7 y) c' l) H2 K: U9 Y
自然数螺旋排列图
从上图可以看出，自然数集合N+也可以由一连串连续区间的并集组成，[1]∪（1，9]∪（9，25]∪（25，49]∪（49，81]∪（81，121]∪……∪（（2x-3）^2，（2x-1）^2]…。并且，每个区间的最大数都是奇数（2x-1）的平方。
2 素数分布定理和公式0 G5 ?0 Z6 _0 G5 P
首先，来研究每一区间数字的素数分布情况：
第一区间只有自然数1，素数个数为0。
第二区间为（1，9］，有8个数字，其中素数有4个，所占比例为 4/8=0.5。
第三区间为（10，25］，有16个数字，其中素数有5个，所占比例为 5/16=0.3125；
第四区间为（25，49］，有24个数字，其中素数有6个，所占比例为 6/24=0. 25；以此类推。
其次，再来看每一个区间的素数分布与区间内的数有什么内在规律。1在中心，不是素数；在区间（1，9］有8个自然数，最大数是9，求9的自然对数的倒数，1/ln9≈0.455，与该区间实际素数所占比例接近；乘以总数8，值约等于3.64，取整数后为4，与该区间实际素数个数相同。在区间（10，25］有16个自然数，最大数是25，求25的自然对数的倒数， 1/ln25≈0.311，与区间内实际素数所占比例0.3125很接近，乘以总数16，值约等于4.97，取整数后为5，与该区间实际素数个数相同。在区间（25，49］有24个自然数，最大数是49，求49的自然对数的倒数， 1/ln49≈0.2569，与区间内实际素数所占比例0. 25很接近，乘以总数24，值约等于6.16，取整数后为6，与该区间实际素数个数相同。以此类推，如素数分布规律表所示。
: N o1 U! z* K- E+ g' X
4 v9 D- }& E, j: E3 c
5 k7 T. X4 _6 i1 z+ W, V
( E% ?0 v. V+ Z/ {' e' W/ l
素数分布规律表
由上表可以看出，在第2到第8区间，实际素数个数与理论素数个数相等，其他的区间实际素数个数在理论素数个数左右波动，每个区间实际素数的所占比例和理论素数分布密度非常接近。
下面，给出素数分布定理的一般形式。
定理
设x为自然数，在给定区间（（2x-3）^2，（2x-1）^2］内，素数的分布密度公式为
1/ln（2x-1）^2
给定区间内自然数的个数为
（2x-1）^2-（2x-3）^2=8x-8
用π(x)表示给定区间内的素数个数，则给定区间素数个数与自然数的个数之间存在如下线性关系
π(x)=( 8x-8)/ ln（2x-1）^2
若用Sn表示n圈内素数的总和，则
+ g6 i! ?1 Q- x
推论1 在区间（（2x-3）^2，（2x-1）^2］内，只有有限个素数，当x趋向无穷大时，素数也趋向无穷大，即 + r9 i7 [+ P8 j7 `% o# n
接着，再来看每一个区间的孪生素数的分布情况：在区间（1，9］内有2、3和5、7两对孪生素数，在区间（9，25］内有11、13和17、19两对孪生素数，在区间（25，49］内有29、31和41、43两对孪生素数，在区间（49，81］内有59、61和71、73两对孪生素数，在区间（81，121］内有101、103和107、109两对孪生素数，在区间（121，169］内有137、139和149、151两对孪生素数，在区间（169，225］内有179、181和191、193两对孪生素数，每一区间内被小于或等于（2x-1）的素数约去后，都有两对孪生素数。因此，得出推论在每一个区间至少有两对孪生素数。
推论2 在区间（（2x-3）^2，（2x-1）^2］内至少有两对孪生素数。当x趋向无穷时，孪生素数也趋向无穷。
4 v9 D- }& E, j: E3 c
5 k7 T. X4 _6 i1 z+ W, V
( E% ?0 v. V+ Z/ {' e' W/ l
推论3
在区间（（2x-3）^2，（2x-1）^2］内，实际素数个数总是在理论素数个数左右波动，即它们的比值在1左右波动，当x取有限数值时，所有区间实际素数与理论素数之比（π(x)/(（8x-8）/ln(2x-1)^2)）的平均值趋向1。当x取无穷大时，无穷区间实际素数与理论素数之比（π(x)/(（8x-8）/ln(2x-1)^2)）的平均值等于1。即当x→∞时，
{π(1)/ [（8×1-8）/ln(2×1-1)^2]+ π(2)/ [（8×2-8）/ln(2×2-1)^2]+
π(3)/[（8×3-8）/ln(2×3-1)^2]+…+π(x)/ [（8x-8）/ln(2x-1)^2]}/（1+2+3+…+x）=1
