贡献者： int256
预备知识 素数定理
，数论函数 theta 与 psi 的阶
，
渐进估计与阶
定理 1 素数个数函数的阶
\begin{equation}
\pi(x) \sim \frac{\vartheta(x)}{\ln x} \sim \frac{\psi(x)}{\ln x} ~.
\end{equation}
证明：我们利用 $\vartheta(x)$ 与 $\psi(x)$ 的阶的估计可以导出素数定理的证明。首先指出
\begin{equation}
\vartheta(x) = \sum_{p \le x} \ln p \le \ln x \sum_{p \le x} 1 = \pi(x) \ln x ~,
\end{equation}
从而直接得到了
\begin{equation}
\pi(x) \ge \vartheta(x)/\ln x > Ax / \ln x ~.
\end{equation}
而若 $0 < \delta < 1$，
\begin{equation}
\begin{aligned}
\vartheta(x) &\ge \sum_{x^{1-\delta} < p \le x} \ln p ~\\
&\ge (1-\delta) \ln x \sum_{x^{1-\delta} < p \le x} 1 ~\\
&= (1-\delta) \ln x \left( \pi(x) - \pi(x^{1-\delta}) \right) ~\\
&\ge (1-\delta) \ln x \left( \pi(x) - x^{1-\delta} \right) ~.
\end{aligned}
\end{equation}
这就是说，
\begin{equation}
\pi(x) \le x^{1-\delta} + \frac{\vartheta(x)}{(1-\delta) \ln x} < Bx/\ln x ~.
\end{equation}
而利用定理 1 与引理 1 ，只需要证明 $\pi(x) \sim \vartheta(x)/\ln x$ 即可。利用式 3 与式 5 就直接有
\begin{equation}
1 \le \frac{\pi(x) \ln x}{\vartheta(x)} \le \frac{x^{1-\delta} \ln x}{\vartheta(x)} + \frac{1}{1-\delta} ~.
\end{equation}
对于任意的 $\varepsilon > 0$，可以选取 $\delta = \delta(\varepsilon) > 0$ 使得 $1/(1-\delta) < 1+ (\varepsilon/2)$，而选取 $N = N(\delta, \varepsilon) = N(\varepsilon)$ 使得对于所有的 $x > N$ 均有
\begin{equation}
\frac{x^{1-\delta}\ln x}{\vartheta(x)} < \frac{C \ln x}{x^\delta} < \varepsilon/2 ~.
\end{equation}
从而对于所有 $x>N$ 都有
\begin{equation}
1 \le \frac{\pi(x) \ln x}{\vartheta(x)} < 1+ \varepsilon ~.
\end{equation}
而 $\varepsilon$ 可以任意小，就证明了第一部分。也就完成了这个定理的证明！
而我们已经证明了，$\vartheta(x)$ 与 $\psi(x)$ 的阶都是 $x$，故 $\pi(x)$ 的阶是 $x/\ln x$ 也就被成功证明！
推论 1 素数定理的推论
\begin{equation}
p_n \asymp n \ln n ~.
\end{equation}
证明：我们用 $A$ 表示待定常数，但特别的，$A$ 之间可以互不相等，而仅用 $A$ 来估计阶。
利用素数定理，
\begin{equation}
n = \pi(p_n) < \frac{A p_n}{\ln p_n}, ~ p_n > An\ln p_n > An \ln n ~.
\end{equation}
而
\begin{equation}
n = \pi(p_n) > \frac{Ap_n}{\ln p_n} ~,
\end{equation}
从而
\begin{equation}
\sqrt{p_n} < \frac{A p_n}{\ln p_n} < A n, ~ p_n < A n^2 ~,
\end{equation}
这指出，
\begin{equation}
p_n < A n \ln p_n < An \ln n ~.
\end{equation}
就完成证明。
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