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第五章 · 造出那台机器的零件
边集、权重、质量恒等式

前面几章一直在「用」三样东西:边集 $E$(一堆无平方半素数 $pq$)、权重 $\theta_e\in[\tfrac13,\tfrac23]$、以及质量恒等式 $\sum_e\theta_e/e=1/b$。这一章把它们造出来。核心是一个漂亮的调参:把边的「倒数载荷」$\sum1/e$ 卡进窗口 $[\tfrac3{2b},\tfrac3b]$,再取均匀权重 $\theta=(1/b)/\sum1/e$——质量恒等式和权重窗 $[\tfrac13,\tfrac23]$ 就同时自动成立。素数够不够用、块里质量够不够,靠两条数论事实兜底(留到第七章)。

调参与恒等式零跳步 数论存在性 → 第七章

1. 引擎的合同:ArcConstruction 要什么

圆法引擎(第一~四章)是个「插件」:只要你能提供满足下列条款的一套零件,它就吐出 $1/b$ 的互异半素数表示。这份合同(Lean 里的 BlockSystem / ArcConstruction)要求:

合同条款 ArcConstruction.lean · BlockSystemConstruction.lean
  1. $E$ 是有限个无平方因子的半素数 $e=pq$($p\ne q$ 素数),互不相同。
  2. 权重 $\theta:E\to[\tfrac13,\tfrac23]$(保证第二、三章的 $\theta(1-\theta)\ge\tfrac29$)。
  3. 质量恒等式 $\displaystyle\sum_{e\in E}\frac{\theta_e}{e}=\frac1b$(保证第二章主弧相位相消)。
  4. 控制边 $E_{\mathrm{ctrl}}\subseteq E$ 有 CRT 友好结构,供第六章能量下界用。
  5. 任意大:素数可取到任意大,从而对任何有限禁用集 $T$ 都能另起炉灶(第四章避开集归纳要用)。

下面逐条兑现。关键是第 2、3 条如何一箭双雕地同时满足。

2. 二进块素数:任意大的「素数仓库」

二进块 blockPrimes · BlockMassPool.lean:64
对参数 $k_0$,取 $$\mathrm{blockPrimes}(k_0)=\{\,p\ \text{素数}: 2^{k_0}\le p<2^{3k_0+1}\,\}.$$ 这是一段三倍长(对数尺度)的二进区间里的全部素数。$k_0$ 越大,块越靠后、素数越大。

为什么「任意大」白送。$k_0\to\infty$ 时块整体右移到任意远,所以想避开任何有限禁用集 $T$(第四章),只要把 $k_0$ 取得足够大让 $2^{k_0}$ 超过 $T$ 里所有素因子即可。这一条是纯粹的「素数无穷多」,不费力。

唯一需要数论的地方:块内质量够不够

要让后面填窗成功,块内素数的倒数和必须够大。用到Mertens 型下界 $$\sum_{p\in\mathrm{blockPrimes}(k_0)}\frac1p\ \ge\ \frac{21}{20}\qquad(k_0\ge5).$$ blockPrimes_product_load · BlockMassPool.lean:144 这条(及其背后的素数密度)是本讲义唯一真正引用的数论事实,最终归到第七章两条 Rosser–Schoenfeld 1962 公理。除此之外本章全是初等调参。

3. 控制边 $=$ 两块素数之积

把块分成前后两半(下子块出 $p$、上子块出 $q$),控制边取它们的乘积:

控制边 ctrlEdges / ctrlPairs · ArcConstruction.lean:21
$$E_{\mathrm{ctrl}}=\{\,p\cdot q:\ p\in\text{下子块},\ q\in\text{上子块},\ p\ne q\,\}.$$
  • 无平方半素数:$p,q$ 是不同素数,故 $pq$ 无平方因子、恰两个素因子。ctrlEdges_semiprime :35
  • 互不相同:不同的素数对给出不同的乘积(乘积映射单射)。ctrlPairs_prod_injOn :44
  • CRT 友好:$p,q$ 互素,故对模 $pq$,$h\bmod p$ 与 $h\bmod q$ 独立——这正是第六章能量分析要的乘积结构($\|h/(pq)\|$ 由两个独立的 mod 类决定)。

「$p$ 取下子块、$q$ 取上子块」保证 $p<q$、两者量级分离,方便后面把频率 $h$ 的行为拆成两个独立坐标。

4. 贪心填窗:把倒数载荷卡进 $[\tfrac3{2b},\tfrac3b]$

定义边集的倒数载荷(recipLoad)$\displaystyle R:=\sum_{e\in E}\frac1e$。我们要从候选半素数里挑一个子集 $E$,让 $R$ 精确落进窗口 $[\tfrac3{2b},\tfrac3b]$。这靠一个纯初等的贪心引理。

引理 5.1 · 贪心窗口选择 exists_subset_recip_window · BlockMassPool.lean:199
设候选集 $P$(正整数)满足:总载荷 $\sum_{e\in P}1/e\ge\mathrm{target}$,且每个元素的载荷都小 $1/e\le\mathrm{gap}$。则存在子集 $Q\subseteq P$ 使 $$\mathrm{target}\ \le\ \sum_{e\in Q}\frac1e\ <\ \mathrm{target}+\mathrm{gap}.$$

证明(贪心/极小性)。在所有「载荷 $\ge\mathrm{target}$」的子集里取一个元素最少(或载荷最小)的 $Q$。它的载荷 $\ge\mathrm{target}$。若载荷 $\ge\mathrm{target}+\mathrm{gap}$,从 $Q$ 里删掉任意一个元素 $x$:删后载荷 $=\sum_Q 1/e-1/x\ge(\mathrm{target}+\mathrm{gap})-\mathrm{gap}=\mathrm{target}$(因 $1/x\le\mathrm{gap}$),于是 $Q\setminus\{x\}$ 仍合格却更小,与极小性矛盾。故载荷 $<\mathrm{target}+\mathrm{gap}$。$\qquad\blacksquare$

代入我们的数。取 $\mathrm{target}=\mathrm{gap}=\dfrac3{2b}$。则窗口 $[\,\mathrm{target},\ \mathrm{target}+\mathrm{gap}\,)=[\tfrac3{2b},\tfrac3b)$。前提检查:

填窗结果 R2 mass batch · BlockMassPool.lean:246
$$\frac3{2b}\ \le\ R=\sum_{e\in E}\frac1e\ <\ \frac3b.$$

5. 均匀权重 → 质量恒等式 + 权重窗(一步不省)

现在是全章的收官妙笔。边集定好后,所有边取同一个权重

均匀权重定义
$$\theta_e\ \equiv\ \theta\ :=\ \frac{1/b}{R}=\frac{1/b}{\sum_{e\in E}1/e}\qquad(\text{对每条边都一样}).$$

(甲)质量恒等式——一行。因为权重是常数,可以提出求和:

$$\sum_{e\in E}\frac{\theta_e}{e}=\theta\sum_{e\in E}\frac1e=\theta\cdot R=\frac{1/b}{R}\cdot R=\frac1b.\qquad\checkmark$$

合同第 3 条自动满足——不管 $R$ 具体是多少,只要 $\theta$ 这样取,质量恒等式恒成立。填窗那一步(§4)根本不是为了质量恒等式,而是为了下面的权重窗。

(乙)权重窗 $\theta\in[\tfrac13,\tfrac23]$——正是 §4 的窗口翻译过来。$\theta=(1/b)/R$ 是 $R$ 的减函数。把 $R$ 的两端代入:

$$R=\frac3b\ \Longrightarrow\ \theta=\frac{1/b}{3/b}=\frac13,\qquad R=\frac3{2b}\ \Longrightarrow\ \theta=\frac{1/b}{3/(2b)}=\frac1b\cdot\frac{2b}{3}=\frac23.$$

因 $R\in[\tfrac3{2b},\tfrac3b]$ 且 $\theta(R)$ 单调减,故 $\theta\in[\tfrac13,\tfrac23]$。合同第 2 条也自动满足

窗口等价 —— 这就是选 $[\tfrac3{2b},\tfrac3b]$ 的原因
$$R=\sum_e\frac1e\in\Big[\frac3{2b},\frac3b\Big]\quad\Longleftrightarrow\quad \theta=\frac{1/b}{R}\in\Big[\frac13,\frac23\Big].$$

「载荷窗 $[\tfrac3{2b},\tfrac3b]$」和「权重窗 $[\tfrac13,\tfrac23]$」是同一件事的两种说法。填窗(§4)+ 均匀权重(§5)一举同时兑现合同的第 2、3 条。$\blacksquare$

2^k₀ 下子块 → p 上子块 → q 2^(3k₀+1) 控制边 E_ctrl = { p·q : p 下块, q 上块, p≠q } 贪心填窗:R = Σ 1/e ∈ [ 3/2b , 3/b ] ⟺ 均匀权重 θ = (1/b)/R ∈ [ 1/3 , 2/3 ],且 Σθ/e = 1/b ↓ 挑子集 + 均匀赋权
图 5.1 · 从二进块素数到边集。下/上子块各出一个素数、相乘得控制边(无平方半素数);贪心挑一个子集把倒数载荷卡进 $[\tfrac3{2b},\tfrac3b]$,均匀权重同时兑现质量恒等式与权重窗。

6. 垫片边与格张成:命中目标残差

还有两处收尾,属于「让目标真的可达」的技术条款,逻辑清楚、细节机械,这里给陈述与思路:

垫片边(gadget edges)· 处理 $b$ 的素因子 ExtraMinorDamping.lean:20
对每个素数 $r\mid b$,额外放入形如 $r\cdot s$($s$ 为块素数)的垫片边。作用:当频率 $h$ 落在「兄弟」危险区($\|h/e\|$ 对普通控制边可能不小但对 $r$ 相关频率失效)时,垫片给出常数下界 $\|h/(rs)\|\ge\tfrac1{2r}$,补上第六章能量分析在 $r\mid b$ 方向的漏洞。每个 $r$ 用 $G=O(\log C)$ 个垫片即可压过兄弟项。这些边的 $\sum1/e^2$ 很轻,不破坏 $\sigma_E\approx\sigma_{\mathrm{ctrl}}$(ArcConstructionSigma.lean:66)。
格张成:目标残差可达 lattice span · gcd = 1
第四章要 $n_S=\sum_{e\in S}L/e-L/b=0$ 有解,即需要子集和 $\sum_{e\in S}1/e$ 能精确命中 $1/b$。由 §4 的贪心已能把载荷调到 $1/b$ 的整数倍窗口内,再靠边的倒数在模意义下张成的格gcd $=1$(不同素数积互素),保证可微调命中目标残差。这一步是初等数论(互素 ⟹ 可表出),属篇幅而非深度。

7. 小结:把欠条转给第七章

本章交付

一套满足引擎合同的零件:无平方半素数边 $E$、均匀权重 $\theta\in[\tfrac13,\tfrac23]$、质量恒等式 $\sum\theta_e/e=1/b$、CRT 友好的控制边、以及任意大素数供避开集归纳使用。调参(§4)与恒等式(§5)全部零跳步、初等。

本章唯一没有自证的东西

「块内素数倒数和 $\ge\tfrac{21}{20}$」以及背后的素数密度/Mertens 事实。这是纯数论存在性,本讲义把它当黑箱、连同其余数论输入一并归到第七章的两条 Rosser–Schoenfeld 1962 公理。注意:这属于「篇幅/领域」的引用,不是逻辑漏洞——它们是教科书级的经典定理,Tang 的形式化把它们作命名公理引入,不影响主证明结构的完整性。