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任取兩個大於 2 的整數,其互質的機率是多少?

2021-03-17科學

首先,易知(不嚴格地),在大於2 的自然數中任性選一個數,則其為偶數的機率應該是

P_1=\frac{1}{2}.

而在大於2 的自然數中任選兩個數,則它們有公因數 2 (即兩個數均為偶數)的機率應該是

P_2=P_1P_1=\frac{1}{2^2}.

那麽在大於2 的自然數中任選兩個數,則它們沒有公因數 2 的機率就是

P_{31}=1-P_2=1-\frac{1}{2^2}.

同理,在大於2 的自然數中任選兩個數,則它們沒有公因數 3 的機率是

P_{32}=1-\frac{1}{3^2}.

在大於2 的自然數中任選兩個數,則它們沒有公因數 5 的機率是

P_{33}=1-\frac{1}{5^2}.

以此類推,在大於2 的自然數中任選兩個數,則它們沒有第 k 個質數公因數 p_k 的機率是

P_{3k}=1-\frac{1}{p_k^2}.

而要是這兩個數互質,則所有質數都應該不是它們的公因數,這樣,它們除了 1 外再無公因數,因此,在大於2 的自然數中任選兩個數,則它們互質的機率是

P=\prod_{k=1}^{\infty}\left(1-\frac{1}{p_k^2}\right).

其中 p_k 為第 k 個質數。

而由 \text{Euler} 乘積公式可知

\prod_{k=1}^{\infty}\left(1-\frac{1}{p_k^s}\right)^{-1}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^s}=\zeta(s).

因此

P=\left(\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}\right)^{-1}=\frac{6}{\pi^2}.