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怎么把“存在 Egyptian 表示”
变成一个正性判据?

这是整台机器的中枢:给定抽象接口 ArcConstruction,引擎用 Hardy–Littlewood 圆法证明加权计数 $\mathrm{Wcount}>0$,再从正性抽出一个真实的半素数子集 $S$ 满足 $\sum_{e\in S}1/e=1/b$。本页把概率–Fourier 设置、主弧高斯下界、次弧字符衰减、以及“拍频”收口逐环讲清。这 9 个文件不含任何 sorry / axiom——所有块系统相关的东西都只经假设进入。

已证 · 无 sorry/axiom 解析核心

1. Wcount:把概率写成计数

Wcount 定义 CircleMethod.lean:48
$$\mathrm{Wcount}(E,\theta,b)=\sum_{S\subseteq E}\mathbf 1\!\Big[\sum_{e\in S}\tfrac1e=\tfrac1b\Big]\ \Big(\prod_{e\in S}\theta_e\Big)\Big(\prod_{e\in E\setminus S}(1-\theta_e)\Big).$$

这是一个概率的确定性改写。给每条边 $e$ 一个独立 Bernoulli($\theta_e$) 指示 $\xi_e$;子集 $S$ 被选中的权重是 $\prod_{e\in S}\theta_e\prod_{e\notin S}(1-\theta_e)$。于是 $$\mathrm{Wcount}(E,\theta,b)=\mathbb P\Big(\sum_{e:\ \xi_e=1}\tfrac1e=\tfrac1b\Big),$$ 且 $\mathrm{Wcount}>0$ 等价于存在这样的子集(反向见 §6)。关键洞察:把“存在性”问题转成“某个概率是否为正”,而概率可用 Fourier 反演逐频率估计。

Bernoulli 特征函数 BernoulliFourier.lean:27,33
$\varphi_\theta(t)=(1-\theta)+\theta e^{2\pi it}$,模方精确为 $$|\varphi_\theta(t)|^2=1-4\theta(1-\theta)\sin^2(\pi t).$$ 这条恒等式是两条弧的种子:$t\approx0$ 时接近 1(主弧),远离整数时 $\sin^2$ 强迫衰减(次弧)。

2. Fourier 反演主恒等式

有限加性字符正交(CircleMethod.lean:98):$\sum_{h<L}e(hn/L)=L\cdot\mathbf 1[L\mid n]$。在“无环绕”假设 $\sum_{e\in E}\lfloor L/e\rfloor<L$ 下,整除被桥接到精确倒数恒等式(fourier_indicator:132): $$L\ \Big|\ \Big(\sum_{e\in S}\tfrac Le-\tfrac Lb\Big)\iff\sum_{e\in S}\tfrac1e=\tfrac1b.$$ 组合正交 + 指示 + Bernoulli 乘积展开,得主恒等式(wcount_fourier_identity:224):

主恒等式
$$L\cdot\mathrm{Wcount}(E,\theta,b)=\sum_{h=0}^{L-1}\mathrm{fourierTerm}(h),\qquad \mathrm{fourierTerm}(h)=\hat\mu(h)\,e(-h/b),\ \ \hat\mu(h)=\prod_{e\in E}\varphi_{\theta_e}(h/e).$$

即 $\mathbb P(Y=L/b)=\tfrac1L\sum_{h<L}\hat\mu(h)e(-h/b)$,$Y=\sum_e\xi_e(L/e)$。概率空间从未真的构造——恒等式由有限代数直接证明。用 $e\mid L$ 得每个乘积因子 $=\varphi_{\theta_e}(h/e)$(charfactor_eqCircleMethodArcs.lean:95)。

把频率区间劈成 $\text{range }L=S_M\uplus S_m$:$S_M$(主弧)双射到标签窗 $[-N,N]$,$S_m$(次弧)是其余。分别估两块的和。

3. 主弧:Taylor → 高斯下界 $\ge c_3/\sigma_E$

方差尺度CircleMethodMainTerm.lean:21):$\sigma_E^2=\sum_e\dfrac{\theta_e(1-\theta_e)}{e^2}$,即 $\sum_e\xi_e/e$ 的方差;$\theta\in[1/3,2/3]$、$E$ 非空时每项 $\ge(2/9)/e^2>0$。

逐边 Bernoulli 对数 Taylor 展开 CircleMethodMainArc.lean:36
对 $\theta\in[1/3,2/3]$、$|t|\le1/10$: $$\log\varphi_\theta(t)=2\pi i\,\theta t-2\pi^2\theta(1-\theta)t^2+R,\qquad\|R\|\le10^5|t|^3.$$ 常数 $10^5$ 宽松但诚实(log 余项 $99000|t|^3$ + 匹配二次项 $1000|t|^3$)。

对边求和、取 $t_e=m/e$,用质量恒等式 $\sum_e\theta_e/e=1/b$ 把线性部分收成 $2\pi i(m/b)$、用 $\sigma_E^2$ 定义收二次部分(sum_logphi_bound:89): $$\log\hat\mu(m)=2\pi i\tfrac mb-2\pi^2m^2\sigma_E^2+\delta_m.$$ 对角项 $\text{term\_label}(m)=\hat\mu(m)e(-m/b)$ 相位抵消后是实高斯乘 $e^{\delta_m}$;当立方余项小($\sum_e10^5|m/e|^3\le1/10$)时实部保留至少 $0.8$ 倍高斯(term_label_re_lower:165): $$\mathrm{Re}\,\text{term\_label}(m)\ge0.8\,e^{-2\pi^2m^2\sigma_E^2}.$$

高斯和下界(纯分析) CircleMethodArcs.lean:350
窗口 $[-N,N]$ 上($N\ge1/\sigma$):$\displaystyle\sum_{|m|\le N}e^{-2\pi^2\sigma^2m^2}\ge\frac{e^{-\pi^2/2}}{2\sigma}$。证:保留 $[0,\lfloor1/(2\sigma)\rfloor]$ 里 $\ge1/(2\sigma)$ 个标签,各项 $\ge e^{-\pi^2/2}$。
主项下界
$$\mathrm{Re}\sum_{|m|\le N}\text{term\_label}(m)\ \ge\ \frac{c_3}{\sigma_E},\qquad c_3=0.8\cdot\frac{e^{-\pi^2/2}}{2}.$$

阶 $\asymp1/\sigma_E$,常数显式。主和还是实的(虚部为 0,由 $m\leftrightarrow-m$ 配对,term_label_sum_im_zero:262)。再经 $S_M\leftrightarrow[-N,N]$ 双射转成频率和 main_sum_re_lower:286)。

4. 次弧:字符衰减 → CRT 能量 $Q_E$

从 $|\varphi|^2\le1-4\theta_0(1-\theta_0)\sin^2\le e^{-4\theta_0(1-\theta_0)\sin^2}$,取平方根连乘(product_charFun_boundBernoulliFourier.lean:72): $$|\hat\mu(h)|\le\exp\!\Big(-2\theta_0(1-\theta_0)\sum_e\sin^2(\pi h/e)\Big).$$ 再用 Jordan 不等式 $\sin^2(\pi x)\ge4\|x\|^2$(sin_sq_pi_ge_four_nndist_sq),引入 CRT 能量 $Q_E(h)=\sum_e\|h/e\|^2$(QECircleMethodArcs.lean:28):

字符衰减 → 能量 product_charFun_bound_QE · CircleMethodArcs.lean:75
$$|\hat\mu(h)|\le\exp\big(-8\theta_0(1-\theta_0)\,Q_E(h)\big).$$ 在 $\theta_0=1/3$ 处常数 $=8\cdot\tfrac13\cdot\tfrac23=\dfrac{16}{9}$——这就是次弧到处出现的 $16/9$。

由三角不等式 $\|\sum_{h\in S_m}\text{fourierTerm}\|\le\sum_{h\in S_m}e^{-(16/9)Q_E(h)}$(minor_arc_norm_le:114)。能量经频率→剩余映射 $h\mapsto(h\bmod p)_p$ 转成全局控制能量 $Q_{\mathrm{ctrl}}$($Q_{\mathrm{ctrl}}(a(h))\le Q_E(h)$),得打包次弧界(minor_arc_bound:304):

次弧界($o(1/\sigma)$)
$$\Big\|\sum_{h\in S_m}\text{fourierTerm}(h)\Big\|\le\frac{\eta+C_{\text{tail}}\,e^{-C^2(16/9)/2}}{\sigma_{\mathrm{ctrl}}}.$$

$\eta$ 取小、$C$ 取大即可压到 $<c_3/\sigma_E$。这里用到的全局控制分区定理 global_control_partition_final 是支柱二的心脏——见 次弧/SBEE 详解。频率映射的 $b$-对一重数由 mainArc_fiber_card_leFiberCount.lean:69)给出。

5. 拍频收口 → Wcount>0

弧分离核 positivity_from_arcs · CircleMethod.lean:258
若 $L\cdot W=\text{main}+\text{minorSum}$,main 实且正,$\|\text{minorSum}\|\le\text{minorBound}<\text{main}$,则 $W>0$。(取实部:$\mathrm{Re}\,\text{minorSum}\ge-\text{minorBound}>-\text{main}$。)

实例化到 $S_M/S_m$(wcount_pos_of_splitCircleMethodAssembly.lean:24):$\text{main}=\mathrm{Re}\sum_{S_M}$,$\text{minorSum}=\sum_{S_m}+i\,\mathrm{Im}\sum_{S_M}$。由主和虚部为 0,拍频 hbeat: $$B_m<\frac{c_3}{\sigma_E}=\text{mainPos}\le\mathrm{Re}\sum_{S_M}\ \Longrightarrow\ 0<\mathrm{Wcount}.$$

主弧峰 ≥ c₃/σ_E 次弧 ≤ Bm (被压到主弧峰之下) 拍频 hbeat: Bm < c₃/σ_E
图 · 主弧在 $m\equiv0$ 处形成高度 $\ge c_3/\sigma_E$ 的峰(蓝),次弧总贡献被压到 $B_m$(黄虚线)之下。拍频 hbeat 保证峰高压过次弧,从而 $\mathrm{Wcount}>0$。

汇成引擎主定理 exists_pos_weighted_of_constructionCircleMethodAssembly.lean:72):吃 ArcConstruction 全部字段,吐 $0<\mathrm{Wcount}(E,\theta,b)$。

6. 抽取:正性 → 真实表示

子集存在 exists_subset_of_Wcount_pos · CircleMethod.lean:59
$\mathrm{Wcount}>0$ 中,指示为假的子集贡献恰为 0,故正总和逼出至少一个 $S\subseteq E$ 使 $\sum_{e\in S}1/e=1/b$(反证 + Finset.sum_eq_zero)。
表示 Wcount_pos_imp_repr · CircleMethod.lean:77
取上面的 $S$,因 $E\supseteq S$ 每条都是避开 $T$ 的半素数(IsSemiprime n = “$n=pq$,$p<q$ 相异素数”,自动 squarefree),$S$ 见证 HasEgyptianSemiprimeReprAvoiding T (1/b)

端到端:egyptian_rep_ge3_R2Erdos306Final.lean:31)串起构造 + 抽取,给出 squarefree $b\ge3$ 的表示;$b\in\{1,2\}$ 用经典拆分 $1=\tfrac12+\tfrac13+\tfrac16$、$\tfrac12=\tfrac13+\tfrac16$;erdos_306_unconditional:125)再经 reduction_to_unit_numerator_avoiding 抬到任意分子。

派生链一览
wcount_fourier_identity      L·W = ∑_{h<L} fourierTerm h              CircleMethod:224
  range L = SM ⊎ Sm
  ├─ SM: main_sum_re_lower  ≥ c₃/σ_E   (Taylor→高斯, c₃=0.8·e^{−π²/2}/2)  MainTerm:286
  │        main_sum_im_zero = 0                                         MainTerm:312
  └─ Sm: minor_arc_bound    ≤ Bm                                        Arcs:304
hbeat: Bm < c₃/σ_E
  └─ wcount_pos_of_split → positivity_from_arcs  ⟹  0 < Wcount          Assembly:24
exists_pos_weighted_of_construction  (消费 ArcConstruction 字段)          Assembly:72
  └─ exists_subset_of_Wcount_pos → Wcount_pos_imp_repr  ⟹  Egyptian 表示  CircleMethod:59/77

字面常数:$c_3=0.8\cdot e^{-\pi^2/2}/2$;次弧衰减 $16/9$($\theta_0=1/3$);逐边立方 Taylor 常数 $10^5$;窗口/smallness 阈值 $1/10$。