孪生质数数学术语

孪生素数，就是指相差2的素数对，例如3和5，5和7，11和13。孪生素数猜想正式由希尔伯特在1900年国际数学家大会的报告上第8个问题中提出，可以这样描述：存在无穷多个素数p，使得p+2是素数。素数对（p，p+2）称为孪生素数。在1849年，阿尔方·德·波利尼亚克提出了一般的猜想：对所有自然数k，存在无穷多个素数对（p，p+2k）。k=1的情况就是孪生素数猜想。

中文名

孪生质数

英文名

Twin prime

别称

孪生素数

适用领域范围

数论

应用学科

数学

核心问题

孪生素数猜想

简介

只有1和本身即只能被自身和1整除的正整数叫做素数。孪生素数是指两个相差为2的素数，例如3和5，17和19。[1]而随着素数的增大，下一个素数离上一个素数应该越来越远，故古希腊数学家欧几里得猜想，存在无穷多对素数，他们只相差2，例如3和5，5和7，2003663613×2195,000-1和2003663613×2195,000+1等等。

素数定理说明了素数在趋于无穷大时变得稀少的趋势。而孪生素数，与素数一样，也有相同的趋势，并且这种趋势比素数更为明显。

由于孪生素数猜想的高知名度以及它与哥德巴赫猜想的联系，因此不断有学术共同体外的数学爱好者试图证明它。有些人声称已经证明了孪生素数猜想。然而，尚未出现能够通过专业数学工作者审视的证明。

1849年，波林那克（Alphonse de Polignac）提出了更一般的猜想：对所有自然数k，存在无穷多个素数对(p,p+2k)。k=1的情况就是孪生素数猜想。

进展

以下是S100以内的孪生素数分布表

（以孪中为准，含3；5） 　　N 对数 最后一对 　　s 1 8 73 71 　　s 2 7 199 197 　　s 3 8 433 431 　　s 4 7 661 659 　　s 5 9 1063 1061 　　s 6 11 1489 1487 　　s 7 11 1999 1997 　　s 8 13 2593 2591 　　s 9 10 3169 3167 　　s 10 19 3931 3929 　　s 11 19 4723 4721 　　s 12 14 5521 5519 　　s 13 15 6553 6551 　　s 14 20 7561 7559 　　s 15 14 8629 8627 　　s 16 18 9769 9767 　　s 17 18 10939 10937 　　s 18 20 12253 12251 　　s 19 11 13681 13679 　　s 20 20 14869 14867 　　s 21 20 16633 16631 　　s 22 28 18133 18131 　　s 23 19 19843 19841 　　s 24 29 21601 21599 　　s 25 26 23371 23369 　　s 26 16 25171 25169 　　s 27 23 27109 27107 　　s 28 28 29209 29207 　　s 29 23 31321 31319 　　s 30 32 33349 33347 　　s 31 30 35593 35591 　　s 32 25 37993 37991 　　s 33 23 40153 40151 　　s 34 28 42841 42839 　　s 35 28 45343 45341 　　s 36 25 47809 47807 　　s 37 37 50593 50591 　　s 38 30 53281 53279 　　s 39 26 56101 56099 　　s 40 34 59023 59021 　　s 41 25 61981 61979 　　s 42 27 64921 64919 　　s 43 31 68113 68111 　　s 44 37 71263 71261 　　s 45 32 74509 74507 　　s 46 33 77713 77711 　　s 47 37 81199 81197 　　s 48 37 84631 84629 　　s 49 38 88003 88001 　　s 50 35 91573 91571 　　s 51 43 95443 95441 　　s 52 41 99139 99137 　　s 53 34 102931 102929 　　s 54 39 106861 106859 　　s 55 36 110881 110879 　　s 56 40 114799 114797 　　s 57 43 118903 118901 　　s 58 46 122869 122867 　　s 59 34 127291 127289 　　s 60 42 131713 131711 　　s 61 44 136069 136067 　　s 62 35 140551 140549 　　s 63 40 145009 145007 　　s 64 47 149731 149729 　　s 65 51 154279 154277 　　s 66 43 159193 159191 　　s 67 46 163993 163991 　　s 68 36 168901 168899 　　s 69 37 173779 173777 　　s 70 55 178909 178907 　　s 71 56 183973 183971 　　s 72 44 189151 189149 　　s 73 46 194269 194267 　　s 74 46 199753 199751 　　s 75 47 205033 205031 　　s 76 53 210601 210599 　　s 77 34 215983 215981 　　s 78 53 221719 221717 　　s 79 51 227473 227471 　　s 80 55 233161 233159 　　s 81 47 238921 238919 　　s 82 42 244861 244859 　　s 83 54 250969 250967 　　s 84 47 256903 256901 　　s 85 45 262783 262781 　　s 86 65 269221 269219 　　s 87 50 275593 275591 　　s 88 51 281923 281921 　　s 89 55 288361 288359 　　s 90 46 294649 294647 　　s 91 56 301363 301361 　　s 92 56 307873 307871 　　s 93 59 314599 314597 　　s 94 61 321469 321467 　　s 95 72 328129 328127 　　s 96 59 335173 335171 　　s 97 45 342073 342071 　　s 98 56 349081 349079 　　s 99 56 356263 356261 　　s 100 61 363439 363437 　　s 101 44 370873 370871

素数——那些因数除了1就是他们本身的数们——就像代数的原子一样。从欧几里得——他在2000年前证明了素数有无穷多个——开始，它们就让无数数学家们为之倾倒。

因为素数从根本上和乘法相关，理解他们和加法相关的性质就变得很困难。一些数学上最古老的未解之谜就和素数和加法相关，其中之一就是孪生素数Q——存在无限多组差为2的素数对。另一个则是哥德巴赫猜想，这个猜想提出所有的偶数都可以表示为两个素数之和。

在自然数列的起始部分存在着大量的素数，但是随着数字变大，它们变得越来越稀少。举例来说，在前10个自然数里，40%都是素数——2，3，5和7——但是在所有的10位数里，仅有4%的数是素数。在过去的一个世纪里，数学家们掌握了素数减少的规律：在大数中，连个素数之间的间隔大约是位数的2.3倍。举例说明，在100位的数中，两个素数的平均间隔大约是230。

但是这只是平均而言。素数通常比平均预计的更加紧密的出现，或者相隔更远。具体来说，“孪生”素数通常扎堆出现，比如3和5还有11和13，他们的差仅为2。而在大数中，孪生素数似乎从没有完全消失（详见本词条的最大值）。

1849年，法国数学家阿尔方·波利尼亚克提出了“波利尼亚克猜想”：对所有自然数k，存在无穷多个素数对(p,p+2k)。k等于1时就是孪生素数猜想，而k等于其他自然数时就称为弱孪生素数猜想（即孪生素数猜想的弱化版）。因此，有人把波利尼亚克作为孪生素数猜想的提出者。

从那时开始，这些猜想的内在吸引力冠予了它们数学的圣杯的称号，虽然他们可能没有实际的应用价值。虽然有很多数学家们致力于证明这一猜想，他们还是不能排除素数的间隔会一直增长最终超过一个特定上限的可能。

1921年，英国数学家戈弗雷·哈代和约翰·李特尔伍德提出一个与波利尼亚克猜想类似的猜想，通常称为“哈代-李特尔伍德猜想”或“强孪生素数猜想”（即孪生素数猜想的强化版）。这一猜想不仅提出孪生素数有无穷多对，而且还给出其渐近分布形式。中国数学家周海中指出：要证明强孪生素数猜想，人们仍要面对许多巨大的困难。

最大值

目前已知最大的孪生素数共有388,342位数，通过分布式计算项目Primegrid的Sophie Germain素数搜索项目于2016年9月14日发现：

2,996,863,034,895×21,290,000±1

非估算性

孪生质数

早在20世纪初，德国数学家兰道就推测孪生素数有无穷多，许多迹象也越来越支持这个猜想。最先想到的方法是使用欧拉在证明素数有无穷多个所采取的方法。设所有的素数的倒数和为：

如果素数是有限个，那么这个倒数和自然是有限数。但是欧拉证明了这个和是发散的，即是无穷大。由此说明素数有无穷多个。1919年，挪威数学家布隆仿照欧拉的方法，求所有孪生素数的倒数和：

如果也能证明这个和比任何数都大，就证明了孪生素数有无穷多个了。这个想法很好，可是事实却违背了布隆的意愿。他证明了这个倒数和是一个有限数，这个常数就被称为布隆常数：b=1.90216054…布隆还发现，对于任何一个给定的整数m，都可以找到m个相邻素数，其中没有一个孪生素数。

1920年代，通过使用著名的筛理论（Sieve theory，基于埃拉托斯特尼筛法的理论），挪威的维果·布朗（Viggo Brun）证明了2能表示成两个最多有9个素数因子的数的差。这个结论已经有些近似于孪生素数猜想了。可以看到，只要将这个证明中的“最多有9个素数因子的数”改进到“最多有1个素数因子的数”，就可以证明孪生素数猜想了。

1966年由已故的我国数学家陈景润利用筛法（sieve method）所取得的。陈景润证明了：存在无穷多个素数p，使得p+2要么是素数，要么是两个素数的乘积。这个结果与他关于Goldbach猜想的结果很类似。一般认为，由于筛法本身的局限性，这一结果在筛法范围内很难被超越。

2013年5月14日，《自然》（Nature）杂志在线报道张益唐证明了“存在无穷多个之差小于7000万的素数对”，这一研究随即被认为在孪生素数猜想这一终极数论问题上取得了重大突破，甚至有人认为其对学界的影响将超过陈景润的“1+2”证明。在最新研究中，张益唐在不依赖未经证明推论的前提下，发现存在无穷多个之差小于7000万的素数对，从而在孪生素数猜想这个重要问题的道路上前进了一大步。

孪生素数猜想可以弱化为“能不能找到一个正数，使得有无穷多对素数之差小于这个给定正数”，在孪生素数猜想中，这个正数就是2。而张益唐找到的正数是“7000万”。尽管从2到7000万是一段很大的距离，《自然》的报道还是称其为一个“重要的里程碑”。正如美国圣何塞州立大学数论教授Dan Goldston所言，“从7000万到2的距离（指猜想中尚未完成的工作）相比于从无穷到7000万的距离（指张益唐的工作）来说是微不足道的。”

2013年5月13日，张益唐在美国哈佛大学发表主题演讲，介绍了他的这项研究进展。《自然》的报道称，如果这个结果成立，就是第一次有人正式证明存在无穷多组间距小于定值的素数对。换言之，张益唐将给孪生素数猜想证明开一个真正的“头”。世界顶级数学期刊《数学年刊》（Annals of Mathematics）将准备接受张益唐作出证明的这篇文章，审稿人还评价“其证明是对的，并且是一流的数学工作”。

张益唐的论文在5月14号在网络上公开，两个星期后的5月28号，这个常数下降到了6000万。仅仅过了两天的5月31号，下降到了4200万。又过了三天的6月2号，则是1300万。次日，500万。6月5号，40万。在英国数学家Tim Gowers等人发起的“Polymath”计划中，孪生素数问题成为了一个在全球数学工作者中利用网络进行合作的一个典型。人们不断的改进张益唐的证明，进一步拉近了与最终解决孪生素数猜想的距离。截至2014年10月9日(2014-10-09)[update],素数对之差被缩小为≤246。从246到2，虽然离孪生质数的桂冠近在咫尺，但道路越来越艰难，谁能摘冠、何时摘冠不得而知。

估算性

证明孪生素数猜想的另一类结果则是估算性结果。这类结果估算的是相邻素数之间的最小间隔Δ，更确切地说是：

翻译成白话文，这个表达式所定义的是两个相邻素数之间的间隔，与其中较小的那个素数的对数值之比在整个素数集合中所取的最小值。很显然，孪生素数猜想如果成立，那么Δ必须等于0。因为孪生素数猜想表明pn+1-pn=2对无穷多个n成立，而ln(pn)→∞，因此两者之比的最小值对于孪生素数集合（从而对于整个素数集合也）趋于零。不过要注意，Δ=0只是孪生素数猜想成立的必要条件，而不是充份条件。换句话说，如果能证明Δ≠0，则孪生素数猜想就不成立；但证明Δ=0却并不意味着孪生素数猜想就一定成立。

对Δ最简单的估算来自于素数定理。按照素数定理，对于足够大的x，在x附近素数出现的几率为，这表明素数之间的平均间隔为ln(x)（这也正是Δ的表达式中出现ln(pn)的原因），从而给出的其实是相邻素数之间的间隔与平均间隔的比值，其平均值显然为1。平均值为1，最小值显然是小于等于1，因此素数定理给出Δ≤1。

对Δ的进一步估算始于Hardy和Littlewood。1926年，他们运用圆法（circle method）证明了假如广义Riemann猜想成立，则Δ≤2/3。这一结果后来被Rankin改进为Δ≤3/5。但这两个结果都有赖于本身尚未得到证明的广义Riemann猜想，因此只能算是有条件的结果。1940年，Erdös利用筛法首先给出了一个不带条件的结果：Δ<1（即把素数定理给出的结果中的等号部分去掉了）。此后Ricci于1955年，Bombieri和Davenport于1966年，Huxley于1977年，分别把这一结果推进到Δ≤15/16，Δ≤(2+√3)/8≈0.4665及Δ≤0.4425。Goldston和Yildirim之前最好的结果是Maier在1986年取得的Δ≤0.2486。

2003年，Goldston和Yildirim发表了一篇论文，声称证明了Δ=0。但2003年4月23日，Andrew Granville（University de Montreal）和Kannan Soundararajan（University of Michigan）发现了Goldston和Yildirim证明中的一个错误。2005年，他们与Janos Pintz合作完成了证明。此外，若Elliott-Halberstam猜想成立，孪生素数猜想的弱化版本——存在无穷多对相距16的素数——在Δ=0时也会成立。

Δ=0被证明后人们的注意力自然就转到了研究Δ趋于0的方式上来。孪生素数猜想要求Δ~[log(pn)]（因为pn+1-pn=2对无穷多个n成立)。Goldston和Yildirim的证明所给出的则是Δ~[log(pn)]，两者之间还有相当距离。但是看过Goldston和Yildirim手稿的一些数学家认为，Goldston和Yildirim所用的方法存在改进的空间。这就是说，他们的方法有可能可以对Δ趋于0的方式作出更强的估计。因此Goldston和Yildirim的证明，其价值不仅仅在于结果本身，更在于它很有可能成为未来一系列研究的起点。

其他方式

1849年，阿尔方·德·波利尼亚克提出了更一般的猜想：对所有自然数k，存在无穷多个素数对(p,p+2k)。k=1的情况就是孪生素数猜想。因此，波利尼亚克有时也被认为是孪生素数猜想的提出者。

1921年，英国数学家哈代和李特尔伍德提出了以下的强化版猜想：设为前N个自然数里孪生素数的个数。那么其中的常数是所谓的孪生素数常数，其中的p表示素数。

哈代和李特尔伍德的猜测实际上是存在已久的孪生素数猜想的加强版。孪生素数猜想是指“孪生素数有无穷多个”。这个猜想至今仍未被证明。然而，哈代和李特尔伍德的猜测并不是需要建立在孪生素数猜想成立的前提上。

参考资料

1.孪生素数猜想知多少？ ·新华网

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