rho(n).$$

Un poco de contexto.

Si trazamos la gráfica de la secuencia de $(\rho(n))$, vamos a conseguir algo bastante desordenada:

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Pero si dibujamos la secuencia de $(\Phi(n))$, tenemos algo muy bien ordenadas:

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Que lleva a mi primera pregunta:

Pregunta 1. ¿Por qué es algo que se obtiene de algo casi caótica?

Preguntas adicionales.

Podemos demostrar que

$$\forall n,\quad \Phi(n)\geqslant \frac 1{\log 2}x^{\log 2}\log x-2x^{\log 2}-\frac 1{\log 2}\log x+1.$$

Si graficamos esta estimación en contra de $(\Phi(n))$, obtenemos:

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La estimación parece muy buena al principio, pero rápidamente obtener inútil.

Pregunta 2. Podemos encontrar un mejor $f$ tal que $\Phi\geqslant f$?


La actualización.

Gracias a Ahmad respuesta, yo soy capaz de añadir algunas parcelas de visualizar a su (gran) aproximaciones.

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El minoration $$\Phi(x)\geqslant \frac x{2\log x}$$ parece funcionar bien. Que plantear una nueva pregunta.

Pregunta 3. Podemos encontrar una aproximación asintótica de $\Phi(n)$?

5voto

MrTuttle Puntos 1116

Es bastante normal que el summatory función de una manera irregular comportarse función es más bien regular, ya que la suma cancela desviaciones de la media en el comportamiento. La irregularidad de $\rho$ es bastante benigno, ya que para cada entero $m \geqslant 1$, se obtiene una línea recta

$$\rho(n) = \rho(m) + \frac{n}{m}$$

a partir de los números de $n = m\cdot p$ donde $p$ es un primer no dividiendo $m$. Dado que casi todos los números tienen pocos factores primos, sólo una fracción insignificante de $n \leqslant x$ ha $\rho(n)$ no mentir en una de las primeras líneas (donde los "primeros" de curso depende del $x$).

Para determinar el comportamiento asintótico de $\Phi$, es útil para escribir

$$\Phi(x) = \sum_{p \leqslant x} F(p,x)\cdot p,$$

donde la suma es sobre los números primos que no exceda $x$, e $F(p,x)$ cuenta con qué frecuencia $p$ se produce en la suma definición de $\Phi$. Considerando una prima fija $p$, observamos que $p$ se produce en el sumando $\rho(n)$ si y sólo si $p\mid n$. Hay $\bigl\lfloor \frac{x}{p}\bigr\rfloor$ múltiplos de $p$ que no exceda de $x$. $p$ ocurre al menos dos veces en $\rho(n)$ si y sólo si $p^2 \mid n$. Y así sucesivamente, $p$ se produce, al menos, $k$ veces $\rho(n)$ si y sólo si $p^k\mid n$. Que puede ser familiar de contar el número de veces $p$ se produce en la factorización de $\lfloor x\rfloor!$, y, de hecho, $F(p,x)$ es que el mismo número, es decir,

$$F(p,x) = \sum_{k = 1}^{\infty} \biggl\lfloor \frac{x}{p^k}\biggr\rfloor.$$

La suma contiene sólo un número finito distinto de cero, naturalmente.

Tenemos una cota superior $F(p,x) < \frac{x}{p-1}$ desde ignorando la $\lfloor\,\cdot\,\rfloor$, y por lo tanto un límite superior

$$\Phi(x) \leqslant \sum_{p \leqslant x} \frac{x}{p-1}\cdot p = x\cdot \pi(x) + x\sum_{p \leqslant x} \frac{1}{p-1}.\tag{1}$$

Por Mertens, teorema de,

$$\sum_{p \leqslant x} \frac{1}{p-1} = \sum_{p \leqslant x} \frac{1}{p} + \sum_{p \leqslant x} \frac{1}{p(p-1)} = \log \log x + O(1),$$

así que el segundo término de la derecha de $(1)$ es insignificante en comparación con el error cometido al aproximar $\pi(x)$ $\frac{x}{\log x}$ o $\operatorname{Li}(x)$. Tenemos $\Phi(x) \in O\bigl(\frac{x^2}{\log x}\bigr)$, y el límite inferior dado por Ahmad muestra $\Phi(x) \in \Theta\bigl(\frac{x^2}{\log x}\bigr)$, y sólo tenemos un factor de incertidumbre de $2$ para el coeficiente.

Tomamos nota de que

$$\Phi(x) - \sum_{p \leqslant x} \biggl\lfloor \frac{x}{p}\biggr\rfloor \cdot p$$

es insignificante en comparación con el líder plazo, ya que

$$\sum_{p \leqslant x} \sum_{k = 2}^{\infty} \biggl\lfloor \frac{x}{p^k}\biggr\rfloor\cdot p \leqslant \sum_{p \leqslant x} \frac{x}{p-1} \in O(x\log \log x).$$

Para un análisis más preciso de la dominante plazo, vamos a

$$S(y) := \sum_{p \leqslant y} p.$$

Desde el primer número teorema con el error de límites, uno encuentra $S(y) = \operatorname{Li}(y^2) + O\bigl(y^2e^{-c\sqrt{\log y}}\bigr)$ con $c > 0$ a través de la suma por partes. Otra suma por partes da

\begin{align} \sum_{p \leqslant x} \biggl\lfloor \frac{x}{p}\biggr\rfloor \cdot p &= \sum_{m \leqslant x} \sum_{\frac{x}{m+1} < p \leqslant \frac{x}{m}} m\cdot p \\ &= \sum_{m \leqslant x} m\biggl(S\biggl(\frac{x}{m}\biggr) - S\biggl(\frac{x}{m+1}\biggr)\biggr) \\ &= \sum_{m \leqslant x} S\biggl(\frac{x}{m}\biggr). \end{align}

Deje $\alpha \in (0,1)$. La estimación trivial $S(y) < y^2$ todos los $y \geqslant 1$ da

$$\sum_{x^{\alpha} < m \leqslant x} S\biggl(\frac{x}{m}\biggr) < x^2 \sum_{m > x^{\alpha}} \frac{1}{m^2} \sim x^{2-\alpha},$$

por lo que estos términos no contribuyen a las principales comportamiento asintótico. Tampoco la suma de los $O\bigl(y^2 e^{-c\sqrt{\log y}}\bigr)$ términos de error, ya que $\log (x/m) \geqslant (1-\alpha)\log x$$m \leqslant x^{\alpha}$, por lo que

$$\sum_{m \leqslant x^{\alpha}} O\biggl(\frac{x^2}{m^2} e^{-c\sqrt{\log (x/m)}}\biggr) \leqslant K x^2 e^{-c\sqrt{1-\alpha}\sqrt{\log x}}\sum_{m \leqslant x^{\alpha}} \frac{1}{m^2} \in O\bigl(x^2e^{-d\sqrt{\log x}}\bigr)$$

con $d = c\sqrt{1-\alpha} > 0$. Por lo tanto, tenemos que mirar a

$$\sum_{m \leqslant x^{\alpha}} \operatorname{Li}\biggl(\frac{x^2}{m^2}\biggr).$$

Con $\operatorname{Li}(y) = \frac{y}{\log y} + O\bigl(\frac{y}{(\log y)^2}\bigr)$, vemos

$$\sum_{m \leqslant x^{\alpha}} \operatorname{Li}\biggl(\frac{x^2}{m^2}\biggr) = \sum_{m \leqslant x^{\alpha}} \frac{x^2}{2m^2\log (x/m)} + O\biggl(\frac{x^2}{(\log x)^2}\biggr),$$

y

$$\sum_{m \leqslant x^{\alpha}} \frac{x^2}{2m^2\log (x/m)} \sim \sum_{m} \frac{x^2}{2m^2\log x} = \frac{\pi^2}{12} \cdot \frac{x^2}{\log x}\tag{$\ast$}$$

a continuación se muestra

$$\Phi(x) \sim \frac{\pi^2}{12}\cdot \frac{x^2}{\log x}.\tag{2}$$

Para ver la equivalencia asintótica en $(\ast)$, dividir la suma de $m \approx \log x$.

1voto

Ahmad Puntos 284

He encontrado una forma de cuchilla para acotar $\rho(n)$ y, por tanto, obligado a $\Phi(x)$,

Primero debemos saber que cuando se da la $n=p_1^{e_1} p_2^{e_2} \cdots $ que $ 1 \leq e_i \leq \frac{\ln n}{\ln 2}$, por lo que para el límite inferior vamos a hacer todos los $e_i=1$, y para el límite superior vamos a hacer todos los $e_i= \frac{\ln n}{\ln 2}$ y el mismo razonamiento es válido para $\Phi(x)$, por lo que si hemos encontrado el límite inferior podemos multiplicar por $\frac{\ln x}{\ln 2}$ para obtener el límite superior.

Así que estamos suponiendo que el $n=p_1 p_2 p_3 \cdots$ para nuestros límite inferior, ahora es fácil de ver y demostrar que desde $\rho(p_1 p_2 p_3 \cdots) = p_1+p_2 +\cdots$, $\Phi(x) = \sum \limits_{p \leq x} \lfloor \frac{x}{p} \rfloor p$ tal que $p$ denota todos los números primos menores o iguales a $n$.

Para dar algunos intuición a la instrucción anterior tomemos, por ejemplo, $12$ $2,4,6,8,10,12$ añadimos $2$ cada vez) a la suma,en total $\lfloor \frac{12}{2} \rfloor 2=12$ e de $3,6,9,12$ añadimos $3$ cada vez) a la suma,en total $\lfloor \frac{12}{3} \rfloor 3=12$ e de $5,10$ añadimos $5$ cada vez) a la suma,en total $\lfloor \frac{12}{5} \rfloor 5=10$ y así sucesivamente ..., usted consigue la idea.

así que el límite superior es sólo $\sum \limits_{p \leq x} \frac{x}{p} p$ porque $\lfloor \frac{x}{p} \rfloor \leq \frac{x}{p}$ multiplicado por el $\frac{\ln x}{\ln 2}$ tenemos que $\frac{\ln x}{\ln 2} \sum \limits_{p \leq x} x$ que es sólo $\frac{\ln x}{\ln 2} \pi(x) x$.

para el límite inferior de la misma, pero desde $\lfloor \frac{x}{p} \rfloor p \geq x-p$ tenemos que $\sum \limits_{p\leq x} x-p$ $\pi(x) x- \sum \limits_{p \leq x} p$

Para la última suma, podemos aproximar a $\frac{x^2}{2 \ln x}$ o $\frac{\pi(x) x}{2}$.

Así que, en conclusión, hemos demostrado que $\frac{x^2}{2 \ln x} \approx \frac{\pi(x)x}{2} \leq \Phi(x) \leq \frac{\ln x}{\ln 2} \pi(x) x \approx \frac{x^2}{\ln 2}$

Nota : dado que todos los poderes están muy cerca de $1$ $\frac{\ln x}{\ln 2}$ su correcto decir que el $\Phi(x) \leq x^{2-\epsilon}$, pero el límite superior tengo es$\frac{x^2}{\ln 2}$, lo que yo sé que si me lo tomé como partes (integración), y no como una constante que podría venir para arriba con $x^{2-\epsilon}$

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