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证明哥德巴赫猜想,可以用第三类数学归纳法

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可以用第三类数学归纳法,证明哥德巴赫猜想
强哥德巴赫猜想:即任何大4的偶数都可以写成两个素数之和。
先做些解释:
(1)素数,该数只能被1和自己整除的数。
(2)素数对,即由两个相等或不相等的素数组成的数对。
(3)哥解:当我们找到一个素数对时,则该素数对之和为某个偶数,则可以说该偶数有哥解。
(4)哥解的等效解,某个偶数,若有多个哥解,则它们是等效的,因为它们的和是相等。从这个角度来说,哥解的多解问题就可以转化成单解,使问题化简。
例如:10=(5,5)=(3,7)=(7,3);可以看成只有一个等效解。
(5)数对是组合,不是排列。所以(3,7)=(7,3)是等效的。
(6)数对的连续性?
定义:当数对(a,b)与(c,d),满足:(c+d)-(a+b)≡2时,则称数对(a,b)与(c,d)它们的关系可以说是连续的。
例如:(1,3)与(1,5)是连续的;(1,3)与(3,3)也是连续的。
我们还要用到另一种连续性,为了区分,暂叫同模下的自然连续性。
定义:当数对(a,b)与(c,d),满足:(c+d)-(a+b)≡0时,则称数对(a,b)与(c,d)它们的关系可以说是同模下自然连续的。这里模的概念是借用,不是mod()的本意。同模:是讨论问题时,指定mod(2n)。
例如:mod(4)有数对(1,3),(2,2)(3,1);
Mod(6)有(1,5),(2,4),(3,3),(4,2),(5,1);
Mod(8)有(1,7),(2,6),(3,5),(4,4),(5,3)(6,2),(7,1);
Mod(10)有(1,9),(2,8),(3,7),(4,6),(5,5)(6,4),(7,3),(8,2),(9,1);
mod(12)有:
(1,11),(2,10),(3,9),(4,8),(5,7)(6,6),(7,5)(8,4),(9,3),(10,2),(11,1);
mod(14)有:
(1,13),(2,12),(3,11),(4,10),(5,9)(6,8),(7,7)(8,6),(9,5),(10,4),(11,3),(12,2),
(13,1);
mod(16)有:
(1,15),(2,14),(3,13),(4,12),(5,11)(6,10),(7,9)(8,8),(9,7),(10,6),(11,5),(12,4),
(13,3),(14,2),(15,1);
显然,mod(2n),共有数对的个数是:2n-1。它们从结构上讲是一个首尾相连的一个环。首项是(1,2n-1),尾项是(2n-1,1)。所以,要寻找其中的奇数对,可以从首项,(a1,b1),通过(a1+2,b1-2),进行有限次操作,找到奇数对(ai,aj);
如何寻找素数对?
方法一是,从任意的一对奇数对出发,进行对奇数对的两个元素,
进行同时加2,当进行有限次操作后,就能找到素数对。
为此,我们要先证明一个定理,暂叫素数对存在定理吧。
设有一个奇数对o(a,b); (a,b 可以相等或不相等)。
证明如下:
举例:o(1,1);经过1次+2 操作的结果是p(1+2,1+2)=p(3,3) 成立;
o(3,5);经过1次+2 操作的结果是p(3+2,5+2)=p(5,7) 成立;
o(13,13);经过1次+2 操作的结果是p(13+2,13+2)=p(15,15) 不成立;
继续,经过2次+2 操作的结果是 有p(15+2,15+2)=p(17,17)成立;
即经过2次+2,即有限次操作就能找到。
方法二是,从任意的一指定的偶数2N出发寻找其素数对,进行如下操作:
情况(A):
用2N÷2=N,若N是奇数,则有奇数对(N,N);如果N是素数,则寻找到哥解(N,N)。例如:2N=10:则有10÷2=5,则有奇数对(5,5),因为5经过计算得知是素数,所以找到哥解是(5,5)。再通过(a1+2,b1-2)的有限次操作可以找到第2个哥解:(5+2,5-2)=(7,3)。反过来,进行(a1-2,b1+2)则可以找到第3个哥解(5-2,5+2)=(3,7)。因为(5,5)=(7,3)=(3,7);
所以它们是等效哥解。
情况(B):
用2N÷2=N,若N是偶数,则有偶数对(N,N),经过调整(N-1,N+1)可成为奇数对(N-1,N+1);如果N-1=p是素数,同时N+1=q也是素数;则有2N的哥解。即2N=p+q。
例如:2N=12:则有12÷2=6,则有偶数对(6,6);经过调整
(N-1,N+1)即(6-1,6+1)=(5,7),也可以反过来调整(N+1,N-1);即(6+1,6-1)=(7,5)。
情况(C):
用2N÷2=N,若N是偶数,则有偶数对(N,N),经过调整(N-1,N+1)可成为奇数对(N-1,N+1),但是不是素数对。通过(a1+2,b1-2)的有限次操作可以找到哥解。
例如:2N=16:则有 16÷2=8,则有偶数对(8,8);经过调整
(N-1,N+1)即(8-1,8+1)=(7,9)不是素数对。通过(a1+2,b1-2)的有限次操作可以找到哥解。即(7+2,9-2)=(9,7)不是素数对,续继进行 (9+2,7-2)=(11,5),即2次(a1+2,b1-2)操作,可以找到哥解。再操作一次(11,5)=(11+2,5-2)=(13,3),这是另一个哥解。如果对
(7,9)数对进行反方向操作(a1-2,b1+2),则有(7,9)=(7-2,9+2)
=(5,11)=(5-2,11+2)=(3,13)。
所以,通过上述的算法。对于指定的2N,我们都能找到其对应的哥解。
对于素数来说,没有通项公式,因为其分布没有规律性,并且,其元素之间的间隔是散列的。所以给哥解的证明带来了巨大困难。但是,素数对的分布却是有连续性,所以,可以用第三类数学归纳法来证明。
对于素数的集合来说,其元素是没有或缺的,且有冗余的。例如:如果5不是素数,则12=(5,7)=(7,5)就不是哥解。哥猜就不成立。所以,5是不可或缺的。
素数的确认,到目前为止,只有一个方法,就是将该奇数进行乘法的因数分解后,再作出判定。所以,素数对也用该方法进行判定的。
有素数对存在定理:
证明:
假定从任一指定的奇数对o(a,b),需要经过无穷多次+2操作,
才能找到素数对p(A,B)是正确的。
但是,有反例:o(3,5);经过1次+2 操作的结果是p(3+2,5+2)=p(5,7);
与前面的假设矛盾。
所以,有素数对存在定理:从任意指定的一个奇数对o(a,b)出发,进行对奇对两个元素同时+2,当进行有限次操作后,就必定能找到一个素数对。成立。
下面我们来证明,素数对具有连续性。
大于2的最小素数是3,所以,最小的素数对是(3,3)。根据前述的连续性定义,其后续素数对是(3,5)或(5,3)。
现写出一段连续的素数对:(3,3),(3,5)=(5,3),(5,5)=(3,7),(5,7),(7,7)=(3,11),(5,11)=(3,13),
(5,13),(7,13),(11,11)=(5,17)=(3,19),
(5,19),(7,19)=(3,23)=(13,13),……
虽然,看起来不顺畅,但是,它们是连续偶数:6,8,10,12,14,16,20,22,24,26,……对应的哥解。若用2k来表述则是k=3,4,5,6,7,8,9,10,
11,12,13,……对应的哥解。
哥猜之所以是正确的,其原因就是因为素数对具有连续性。
用第三类数学归纳法证明如下:
(1)有(3,3),(3,5)是连续的;(7,7),(3,13)是连续的;
(3,19),(5,19)是连续的。
所以,有限个例验证成立。
(2)任取一个奇数对o(a1,b1),令a1=5,b1=15,即从(5,15)出发,进行有限次的(a1+2,b1+2)=(5+2,15+2)=(7,17),这时可找到7+17=24
=2×12;即k=24÷2=12时有一个素数对。即x=k=12有素数对(7,17)。
所以,命题P(x),在x=k时成立。
又因为x=k+1=12+1=13,对应的偶数是2×13=26。用前述的情况(A)(B)(C)算法,可以找到其素数对是(13,13),其它素数对(7,19),(3,23)等可以通过mod(26)等模调整法找到,(见前述)。它们是等效的哥解。即当x=k+1,可以找到其后续的素数对。即证明了(7,17)有后续的素数对:(13,13)=(7,19)
=(19,7)=(3,23)=(23,3)。
或说(7,17)与(3,23)是连续的。
说明,对于指定的素数对,其后续可以有多个,但是它们是等效的。
所以,命题P(x),在x=k时成立,在x=k+1时也成立。
即命题P(x)与命题P(x+1),保持一至性,即都能找到素数对。
因为x与x+1,具有连续性,所以,素数对具有连续性。得证。
即素数对可以从(3,3)开始,一直连续到∞。
说明,因为素数有无穷多个,所以素数对也有无穷多个。
什么是第三类数学归纳法?
第三类数学归纳法,是本人在研究哥德巴赫猜想的过程中,找到的一种新的数学工具。为了和经典数学归纳法相区分,暂取名叫第三类数学归纳法。是一种用于证明数学命题的方法。这种方法适用于证明与自然数有关的命题,其原理涉及到与自然数有关的命题p(x),这类问题可以是一个方程,德巴赫猜想:2N=p+q;也可以是一组(>=2)的算式或方程式,如”3x+1”猜想。
第三数学归纳法的定义
第三数学归纳法是数学归纳法的一种新的形式。尚未得到数学界的认可。但是,该方法提供了新的视角和解决方法。故在证明数学问题时,具有独特的优势。相信,将来会有更多的应用。这定会比证明某个猜想更有价值。
它的基本步骤为:
(1)首先证明当x=某些特定值时,命题p(x)成立。至少3个。即x在x=a;x=b;x=c时,命题p(x)都能成立。叫有限的案例成立。
(2)根据结构分析,如利用图表等,能够找到某种算法来直接证明命题p(x),在x=k时成立。这一步骤是该证明方法与经典的数学归纳法的主要区别。
再用相同或不同的方法,再次证明命题p(x),在x=k+1时,即命题p(x+1)也成立。
即需要证明命题p(x),在p(x)和p(x+1)之间保持一致性。叫二次证明命题p(x)连续成立。
(3)最后,因为,x与x+1,(x是自然数)。因为,自然数有前趋与后续的连续性。所以,可以证明x从有限到无穷大时,命题p(x)都成立。即命题p(x)得证。
第三类数学归纳法是一种新的数学证明方法和工具,它通过递推关系和多个给定的初始值(可以是连续,也可以是不连续的)通过验证来证明与自然数有关的命题。这种方法不仅适用于简单的数学问题,还可以解决更复杂的问题,如“3x+1”猜想这样的难题。通过理解和掌握第三类数学归纳法的原理和应用,可以有效地解决更多的数学问题。
第三类数学归纳法的想路:用有限次的验证,和二次证明,得到命题有一致性的结论。从而证明从有限到无限大,命题的正确性。该方法的难点在于要找到针对命题的一种“算法”。
现在可以用第三类数学归纳法来证明哥德巴赫猜想了:
(1)有限初始值验证:
4=2+2; 有哥解,成立。(这是特例,2是唯一的偶素数,其它(>2)素数都是奇素数)。
6=3+3;有哥解,成立。
8=3+5;有哥解,成立。
10=3+7;有哥解,成立。(10=5+5,是等效解)。
12=5+7;有哥解,成立。
14=(3,11)=(7,7)=(11,3);有哥解,成立。
16=(3,13)=(5,11)=(13,3);有哥解,成立。
所以,有限初始值,经验证,成立。
(2) 根据有素数对存在定理:从任意指定的一个奇数对o(a,b)出发,进行对奇对两个元素同时+2,当进行有限次操作后,就必定能找到一个素数对。
记为p(a1,b1);则有偶数2N1=a1+b1;有哥解,成立。
即命题P(x)=P(2N1)时有哥解:P(2N1)=p(a1,b1);即偶数2N1=a1+b1。
它的后续2(N1+1),可以用前述的情况(A)(B)(C)算法来找到哥解。
即命题P(x+1)=P(2N1+1)时有哥解:P(2N1+1)=p(a2,b2);即偶数
2(N1+1)=a2+b2。也成立。
所以命题P(x)与命题P(x+1)保持一至性。
因为x与x+1具有连续性。所以,连续的偶数2N1与2(N1+1)有连续的素数对p(a1,b1)与p(a2,b2)存在。即哥猜:即任何大4的偶数都可以写成两个素数之和。得证。
顺便证明,孪生素数猜想:孪生素数有无穷多个。
孪生素数即相差为2的素数对。根据我们找素数对方法,和有素数对存在定理。
可以从奇数对(1,3)的两个元素进行+2,找到孪生素数:
进行1次操作,有(1+2,3+2)=(3,5);
进行1次操作,有(3+2,5+2)=(5,7);
进行1次操作,有(5+2,7+2)=(7,9);(未找到继续,)
再进行1次操作,有(7+2,9+2)=(9,11);(未找到继续)
再进行1次操作,有(9+2,11+2)=(11,13);(找到)
继续下去,可以找到(17,19)……;
孪生素数对具有无穷多对的证明:
(1)有限个例验证:(3,5),(5,7),(11,13),(17,19)成立。
(2)我们可以把(3,5),(5,7),(11,13),(17,19)看作已知的孪生素数对。可以用孪生素数对的元素的和来比较大小,则最小的孪生素数对是(3,5),最大的孪生素数对是(17,19)。假设未知区域(>(17,19)=(17+19)=36),不存在比(17,19)更大的孪生素数对是正确的。
但有反例,可以找到更大的孪生素数对(29,31)。
所以,原假设不成立。
即有新的孪生素数对(29,31),把它加入到已知的孪生素数对集合中,
再假设未知区域(>(29,31)=(29+31)=60)中不存在比60更大的孪生素数对是正确的。
但有反例,可以找到更大的孪生素数对(41,43)。
即有新的孪生素数对(41,43),把它加入到已知的孪生素数对集合中,
这样,已知的孪生素数对不断增多,又总能找到新的孪生素数对。
所以,孪生素数猜想:孪生素数有无穷多个。是正确的。
得证。
其实,如果定义差为0的素数对,为独生素数对,如(3,3);(5,5)等;
同样也是无穷多个。
还可以有差为4的素数对,差为6的素数对,差为8的素数对,……,差为2k的素数对。同样也是无穷多个。
如果大家认可1是素数的话,则哥解就可以把大偶数省掉,说成所有的偶数都能写成两个素数之和。
这样,自然数的层次结构就成了正整数由偶数和奇数构成。奇数由普通奇数和素数构成,2是唯一的偶素数除外。
结构会更清晰一些。
小金牛 2024.8.22.


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