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全体质数的倒数和是发散的还是收敛的?如果收敛,收敛到多少?(多重问题预警)?

2021-12-22知识

事实上,这个函数被称为 Prime Zeta Function

P(s)=\sum_{p\in\mathbb{P}}\frac1{p^s}=\frac1{2^s}+\frac1{3^s}+\frac1{5^s}+\frac1{7^s}+\frac1{11^s}+\cdots

这个函数在 \Re(s)>1 时收敛,

全体素数的倒数和,即 P(1) 是发散的,且

\sum_{p\le x}\frac1p=\ln\ln x+B_1+\mathcal{O}\left(\frac1{\ln x}\right)

这很难不让我们联想到全体自然数的倒数和

\sum_{n\le x}\frac1n=\ln x+\gamma+\mathcal{O}\left(\frac1x\right)

其中 B_1 是 Meissel-Mertens 常数 , γ 是 Euler–Mascheroni 常数

明显这个函数与 Riemann Zeta Function 有关系

欧拉乘积公式 \zeta(s)=\prod_{p\in\mathbb{P}}\frac1{1-p^{-s}} ,则

\ln\zeta(s)=-\sum_{p\in\mathbb{P}}\ln\left(1-p^{-s}\right)=\sum_{p\in\mathbb{P}}\sum_{n=1}^\infty\frac{p^{-ns}}{n}=\sum_{n=1}^\infty\frac1n\sum_{p\in\mathbb{P}}\frac1{p^{ns}}

由定义知 \ln\zeta(s)=\sum_{n=1}^\infty\frac{P(ns)}{n}

再根据 莫比乌斯反演

P(s)=\sum_{n=1}^\infty \mu(n)\frac{\ln\zeta(ns)}{n}