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第七章 · 整座大厦踩着的两块砖
Rosser–Schoenfeld 1962

走到这里,全部数论「欠条」都能兑现了。整个 $\approx21{,}000$ 行的证明,除 Mathlib 外只引入两条命名公理——都是 1962 年 Rosser–Schoenfeld 的经典素数估计,且在 Lean 里逐字符照抄原始文献。前面各章遇到的所有数论黑箱(块内素数够多、块内倒数和 $\ge\tfrac{21}{20}$、控制载荷最终够小)都不是额外假设,而是从这两条推导出来的定理。这一薄章把它们精确列出、说明喂给谁、为何可信。

两条 RS 1962 公理(唯一非 Mathlib 公理) 其余数论事实:由它们推出的定理

1. 为什么只剩两条

圆法引擎(第一~四章)、构造的调参与恒等式(第五章)、SBEE 的 Lemma D / 色散 / Peierls(第六章)——这些本讲义都零跳步证过,它们是纯分析与初等组合,不需要任何深的数论。真正需要「外部输入」的只有一件事:

唯一的外部需求

「任意远处都存在一块素数,且这块素数的倒数和足够大」。第五章造边集时用它保证 (a) 素数取之不尽(避开集归纳)、(b) 块内倒数载荷够大以填进窗口 $[\tfrac3{2b},\tfrac3b]$。这是关于素数分布倒数求和的定量事实,无法用初等代数变出来——它来自解析数论。

Tang 的做法很干净:不把「块内倒数和 $\ge\tfrac{21}{20}$」直接当公理,而是把两条教科书级的经典定理照抄进来当公理,再把实际用到的所有具体事实作为定理推导。这样公理面最小、且每条都能对着原始论文逐字核对。

2. 公理一 · 素数密度(Corollary 3)

rosser_schoenfeld_cor3 RSPrimeSums.lean:41
对所有实数 $x\ge\dfrac{41}{2}\,(=20.5)$: $$\frac{3x}{5\log x}\ <\ \pi(2x)-\pi(x),$$ 其中 $\pi(t)$ 是不超过 $t$ 的素数个数(Nat.primeCounting)。
出处 Rosser & Schoenfeld, Approximate formulas for some functions of prime numbers, Illinois J. Math. 6(1) (1962), 64–94,Corollary 3, eq. (3.8), p. 69

读法. 它说倍增区间 $[x,2x]$ 里的素数个数有一个正的下界 $\dfrac{3x}{5\log x}$。这正是「二进块 $[2^{k_0},2^{3k_0+1})$ 里素数管够」的来源——把 $x$ 取成 $2^{k}$ 逐段叠加,就得到块内足够多的素数(第五章 §2 的 dyadic_prime_density)。$x\ge20.5$ 的小门槛对我们要的大块毫无障碍。

3. 公理二 · Mertens 倒数和(Theorem 5)

rosser_schoenfeld_thm5 RSPrimeSums.lean:59
存在常数 $B$(Mertens 常数,$B=0.26149721284764\ldots$)使得对所有 $x$: $$\log\log x+B-\frac1{2\log^2x}\ <\ \sum_{p\le x}\frac1p\qquad(x>1),$$ $$\sum_{p\le x}\frac1p\ <\ \log\log x+B+\frac1{2\log^2x}\qquad(x\ge286).$$ 出处 ibid., Theorem 5, eqs. (3.17)–(3.18), p. 70(常数 $B$ 见 eq. (2.10), p. 65);历史源头 Mertens 1874。

读法. 它把素数倒数和 $\sum_{p\le x}1/p$ 两侧夹在 $\log\log x+B$ 附近,误差 $\le\dfrac1{2\log^2x}$。两式相减(在 $x$ 与 $2x$ 处)即得块内倒数和的下界——第五章 §2 的 $\sum_{p\in\text{block}}1/p\ge\tfrac{21}{20}$ 就是这么算出来的(dyadic_mertens_cumulative)。把 $B\approx0.2615$ 存在化(不钉死小数)让公理成为 Theorem 5 的精确转写

4. 各喂给谁 · 推出的定理

两条公理都只在构造层被消费,喂出三条定理(不再是公理),再由它们支撑前面各章:

公理一 · Cor 3 π(2x)−π(x) > 3x/(5 log x) 公理二 · Thm 5 Σ 1/p 夹在 loglog x + B 块内素数管够 dyadic_prime_density 块内倒数和 ≥ 21/20 dyadic_mertens_cumulative 控制载荷最终够小 recipLoad_eventually_small 第五章 造边集 · 填窗 第四章 避开集归纳 琥珀 = 公理(照抄文献) · 绿 = 由公理推出的定理 · 蓝 = 消费方章节
图 7.1 · 两条公理 → 三条派生定理 → 构造章消费。公理只在最底层出现一次;整棵证明树其余部分(含 Theorem A/B、G5、Sector-I)全是 sorry-free 定理。

5. 为何可信 · 完整审计指向

三点让人放心
  1. 经典且久经检验. 两条都是 Rosser–Schoenfeld 1962 的主结果,六十余年被反复引用、数值加强,属解析数论教科书内容。
  2. 逐字符可核对. Lean 里的 axiom 声明连同门槛($x\ge20.5$、$x\ge286$)、常数 $B$、eq. 编号都照抄原文,可对着 Illinois J. Math. 6(1) 第 69–70 页一字一句比对。
  3. 公理面最小. 没有把「$\ge21/20$」之类的方便结论直接设公理;所有具体数值都作定理推导,公理只留最原始的两条。
完整审计账本在别处

本章只做「讲义视角」的说明。若要逐条核对整棵证明树对这两条公理的依赖、以及 #print axioms 级别的机器审计,请看内行向的 公理详解页(不在此重复其 ledger)。

讲义到此完结

七章合起来给出了 Erdős #306 一条自包含、逐行可复算的路径:
第一章 计数→圆 · 第二章 主弧高斯峰 · 第三章 次弧化能量 · 第四章 峰压谷→存在→主定理 · 第五章 造零件 · 第六章 能量胜熵 · 第七章 两条砖。
除本章两条经典公理外,每一步的积分、余项、常数都已摊开。$\blacksquare$