Atsitiktinio pirminio skaičiaus pasirinkimo tikimybės apskaičiavimas

ROBERT BROOK / Getty Images

Skaičių teorija yra šaka matematikos kuri yra susijusi su sveikųjų skaičių aibe. Tai darydami mes šiek tiek apribojame save, nes tiesiogiai nenagrinėjame kitų skaičių, pavyzdžiui, iracionalių. Tačiau kitų rūšių realūs skaičiai yra naudojami. Be to, tikimybių tema turi daug sąsajų ir susikirtimų su skaičių teorija. Vienas iš šių ryšių yra susijęs su platinimu pirminiai skaičiai. Konkrečiau galime paklausti, kokia tikimybė, kad atsitiktinai pasirinktas sveikas skaičius nuo 1 iki x yra pirminis skaičius?

Prielaidos ir apibrėžimai

Kaip ir bet kuriai matematikos problemai, svarbu suprasti ne tik daromas prielaidas, bet ir visų pagrindinių problemos terminų apibrėžimus. Šiai problemai spręsti mes atsižvelgiame į teigiamus sveikuosius skaičius, ty sveikus skaičius 1, 2, 3, . . . iki tam tikro skaičiaus x . Atsitiktinai pasirenkame vieną iš šių skaičių, tai reiškia, kad visi x iš jų vienodai tikėtina, kad bus pasirinkta.

Bandome nustatyti tikimybę, kad bus pasirinktas pirminis skaičius. Taigi turime suprasti pirminio skaičiaus apibrėžimą. Pirminis skaičius yra teigiamas sveikasis skaičius, turintis lygiai du veiksnius. Tai reiškia, kad vieninteliai pirminių skaičių dalikliai yra vienas ir pats skaičius. Taigi 2,3 ir 5 yra pirminiai skaičiai, bet 4, 8 ir 12 nėra pirminiai. Atkreipiame dėmesį, kad kadangi pirminiame skaičiuje turi būti du veiksniai, skaičius 1 yra ne pagrindinis.

Sprendimas mažiems numeriams

Mažiems skaičiams šios problemos sprendimas yra paprastas x . Viskas, ką turime padaryti, tai tiesiog suskaičiuoti pirminių skaičių, kurie yra mažesni arba lygūs x . Pirminių skaičių padalijame, mažesnį arba lygų x pagal skaičių x .

Pavyzdžiui, norint rasti tikimybę, kad pirminis skaičius bus pasirinktas nuo 1 iki 10, pirminių skaičių nuo 1 iki 10 reikia padalyti iš 10. Skaičiai 2, 3, 5, 7 yra pirminiai, taigi tikimybė, kad pirminis skaičius yra pasirinkta 4/10 = 40%.

Tikimybę, kad pirminis skaičius bus pasirinktas nuo 1 iki 50, galima rasti panašiai. Pirminiai skaičiai, mažesni už 50, yra: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43 ir 47. Yra 15 pirminių skaitmenų, mažesnių arba lygūs 50. Taigi tikimybė, kad pirminis dydis bus pasirinktas atsitiktinai, yra 15/50 = 30%.

Šį procesą galima atlikti tiesiog skaičiuojant pirminius skaičius, jei turime pirminių skaičių sąrašą. Pavyzdžiui, yra 25 pirminiai skaičiai, mažesni arba lygūs 100. (Taigi tikimybė, kad atsitiktinai pasirinktas skaičius nuo 1 iki 100 yra pirminis, yra 25/100 = 25%.) Tačiau jei neturime pirminių skaičių sąrašo, skaičiuojant gali būti nelengva nustatyti pirminių skaičių, kurie yra mažesni arba lygūs duotam skaičiui, rinkinį x .

Pirminio skaičiaus teorema

Jei neturite pirminių skaičių, kurie yra mažesni arba lygūs x , tada yra alternatyvus būdas išspręsti šią problemą. Sprendimas apima matematinį rezultatą, žinomą kaip pirminio skaičiaus teorema. Tai teiginys apie bendrą pirminių skaičių pasiskirstymą ir gali būti naudojamas apytiksliai tikimybei, kurią bandome nustatyti.

Pirminio skaičiaus teorema teigia, kad yra apytiksliai x / ln( x ) pirminiai skaičiai, mažesni arba lygūs x . Čia ln( x ) žymi natūralųjį logaritmą x , arba, kitaip tariant, logaritmas su baze skaičius ir . Kaip vertė x padidina aproksimacija pagerėja ta prasme, kad matome santykinės paklaidos mažėjimą tarp pirminių skaitmenų, mažesnių už x ir išraiška x / ln( x ).

Pirminio skaičiaus teoremos taikymas

Pirminio skaičiaus teoremos rezultatą galime naudoti norėdami išspręsti problemą, kurią bandome išspręsti. Iš pirminių skaičių teoremos žinome, kad jų yra apytiksliai x / ln( x ) pirminiai skaičiai, mažesni arba lygūs x . Be to, iš viso yra x teigiami sveikieji skaičiai, mažesni arba lygūs x . Todėl tikimybė, kad atsitiktinai pasirinktas skaičius šiame diapazone yra pirminis yra ( x / ln( x ) ) / x = 1 / ln( x ).

Pavyzdys

Dabar galime naudoti šį rezultatą, norėdami apytiksliai apskaičiuoti tikimybę atsitiktinai pasirinkti pirminį skaičių iš pirmojo milijardo sveikieji skaičiai. Apskaičiuojame milijardo natūralųjį logaritmą ir matome, kad ln(1 000 000 000) yra maždaug 20,7, o 1/ln (1 000 000 000) yra maždaug 0,0483. Taigi mes turime apie 4,83% tikimybę atsitiktinai pasirinkti pirminį skaičių iš pirmojo milijardo sveikųjų skaičių.