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任取两个大于 2 的整数,其互质的概率是多少?

2021-03-17科学

首先,易知(不严格地),在大于2 的自然数中任性选一个数,则其为偶数的概率应该是

P_1=\frac{1}{2}.

而在大于2 的自然数中任选两个数,则它们有公约数 2 (即两个数均为偶数)的概率应该是

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

那么在大于2 的自然数中任选两个数,则它们没有公约数 2 的概率就是

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

同理,在大于2 的自然数中任选两个数,则它们没有公约数 3 的概率是

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

在大于2 的自然数中任选两个数,则它们没有公约数 5 的概率是

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

以此类推,在大于2 的自然数中任选两个数,则它们没有第 k 个素数公约数 p_k 的概率是

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

而要是这两个数互质,则所有素数都应该不是它们的公约数,这样,它们除了 1 外再无公约数,因此,在大于2 的自然数中任选两个数,则它们互质的概率是

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

其中 p_k 为第 k 个素数。

而由 \text{Euler} 乘积公式可知

\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}.