19
ПРОСТЫЕ ЧИСЛА,
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ
СТАТИСТИКА И… ЭВМ
Кандидат физико-математических наук
А. П. ВИННИЧЕНКО
Отредакции. В последние годы с ростом мощности и доступности ЭВМ все большеную роль в работе математических стал играть эксперимент, бышший до недавнего времени почти безразделной вотчинной физики, химии и других естественных наук. Математики получили возможность выделить новые гипотезы на основе результатов быстрой компьютерной обработки огромных массивов. Порой при этом проявляются закономерности, которые вредли лиц можно было обнаружить в «добрыше старые времена».
В предлазаемой заметке вы не найдете ни одной теоремы и ни одного доказательства. Здесь рассказано об эксперименте на простых числах, позволяем сформулировать интересное предложение об их распределении. Быть может, кто-то из наших читателей сумет доказать или опровернуть его.
Еще древние греки видели ли среди множества целых положительных чисел «неделимые atoms», т. е. числа, которые не раскладывают на более мелкие множители, и называют их «простыми». Простое число делится только на единицу да на само себя, а все остальные числа получаются из этих элементов киричков мира
ПУАССОН
2*
19
20
чисел умножением. Начало ряда простых чисел — это 2, 3, 5, 7, а конца ему нет — наиболее простого числа не существует. Будем считать единственное четное простое число 2 «ошибкой природы» и рассмотрим ряд, начиная с 3. Подвергнем этот ряд процедуре разностного анализа*) — будем быть разности двух соседних членов:
Разности повторяют — много двоеек, есть четырки, появились и шестерки. Как будто на игровой косте выпадают очки: двойка, двойка, четверка, опять двойка… Еретическая мысль — взглянуть на этот строго deterministic ряд как на результаты измерений некой случайной величины и попробовать обработать их методом математической статистики.
Пусть для обработки взяты простые числа, не превысющие ; в примере (1) . Прежде всего выпишем в порядке возрастания все наблюдаемые значения нашей «случайной величины» (в примере (1) число этих значений ), а под ним — частоты , с которым они появляются (т. е. отношения числа появления к общему числу наблюдаемой, которое у нас равно 10):
соответственно,
Далее составим таблицу «накопленных частот» , т. е. запишем под каждым значением сумму частот всех значений, не превосходящих :
Изображим результаты этих расчетов в виде графика ступенчатой функции (рис. 1), называемой эмпирической функцией распределения: равно сумме по всем , таким что . Наша цель — сравнить графики при разных и попытаться уловить какую-нибудь закономерность в их поведении при . Правда, если взятся за это без соответствующего подготовки, ничего хорошего не получится. Дело в том, что чем дальше, темже встречаются простые числа и тем больше в среднем будут промежутки между ними. Поэтому графики с ростом будут распливаться вправа. Чтобы компенсировать это распливание, применим к ним процедуру, знакомую нам по детективным романам. При слиянии fotografий с целлюльными изображен ли на них один и тот же целое, кrimиналисты уведомают или уменьшают их так, чтобы расстояния междуrachками на общих портретах стало одинаковым, а затем совмещают их поrachкам. Нечто подобное мы проделаем с эмпирическими функциями распределения.
21
Вычислим при каждом среднее арифметическое всех наблюдаемых значений , называемое средним значением. Легко видеть, что .
Эта величина характеризует сдигг функции распределения по горизонтали. Вторая нужная нам величина —
— называется средневадратным отклонением. Она служит мерой рассеивания наблюдаемых значений относительной среднего значения — чем меньше , тем теснее расположены значения . В нашей детективной аналоги величины отвечает размер photographer. Приведем значения и для различных .
| | 40 | | | | | |
| :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| | 3,40 | 4,10 | 5,98 | 8,12 | 10,42 | 12,73 |
| | 1,56 | 1,84 | 3,54 | 5,86 | 8,02 | 10,28 |
Как и следовало ожидать, обе эти характеристики растут с ростом , что свидетельствует о расползании графиков . Чтобы помешать распола-zанию, сдинем каждый график на влево и созMEM в раз к оси ordinат. Для этого заменим величины новых величины и пересчитаем таблицу накопленных частот:
| | | | |
| :— | :— | :— | :— |
| | 0,50 | 0,80 | 1 |
По этой таблице нарисуем график функции распределения величини (рис. 2). Легко видеть, что среднее значение и средневадратное отклонение величини при всех будут равны 0 и 1. Вот эти графики мы и будем сравнивать. Конечно, при больших эту работу надо поручить ЭВМ. За 20 минут работы мы на сбытродействием 300 тыс. операций в секунду выделя графики, изображенные на рисунке 3 (для , , и ). Правда, похоже, что эти ступенчатые графики приближаются к пологому графику, наиссованному черным цветом? Это — график так называемого показательного распределения
с нулявым средним и единичным средневадратным отклонением. Расчет, проведенный на ЭВМ, подтверждает нашей крительное величение. Верно ли, что при графики стремятся к — неизвестно. Пока это только гипотеза. Однако гипотеза, подтвержданая на множество из 78 497 первых простых чисел. И эта огромная работа выполена всего за 20 минут!
Интересно отмечить, что такое же распределение дают и интервалы между соседними сигналами в пуассоновском потоке (см. конец статьи «Как возникает распределение Пуассона»). Можно появить это, вспомнить, что, как было показано в этой статье, вероятность того, что в течение времени не поступит ни одного сигнала, равна . Следовательно, вероятность того, что очередной сигнал, на-
22
Чиная с произвольного момента , появится до момента , равна . После соответствующего сдвига и скатия получится функция распределения, задаваемая равенством (2).
Можно попытаться обнарженное свойство расстояний между соседними простыми числами какими-нибудь известными их свойствами. Например, имеется оценка количества , впервые доказанная французским математиком Ж. Адамаром и белгийским математиком Ш.-Ж. Валле Пуссеном в 1896 году: . Расмотрим так называемые квазипростые числа: корни уравнений , число которых на отрезке от 1 до , очень удобно, также применно равно . Выпишем и применим разностный анализ:
Видно, что расстояния между соседними квазипростыми числами и возратают, однако все медленнее с ростом . Попробуйте, опираясь на это наблюдение, доказать, что для квазипростых чисел эмпирическая функция распределения выпукла вниз и поэтому не может совпадать с показательной функцией распределения. Следовательно, наша гипотеза не может быть обоснована просто оценкой числа . Если она верна, то ее доказательство должно использовать какие-то более глубокие факты.
Заказы принятия…
(Начало см. на с. 18)
Информация, программирование
- Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы. 1 р. 90 к.
Излагаются современные численные методы решения прикладных задач, расчитанные на применение быстродействующих ЭВМ. Расматривается теория интерполяции, квадратные формулы, аппроксимация функций, численные методы алгебры и т. д.
- Знакомьте с персональной ЭВМ «Корвет». 95 к.
Содержит описание одной из первых в нашей стране персональных ЭВМ «Корвет». Расмотрено особенности архитектуры ЭВМ, правила пользования, программное обеспечение.
- Абрамов С. А., Зima Е. В. Основы информаики. 1 р.
Содержит системизированное изложение основных понятий и методов информаики (вычислительной техники, программирования, численных методов, сортировки и поиск). Изложение основ программирования проводится на языке Паскаль.
- Арсак Ж. Программирование и голосовойлокок. Пер. с фр. 90 к.
Расматривается способы программирования различных знамательных игр и голосовойлокок с числами, геометрическими функциями и др.
- Новосельцев В. Н. Организм в мире техники: кибернетическая аспект. 70 к.
Рассказывается о том, как сегодняняя кибернетика позволяет во многом дать полную картину жизни процессов в организме.
- Дьяковов В. П. Справочник по расчетам на микрокалькуляторх. 1 р. 20 к.
Содержит описание современных отчетовных и зарубежных микрокалькуторов, языков и основных программирования.
- Пильшиков В. Н. Сборник управления по языку Паскаль. 40 к.
В основу сборника пособие «Упражнения по языку Паскаль», используюем при обучении программирования студентов факультета вычислительной математики и кибернетики Московского университета.
- Николов Р., Сендова Е. Начала информаики: Пер. с болг. 60 к.
Отражен опит обучения детей работе с персональными компьютерами. Достатся основы обучения с компьютером в режиме диалога на языке ЛОГО.