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第四章 · 峰压过谷 → 存在 → 主定理
把三章估计收成一句「能」

前三章分别给了主弧的($\ge c_3/\sigma_E$)和次弧的($\le B_m$)。这一章很短,只做三件纯逻辑的事:(1) 峰高于谷 $\Rightarrow\mathrm{Wcount}>0$;(2) $\mathrm{Wcount}>0\Rightarrow$ 真的存在一个合法子集;(3) 把「表示 $1/b$」升级到「表示任意 $a/b$」,并处理基例,完成 Erdős #306 主定理。

本章为纯逻辑收口 正性 · 抽取 · 归纳

1. 峰压过谷:$\mathrm{Wcount}>0$

回到第一章的主恒等式 $L\cdot\mathrm{Wcount}=\sum_{h<L}\mathrm{fourierTerm}(h)$。把频率按弧劈成两堆:

$$L\cdot\mathrm{Wcount}=\underbrace{\sum_{h\in S_M}\mathrm{fourierTerm}(h)}_{\text{主弧(第二章)}}+\underbrace{\sum_{h\in S_m}\mathrm{fourierTerm}(h)}_{\text{次弧(第三章)}}.$$

$\mathrm{Wcount}$ 是一个非负实数(它是带非负权重的子集计数),所以等式左边是实数;两边取实部:

$$L\cdot\mathrm{Wcount}=\mathrm{Re}\!\sum_{S_M}\mathrm{fourierTerm}+\mathrm{Re}\!\sum_{S_m}\mathrm{fourierTerm}.$$

代入两章的结论:

引理 4.1 · 正性判据 positivity_from_arcs · CircleMethod.lean
$$L\cdot\mathrm{Wcount}\ \ge\ \frac{c_3}{\sigma_E}-B_m.\qquad\text{若}\ \ B_m<\frac{c_3}{\sigma_E}\ \ \text{则}\ \ \mathrm{Wcount}>0.$$

这就是整台圆法机器的唯一决胜不等式主峰 $c_3/\sigma_E$ 严格高于次谷 $B_m$。第六章(SBEE)的全部苦工,就是把 $B_m$ 这个能量和压到 $c_3/\sigma_E$ 以下。一旦压住,$\mathrm{Wcount}>0$ 立刻到手。

2. 从正性抽出一个真实子集

$\mathrm{Wcount}>0$ 只是说「加权计数为正」,还要落地成「确实有那么一个子集」。这一步是逻辑常识:非负项之和为正 $\Rightarrow$ 至少一项为正。

引理 4.2 · 存在性抽取 exists_subset_of_Wcount_pos · CircleMethod.lean
$$\mathrm{Wcount}=\sum_{S}\Big(\prod_{e\in S}\theta_e\prod_{e\notin S}(1-\theta_e)\Big)\mathbf 1[n_S=0]>0 \ \Longrightarrow\ \exists\,S:\ n_S=0.$$ 由于每个权重 $\prod\theta\prod(1-\theta)>0$(因 $\theta_e\in[\tfrac13,\tfrac23]$ 严格在 $(0,1)$ 内),求和为正必有某个 $\mathbf 1[n_S=0]=1$,即存在子集 $S$ 使 $n_S=0$。

而 $n_S=0$(第一章 §4:$n_S=\sum_{e\in S}L/e-L/b$,且无卷绕)恰恰翻译成

$$\sum_{e\in S}\frac1e=\frac1b,\qquad S\subseteq E\ \text{是一组互不相同的无平方半素数 }e=pq.$$

换句话说:$1/b$ 被写成了有限个互不相同的 $1/(pq)$ 之和。这是核心圆法定理的最终产品。记它为:

核心存在性(圆法主输出) CircleMethod 顶层

对无平方因子的 $b$(在构造能启动的范围内),存在互不相同的素数对 $\{p_i,q_i\}$ 使 $$\frac1b=\sum_i\frac1{p_iq_i}.$$

3. 顶层归约:$a/b$ 拆成 $a$ 份互斥的 $1/b$

Erdős #306 要的是任意 $a/b$($b$ 无平方因子),不止 $1/b$。桥梁很朴素:$\dfrac ab=\underbrace{\dfrac1b+\dfrac1b+\cdots+\dfrac1b}_{a\ \text{份}}$。只要能把 $1/b$ 表示 $a$ 次、而且 $a$ 次用到的半素数两两不重复,把它们并起来就是 $a/b$ 的一个合法表示。

引理 4.3 · 带避开集的重复表示 归纳 · avoidance set T
对任意有限的「禁用半素数集」$T$,核心存在性仍能给出 $1/b=\sum_{e\in S}1/e$ 且 $S\cap T=\varnothing$。

理由:圆法的边集 $E$ 建在任意大的素数块上(第五章),可用素数有无穷多;把落在 $T$ 里的有限个半素数从候选中划掉,构造照样启动,正性判据照样成立。

归纳造 $a$ 份。令 $T_0=\varnothing$。第 $k$ 步($k=1,\dots,a$)用避开集 $T_{k-1}$ 得到 $1/b=\sum_{e\in S_k}1/e$,$S_k\cap T_{k-1}=\varnothing$;令 $T_k=T_{k-1}\cup S_k$。归纳保证 $S_1,\dots,S_a$ 两两不交。于是

$$\frac ab=\sum_{k=1}^{a}\frac1b=\sum_{k=1}^{a}\sum_{e\in S_k}\frac1e=\sum_{e\in S_1\cup\cdots\cup S_a}\frac1e,$$

右端是互不相同的 $1/(pq)$ 之和。$a/b$ 表示完成。

4. 基例与主定理收尾

圆法核心需要 $b$ 足够「有货」才能启动。极小的分母单独处理:

基例 $b\in\{1,2\}$ 显式构造
这些情形用现成的恒等式直接给出(例如把 $1=\tfrac1{2\cdot3}+\tfrac1{2\cdot3}\cdots$ 类的显式拆分、或已知的小分母互异半素数分解),无需圆法。有限多个基例逐一验证即可。
Erdős #306 主定理 Erdos306.lean 顶层

对每个分母无平方因子的正有理数 $a/b$,都存在有限个互不相同的素数对 $\{p,q\}$($p\ne q$)使 $$\frac ab=\sum\frac1{pq}.$$

证明合流:$b$ 小 $\to$ 基例;$b$ 一般 $\to$ 核心存在性(第一~三章圆法,正性判据 4.1)给出单份 $1/b$,引理 4.3 的避开集归纳升级到 $a/b$。$\blacksquare$

到这里,逻辑主线已经闭合

剩下的两章是补齐两个「欠条」