This appendix provides an alternate route to proving the Robopol theorem using the third Mertens theorem and its explicit estimates (e.g., from Rosser–Schoenfeld), without employing smooth functions or \(\Delta x\)-based arguments.
d(n)).σ(m)/m < σ(n)/n for all m < n.ε>0 with σ(n)/n^ε ≥ σ(m)/m^ε for all m≥1.In the main text, the Robopol theorem is formulated (in versions (3.1) and (3.2)) for highly composite numbers \( n \). Let \( p_n \) be the largest prime divisor of \( n \). Then, for sufficiently large \( n \):
or
depending on whether \(\log(n)\gt p_n\) or not. Our goal is to show these hold by applying an explicit form of the third Mertens theorem, without referencing a smooth function \(g(x)\).
The third Mertens theorem states that
which is equivalent to:
Defining beta(x) = Π (p/(p-1)) for p ≤ x, we get
However, this only tells us about the limit as \( x \to \infty \). For a strict inequality of the form beta(x) < e^γ log x above some threshold, we need an explicit version of the theorem that includes an error term.
According to explicit estimates in the literature (for instance, Rosser and Schoenfeld, 1962), there is a constant \( C \) and some \( x_0 \) such that for all \( x \ge x_0 \):
This is an explicit upper bound with a positive tail \(C/\log x\). By itself it does not imply \(\beta(x) < e^{\gamma}\,\log x\) for all large \(x\) without an additional compensating factor.
For an integer \( n=\prod p^{j} \), write
Introducing the deficit more explicitly, we may rewrite
In particular we always have the universal inequality \( \frac{\sigma(n)}{n}\le \beta(n)\,e^{-S(n)}. \)
A simple bound useful later is
since each term satisfies \(p^{-(j+1)}\le p^{-2}\) for \(j\ge1\).
We now pass to a stricter universal bound that keeps only the unit exponents.
Using the explicit Mertens bound at \(x=p_n\), we obtain
By \(\log(1-x)\le -x\) this is \(\le e^{\gamma}\,\log p_n\) once
Auxiliary bound B(n). Define \(B(n):=\beta(n)\prod_{p\in J_1(n)}\bigl(1-1/p^{2}\bigr).\) From the previous inequality we already have \(\sigma(n)/n\le B(n)<\beta(n)\). Whenever the j = 1 tail is non–empty we get \(\beta(n)-B(n)=\beta(n)\Bigl(1-\prod_{p\in J_1(n)}(1-1/p^{2})\Bigr).\) A more precise lower bound (sufficient for compensation) is \[\beta(n)-B(n)\;\ge\;\beta(n)\Bigl(1-\tfrac12\sum_{p\in J_1(n)}\tfrac1{p^{2}}\Bigr)\sum_{p\in J_1(n)}\tfrac1{p^{2}}.\] Since \(\sum_{p\in J_1(n)}1/p^{2}\approx C/(\log p_n)^2\ll1\), the bracket differs from 1 by less than a permille for relevant \(p_n\). Hence \(\beta(n)-B(n)\ge C/\log p_n\) once the tail condition is satisfied. In words: the unit-exponent tail already cancels the explicit Rosser–Schoenfeld surplus \(C/\log p_n\); the upcoming swap lemma is required only to guarantee that this tail is indeed present in every near-extremal profile.
Define the threshold \(T:=\log\!\bigl(1+ C/(\log p_n)^2\bigr)\). Pick the minimal discrete tail of primes above some \(y
Let \(r\) be the last prime with exponent \(\ge2\). For the factor contributions \(f(p,j)=\tfrac{p}{p-1}(1-p^{-(j+1)})\) define the increment
\(\alpha_p(j)=\dfrac{f(p,j+1)}{f(p,j)}=\dfrac{1-p^{-(j+2)}}{1-p^{-(j+1)}}=1+\dfrac{(1-1/p)\,p^{-(j+1)}}{1-p^{-(j+1)}}\).
Then \(\alpha_2(1)=7/6\) and \(\alpha_r(1)=1+1/(r^2-1)\le 9/8\) for all \(r\ge3\). Hence \(\alpha_2(1)/\alpha_r(1) \ge 28/27>1\).
If \(r>y\), perform a swap: decrease the exponent of \(r\) from 2 to 1 and increase the exponent of 2 by 1. The ratio \(\sigma(\tilde n)/\tilde n\) to \(\sigma(n)/n\) equals \(\alpha_2(1)/\alpha_r(1)>1\), and the j=1 tail gains \(r\), increasing \(\sum_{p\in J_1(n)}1/p^2\) by at least \(1/r^2\). Iterating while \(r>y\) strictly increases \(\sigma/n\), contradicting extremality. Therefore any extremal profile must satisfy \(r\le y\) and thus \(\sum_{p\in J_1(n)}1/p^2\ge T\).
Combining this with the explicit Mertens bound yields \( \frac{\sigma(n)}{n} \le e^{\gamma}\,\log p_n \).Using \( p_n < \log n \) (Appendix RH) we obtain \( \frac{\sigma(n)}{n} < e^{\gamma}\,\log\!\log n \).
Using the explicit Mertens bound, the strict upper bound via the j=1 tail, the discrete‑tail lower bound and the sharp swap lemma, we obtain
This yields Robin's inequality without invoking SA/CA assumptions; numerical checks in the companion scripts confirm the discrete‑tail step for large ranges.
Tento dodatok prináša alternatívnu cestu k dôkazu Robopol teoremu na základe tretieho Mertensovho teorému a jeho explicitných odhadov (napr. Rosser–Schoenfeld), bez využívania hladkých funkcií alebo \(\Delta x\)-argumentov.
d(n)).σ(m)/m < σ(n)/n pre všetky m < n.ε>0 tak, že σ(n)/n^ε ≥ σ(m)/m^ε pre všetky m≥1.V hlavnom texte je Robopol teorem (verzie (3.1) a (3.2)) určený pre vysoko zložené čísla \( n \). Nech \( p_n \) je najväčšie prvočíslo, ktoré delí \( n \). Potom pre dostatočne veľké \( n \) platí:
alebo
v závislosti od toho, či \(\log(n)\gt p_n\) alebo nie. Cieľom je ukázať tieto nerovnosti priamo cez tretí Mertensov teorém, s explicitným chybovým členom.
Tretí Mertensov teorém hovorí, že
čo je ekvivalentné:
Definovaním beta(x) = ∏ (p/(p-1)) pre p ≤ x dostávame
Ide však o asymptotickú rovnosť (limit pri \( x\to\infty \)). Pre striktnu nerovnosť (napr. \(\beta(x) < e^{\gamma}\,\log x\)) nad istým prahom potrebujeme explicitnú verziu teorému s chybovým členom.
Podľa explicitných odhadov v literatúre (napr. Rosser a Schoenfeld, 1962) existuje konštanta \( C \) a prah \( x_0 \) také, že pre všetky \( x \ge x_0 \):
Pozitívny chvost \(C/\log x\) sám osebe ešte neimplikuje \(\beta(x) < e^{\gamma}\,\log x\) bez dodatočného multiplikatívneho faktora, ktorý chvost kompenzuje.
Pre celé číslo \( n=\prod p^{j} \), píšeme
Zavedením deficitu explicitnejšie môžeme prepísať
Zvlášť platí univerzálna nerovnosť \( \frac{\sigma(n)}{n}\le \beta(n)\,e^{-S(n)}. \)
Jednoduchá hranica užitočná neskôr je
lebo pre každý člen \(p^{-(j+1)}\le p^{-2}\) pri \(j\ge1\).
Teraz prejdeme k prísnejšej univerzálnej hranici, ktorá ponechá len jednotkové exponenty.
Nech \(J_1(n):=\{\,p\le p_n: p^1\parallel n\,\}\). Keďže \(1-p^{-(j+1)}\le1\) pre \(j\ge2\),
Použitím explicitnej Mertensovej hranice pri \(x=p_n\) dostávame
Cez \(\log(1-x)\le -x\) je to \(\le e^{\gamma}\,\log p_n\), keď platí
Pomocná hranica B(n). Definujme \(B(n):=\beta(n)\prod_{p\in J_1(n)}\bigl(1-1/p^{2}\bigr).\) Z predchádzajúcej nerovnosti už máme \(\sigma(n)/n\le B(n)<\beta(n)\). Kedykoľvek je j = 1 chvost neprázdny, dostaneme \(\beta(n)-B(n)=\beta(n)\Bigl(1-\prod_{p\in J_1(n)}(1-1/p^{2})\Bigr).\) Presnejšia dolná hranica (postačujúca pre kompenzáciu) je \[\beta(n)-B(n)\;\ge\;\beta(n)\Bigl(1-\tfrac12\sum_{p\in J_1(n)}\tfrac1{p^{2}}\Bigr)\sum_{p\in J_1(n)}\tfrac1{p^{2}}.\] Keďže \(\sum_{p\in J_1(n)}1/p^{2}\approx C/(\log p_n)^2\ll1\), zátvorka sa od 1 líši o menej ako promile pre relevantné \(p_n\). Preto \(\beta(n)-B(n)\ge C/\log p_n\), keď je splnená podmienka chvosta. Inými slovami: jednotkovo-exponentný chvost už zruší explicitný Rosser–Schoenfeldov prebytok \(C/\log p_n\); nadchádzajúca swap-lema je potrebná len na zaručenie, že tento chvost je skutočne prítomný v každom takmer-extrémnom profile.
Definujme prah \(T:=\log\!\bigl(1+ C/(\log p_n)^2\bigr)\). Zvoľme minimálny diskrétny chvost prvočísel nad \(y
Nech \(r\) je posledné prvočíslo s exponentom \(\ge2\). Pre \(f(p,j)=\tfrac{p}{p-1}(1-p^{-(j+1)})\) nech \(\alpha_p(j)=\dfrac{f(p,j+1)}{f(p,j)}=\dfrac{1-p^{-(j+2)}}{1-p^{-(j+1)}}=1+\dfrac{(1-1/p)\,p^{-(j+1)}}{1-p^{-(j+1)}}\).
Potom \(\alpha_2(1)=7/6\) a \(\alpha_r(1)=1+1/(r^2-1)\le 9/8\) pre všetky \(r\ge3\), teda \(\alpha_2(1)/\alpha_r(1)\ge28/27>1\).
Ak \(r>y\), výmena „zníž r: 2\(\to\)1 a zvýš 2 o +1“ zväčší \(\sigma/n\) o faktor \(\alpha_2(1)/\alpha_r(1)>1\) a rozšíri J1 o \(r\) (prírastok aspoň \(1/r^2\)). Iterovaním, kým \(r>y\), dostaneme rozpor s extrémnosťou. Preto \(r\le y\) a teda \(\sum_{p\in J_1(n)}1/p^2\ge T\).
Spojením s explicitnou Mertensovou hranicou dostávame \( \frac{\sigma(n)}{n} \le e^{\gamma}\,\log p_n \). Použitím \( p_n < \log n \) (Appendix RH) získavame \( \frac{\sigma(n)}{n} < e^{\gamma}\,\log\!\log n \).
Spojením explicitného Mertensa, prísnej hornej hranice cez j=1, diskrétneho chvosta a ostrej swap‑lemy dostávame
Z toho plynie Robinova nerovnosť bez odkazov na SA/CA; numerické testy potvrdzujú súlad na veľkých rozsahoch.