Числа. Простые числа. Простое число Вариации и обобщения

Ответ Ильи корректный, но не очень подробный. В 18 веке, кстати, единицу ещё считали простым числом. Например, такие крупные математики как Эйлер и Гольдбах. Гольдбах автор одной из семи задач тысячелетия - гипотезы Гольдбаха. В изначальной формулировке утверждается, что всякое чётное число представимо в виде суммы двух простых чисел. Причём изначально 1 учитывалась как простое число, и мы видим такое: 2 = 1+1. Это наименьший пример, удовлетворяющий исходной формулировке гипотезы. Позднее её подправили, и формулировка приобрела современный вид: "всякое чётное число, начиная с 4, представимо в виде суммы двух простых чисел".

Вспомним определение. Простым является натуральное число р, имеющее только 2 различных натуральных делителя: само р и 1. Следствие из определения: у простого числа р только один простой делитель - само р.

Теперь предположим, что 1 простое число. По определению у простого числа только один простой делитель - оно само. Тогда получится, что любое простое число, большее 1, делится на отличающееся от него простое число (на 1). Но два различных простых числа не могут делиться друг на друга, т.к. иначе это не простые, а составные числа, и это противоречит определению. При таком подходе получается, что существует только 1 простое число - сама единица. Но это абсурд. Следовательно, 1 не простое число.

1, равно как и 0, образуют другой класс чисел - класс нейтральных элементов относительно n-нарных операций в каком-то подмножестве алгебраического поля. При этом относительно операции сложения 1 является также образующим элементом для кольца целых чисел.

При таком рассмотрении не трудно обнаружить аналоги простых чисел в других алгебраических структурах. Предположим, что у нас есть мультипликативная группа, образованная из степеней 2, начиная с 1: 2, 4, 8, 16, ... и т.д. 2 выступает здесь образующим элементом. Простым числом в этой группе назовём число, большее наименьшего элемента, и делящееся только на себя и на наименьший элемент. В нашей группе такими свойствами обладает только 4. Всё. Больше простых чисел в нашей группе не существует.

Если бы 2 тоже была простым числом в нашей группе, то см. первый абзац, - снова получилось бы, что простым числом является только 2.

Определение 1. Простое число − это натуральное число больше единицы, которое делится только на себя и на 1.

Другими словами число является простым, если имеет только два различных натуральных делителя.

Определение 2. Любое натуральное число, которое кроме самого себя и единицы имеет и других делителей, называется составным числом.

Другими словами натуральные числа, не являющиеся простыми числами, называются составными. Из определения 1 следует, что составное число имеет больше двух натуральных делителей. Число 1 не является ни простым, ни составным т.к. имеет только один делитель 1 и, кроме этого многие теоремы относительно простых чисел не имеют места для единицы.

Из определений 1 и 2 следует, что каждое целое положительное число больше 1 является либо простым, либо составным числом.

Ниже представлена программа для отображения простых чисел до 5000. Заполните ячейки, нажмите на кнопку "Создать" и подождите несколько секунд.

Таблица простых чисел

Утверждение 1. Если p - простое число и a любое целое число, то либо a делится на p , либо p и a взаимно простые числа.

Действительно. Если p простое число, то оно делится только на себя и на 1, если a не делится на p , то наибольший общий делитель a и p равен 1. Тогда p и a взаимно простые числа.

Утверждение 2. Если произведение нескольких чисел чисел a 1 , a 2 , a 3 , ... делится на простое число p , то по крайней мере одно из чисел a 1 , a 2 , a 3 , ... делится на p .

Действительно. Если бы ни одно из чисел не делилось на p , то числа a 1 , a 2 , a 3 , ... были бы взаимно простые числа по отношению p . Но из следствия 3 () следует, что их произведение a 1 , a 2 , a 3 , ... также взаимно простое по отношению к p , что противоречит условию утверждения. Следовательно по крайней мере один из чисел делится на p .

Теорема 1. Любое составное число всегда может быть представлено и притом единственным способом в виде произведения конечного числа простых чисел.

Доказательство. Пусть k составное число, и пусть a 1 один из его делителей отличное от 1 и самого себя. Если a 1 составное, то имеет кроме 1 и a 1 и другой делитель a 2 . Если a 2 число составное, то имеет кроме 1 и a 2 и другой делитель a 3 . Рассуждая таким образом и учитывая, что числа a 1 , a 2 , a 3 , ... убывают и этот ряд содержит конечное число членов, мы дойдем какого-то простого числа p 1 . Тогда k можно представить в виде

Допустим существует два разложения числа k :

Так как k=p 1 p 2 p 3 ... делится на простое число q 1 , то по крайней мере один из множителей, например p 1 делится на q 1 . Но p 1 простое число и делится только на 1 и на себя. Следовательно p 1 =q 1 (т.к. q 1 ≠1)

Тогда из (2) можно исключить p 1 и q 1:

Таким образом убеждаемся, что всякое простое число входящее множителем в первое разложение один или несколько раз, входит и во второе разложение минимум столько же раз и наоборот, всякое простое число, которое входит множителем во второе разложение один или несколько раз входит и в первое разложение минимум столько же раз. Следовательно любое простое число входит множителем в оба разложения одинаковое число раз и, таким образом, эти два разложения одинаковы.■

Разложение составного числа k можно записать в следующем виде

(3)

где p 1 , p 2 , ... различные простые числа, α, β, γ ... целые положительные числа.

Разложение (3) называется каноническим разложением числа.

Простые числа в ряду натуральных чисел встречаются неравномерно. В одних частях ряда их больше, в других - меньше. Чем дальше мы продвигаемся по числовому ряду, тем реже встречаются простые числа. Возникает вопрос, существует ли самое большое простое число? Древнегреческий математик Евклид доказал, что простых чисел бесконечно много. Ниже мы представим это доказательство.

Теорема 2. Количество простых чисел бесконечно много.

Доказательство. Предположим, что существует конечное число простых чисел, и пусть наибольшее простое число равно p . Рассмотрим все числа больше p . По предположению утверждения эти числа должны быть составными и должны делится по крайней мере на один из простых чисел. Выберем число, являющиеся произведением всех этих простых чисел плюс 1:

Число z больше p так как 2p уже больше p . p не делится ни на одно из этих простых чисел, т.к. при делении на каждое из них дает остаток 1. Таким образом мы приходим к противоречию. Следовательно существует бесчисленное множество простых чисел.

Данная теорема является частным случаем более общей теоремы:

Теорема 3. Пусть задана арифметическая прогрессия

Тогда любое простое число, входящее в n , должно входить и в m , поэтому в n не могут входить другие простые множители, которые не входят в m и притом эти простые множители в n входят не более число раз, чем в m .

Справедливо и обратное. Если каждый простой множитель числа n входит по крайней мере столько же раз в число m , то m делится на n .

Утверждение 3. Пусть a 1 ,a 2 ,a 3 ,... различные простые числа входящие в m так, что

где i =0,1,...α , j =0,1,...,β , k=0,1,...,γ . Заметим, что α i принимает α +1 значений, β j принимает β +1 значений, γ k принимает γ +1 значений, ... .

В этой статье мы изучим простые и составные числа . Сначала дадим определения простых и составных чисел, а также приведем примеры. После этого докажем, что простых чисел бесконечно много. Далее запишем таблицу простых чисел, и рассмотрим методы составления таблицы простых чисел, особо тщательно остановимся на способе, получившем название решето Эратосфена. В заключение осветим основные моменты, которые нужно учитывать при доказательстве того, что данное число является простым или составным.

Навигация по странице.

Простые и составные числа – определения и примеры

Понятия простые числа и составные числа относятся к , которые больше единицы. Такие целые числа, в зависимости от количества их положительных делителей, подразделяются на простые и составные числа. Таким образом, чтобы понять определения простых и составных чисел , нужно хорошо представлять себе, что такое делители и кратные .

Определение.

Простые числа – это целые числа, большие единицы, которые имеют только два положительных делителя, а именно самих себя и 1 .

Определение.

Составные числа – это целые числа, большие единицы, которое имеют, по крайней мере, три положительных делителя.

Отдельно заметим, что число 1 не относится ни к простым, ни к составным числам. Единица имеет только один положительный делитель, которым является само число 1 . Этим число 1 отличается от всех остальных целых положительных чисел, которые имеют не менее двух положительных делителей.

Учитывая, что целые положительные числа – это , и что единица имеет только один положительный делитель, можно привести другие формулировки озвученных определений простых и составных чисел.

Определение.

Простыми числами называют натуральные числа, которые имеют только два положительных делителя.

Определение.

Составными числами называют натуральные числа, имеющие более двух положительных делителей.

Отметим, что каждое целое положительное число, большее единицы, есть либо простое, либо составное число. Иными словами, не существует ни одного такого целого числа, которое не являлось бы ни простым, ни составным. Это следует из свойства делимости , которое гласит, что числа 1 и a всегда являются делителями любого целого числа a .

Исходя из информации предыдущего абзаца, можно дать следующее определение составных чисел.

Определение.

Натуральные числа, которые не являются простыми, называются составными .

Приведем примеры простых и составных чисел .

В качестве примеров составных чисел приведем 6 , 63 , 121 и 6 697 . Это утверждение тоже нуждается в пояснении. Число 6 имеет кроме положительных делителей 1 и 6 еще и делители 2 и 3 , так как 6=2·3 , поэтому 6 – действительно составное число. Положительными делителями 63 являются числа 1 , 3 , 7 , 9 , 21 и 63 . Число 121 равно произведению 11·11 , поэтому его положительными делителями являются 1 , 11 и 121 . А число 6 697 составное, так как его положительными делителями кроме 1 и 6 697 являются еще и числа 37 и 181 .

В заключение этого пункта хочется еще обратить внимание на то, что простые числа и взаимно простые числа – это далеко ни одно и то же.

Таблица простых чисел

Простые числа, для удобства их дальнейшего использования, записывают в таблицу, которую называют таблицей простых чисел. Ниже представлена таблица простых чисел до 1 000 .

Возникает логичный вопрос: «Почему мы заполнили таблицу простых чисел только до 1 000 , разве нельзя составить таблицу всех существующих простых чисел»?

Ответим сначала на первую часть этого вопроса. Для большинства задач, при решении которых придется использовать простые числа, нам будет вполне достаточно простых чисел в пределах тысячи. В остальных случаях, скорее всего, придется прибегать к каким-либо специальным приемам решения. Хотя, несомненно, мы можем составить таблицу простых чисел до сколь угодно большого конечного целого положительного числа, будь то 10 000 или 1 000 000 000 , в следующем пункте мы поговорим о методах составления таблиц простых чисел, в частности, разберем способ, получивший название .

Теперь разберемся с возможностью (а точнее с невозможностью) составления таблицы всех существующих простых чисел. Мы не можем составить таблицу всех простых чисел, потому что простых чисел бесконечно много. Последнее утверждение представляет собой теорему, которую мы докажем после следующей вспомогательной теоремы.

Теорема.

Наименьший положительный и отличный от 1 делитель натурального числа, большего единицы, является простым числом.

Доказательство.

Пусть a – натуральное число, большее единицы, и b – наименьший положительный и отличный от единицы делитель числа a . Докажем, что b – простое число методом от противного.

Предположим, что b – составное число. Тогда существует делитель числа b (обозначим его b 1 ), который отличен как от 1 , так и от b . Если также учесть, что абсолютная величина делителя не превосходит абсолютной величины делимого (это мы знаем из свойств делимости), то должно выполняться условие 1

Так как число a делится на b по условию, и мы сказали, что b делится на b 1 , то понятие делимости позволяет говорить о существовании таких целых чисел q и q 1 , что a=b·q и b=b 1 ·q 1 , откуда a= b 1 ·(q 1 ·q) . Из следует, что произведение двух целых чисел есть целое число, тогда равенство a=b 1 ·(q 1 ·q) указывает на то, что b 1 является делителем числа a . Учитывая полученные выше неравенства 1

Теперь мы можем доказать, что простых чисел бесконечно много.

Теорема.

Простых чисел бесконечно много.

Доказательство.

Предположим, что это не так. То есть, предположим, что простых чисел всего n штук, и эти простые числа есть p 1 , p 2 , …, p n . Покажем, что мы всегда можем найти простое число, отличное от указанных.

Рассмотрим число, p равное p 1 ·p 2 ·…·p n +1 . Понятно, что это число отлично от каждого из простых чисел p 1 , p 2 , …, p n . Если число p - простое, то теорема доказана. Если же это число составное, то в силу предыдущей теоремы существует простой делитель этого числа (обозначим его p n+1 ). Покажем, что этот делитель не совпадает ни с одним из чисел p 1 , p 2 , …, p n .

Если бы это было не так, то по свойствам делимости произведение p 1 ·p 2 ·…·p n делилось бы на p n+1 . Но на p n+1 делится и число p , равное сумме p 1 ·p 2 ·…·p n +1 . Отсюда следует, что на p n+1 должно делиться второе слагаемое этой суммы, которое равно единице, а это невозможно.

Так доказано, что всегда может быть найдено новое простое число, не заключающееся среди любого количества наперед заданных простых чисел. Следовательно, простых чисел бесконечно много.

Итак, в силу того, что простых чисел бесконечно много, при составлении таблиц простых чисел всегда ограничивают себя сверху каким-либо числом, обычно, 100 , 1 000 , 10 000 и т.д.

Решето Эратосфена

Сейчас мы обсудим способы составления таблиц простых чисел. Предположим, что нам нужно составить таблицу простых чисел до 100 .

Самым очевидным методом решения этой задачи является последовательная проверка целых положительных чисел, начиная с 2 , и заканчивая 100 , на наличие положительного делителя, который больше 1 и меньше проверяемого числа (из свойств делимости мы знаем, что абсолютная величина делителя не превосходит абсолютной величины делимого, отличного от нуля). Если такой делитель не найден, то проверяемое число является простым, и оно заносится в таблицу простых чисел. Если же такой делитель найден, то проверяемое число является составным, оно НЕ заносится в таблицу простых чисел. После этого происходит переход к следующему числу, которое аналогично проверяется на наличие делителя.

Опишем несколько первых шагов.

Начинаем с числа 2 . Число 2 не имеет положительных делителей, кроме 1 и 2 . Следовательно, оно простое, поэтому, заносим его в таблицу простых чисел. Здесь следует сказать, что 2 является наименьшим простым числом. Переходим к числу 3 . Его возможным положительным делителем, отличным от 1 и 3 , является число 2 . Но 3 на 2 не делится, поэтому, 3 – простое число, и его также нужно занести в таблицу простых чисел. Переходим к числу 4 . Его положительными делителями, отличными от 1 и 4 , могут быть числа 2 и 3 , проверим их. Число 4 делится на 2 , поэтому, 4 – составное число, и его не нужно заносить в таблицу простых чисел. Обратим внимание на то, что 4 – наименьшее составное число. Переходим к числу 5 . Проверяем, являются ли его делителем хотя бы одно из чисел 2 , 3 , 4 . Так как 5 не делится ни на 2 , ни на 3 , ни на 4 , то оно простое, и его надо записать в таблицу простых чисел. Дальше происходит переход к числам 6 , 7 , и так далее до 100 .

Такой подход к составлению таблицы простых чисел является далеко не идеальным. Так или иначе, он имеет право на существование. Отметим, что при этом способе построения таблицы целых чисел можно использовать признаки делимости , которые немного ускорят процесс поиска делителей.

Существует более удобный способ для составления таблицы простых чисел, называемый . Присутствующее в названии слово «решето» не случайно, так как действия этого метода помогают как бы «просеять» сквозь решето Эратосфена целые числа, большие единицы, чтобы отделить простые от составных.

Покажем решето Эратосфена в действии при составлении таблицы простых чисел до 50 .

Сначала записываем по порядку числа 2, 3, 4, …, 50 .

Первое записанное число 2 является простым. Теперь от числа 2 последовательно перемещаемся вправо на два числа и зачеркиваем эти числа, пока не доберемся до конца составляемой таблицы чисел. Так будут вычеркнуты все числа, кратные двум.

Первым следующим за 2 невычеркнутым числом является 3 . Это число простое. Теперь от числа 3 последовательно перемещаемся вправо на три числа (учитывая и уже зачеркнутые числа) и вычеркиваем их. Так будут вычеркнуты все числа, кратные трем.

Первым следующим за 3 невычеркнутым числом является 5 . Это число простое. Теперь от числа 5 последовательно перемещаемся вправо на 5 чисел (учитываем и зачеркнутые ранее числа) и вычеркиваем их. Так будут вычеркнуты все числа, кратные пяти.

Дальше вычеркиваем числа, кратные 7 , затем, кратные 11 и так далее. Процесс заканчивается, когда не останется чисел для вычеркивания. Ниже показана законченная таблица простых чисел до 50 , полученная с помощью решета Эратосфена. Все незачеркнутые числа являются простыми, а все зачеркнутые числа – составными.

Давайте еще сформулируем и докажем теорему, которая позволит ускорить процесс составления таблицы простых чисел при помощи решета Эратосфена.

Теорема.

Наименьший положительный и отличный от единицы делитель составного числа a не превосходит , где - из a .

Доказательство.

Обозначим буквой b наименьший и отличный от единицы делитель составного числа a (число b является простым, что следует из теоремы, доказанной в самом начале предыдущего пункта). Тогда существует такое целое число q , что a=b·q (здесь q – положительное целое число, что следует из правил умножения целых чисел), причем (при b>q нарушится условие, что b – наименьший делитель числа a , так как q также является делителем числа a в силу равенства a=q·b ). Умножив обе части неравенства на положительное и большее единицы целое число b (это нам позволяют сделать ), получаем , откуда и .

Что же нам дает доказанная теорема, касательно решета Эратосфена?

Во-первых, вычеркивание составных чисел, кратных простому числу b следует начинать с числа, равного (это следует из неравенства ). Например, вычеркивание чисел, кратных двум, следует начинать с числа 4 , кратных трем – с числа 9 , кратных пяти – с числа 25 , и так далее.

Во-вторых, составление таблицы простых чисел до числа n с помощью решета Эратосфена можно считать законченным тогда, когда будут вычеркнуты все составные числа, кратные простым числам, не превосходящим . В нашем примере n=50 (так как мы составляем таблицу простых чисел до 50 ) и , поэтому решето Эратосфена должно отсеять все составные числа, кратные простым числам 2 , 3 , 5 и 7 , которые не превосходят арифметического квадратного корня из 50 . То есть, нам дальше не нужно заниматься поиском и вычеркиванием чисел, кратных простым числам 11 , 13 , 17 , 19 , 23 и так далее до 47 , так как они уже будут вычеркнуты, как кратные меньшим простым числам 2 , 3 , 5 и 7 .

Данное число простое или составное?

Некоторые задания требуют выяснения, является ли данное число простым или составным. В общем случае эта задача далеко не проста, особенно для чисел, запись которых состоит из значительного количества знаков. В большинстве случаев приходится искать какой-либо специфический способ ее решения. Однако мы попробуем дать направление ходу мыслей для несложных случаев.

Несомненно, можно попробовать воспользоваться признаками делимости для доказательства того, что данное число является составным. Если, к примеру, некоторый признак делимости показывает, что данное число делится на некоторое целое положительное число большее единицы, то исходное число является составным.

Пример.

Докажите, что число 898 989 898 989 898 989 составное.

Решение.

Сумма цифр данного числа равна 9·8+9·9=9·17 . Так как число, равное 9·17 делится на 9 , то по признаку делимости на 9 можно утверждать, что исходное число также делится на 9 . Следовательно, оно составное.

Существенный недостаток такого подхода заключается в том, что признаки делимости не позволяют доказать простоту числа. Поэтому при проверке числа на то, является ли оно простым или составным, нужно действовать иначе.

Самый логичный подход состоит в переборе всех возможных делителей данного числа. Если ни один из возможных делителей не будет истинным делителем данного числа, то это число будет простым, в противном случае – составным. Из теорем, доказанных в предыдущем пункте, следует, что делители данного числа a нужно искать среди простых чисел, не превосходящих . Таким образом, данное число a можно последовательно делить на простые числа (которые удобно брать из таблицы простых чисел), пытаясь найти делитель числа a . Если будет найден делитель, то число a – составное. Если же среди простых чисел, не превосходящих , не окажется делителя числа a , то число a – простое.

Пример.

Число 11 723 простое или составное?

Решение.

Выясним, до какого простого числа могут быть делители числа 11 723 . Для этого оценим .

Достаточно очевидно, что , так как 200 2 =40 000 , а 11 723<40 000 (при необходимости смотрите статью сравнение чисел ). Таким образом, возможные простые делители числа 11 723 меньше числа 200 . Это уже значительно облегчает нашу задачу. Если бы мы этого не знали, то нам бы пришлось перебирать все простые числа не до 200 , а вплоть до числа 11 723 .

При желании можно оценить более точно. Так как 108 2 =11 664 , а 109 2 =11 881 , то 108 2 <11 723<109 2 , следовательно, . Таким образом, любое из простых чисел, меньших 109 , потенциально является простым делителем данного числа 11 723 .

Теперь мы будем последовательно делить число 11 723 на простые числа 2 , 3 , 5 , 7 , 11 , 13 , 17 , 19 , 23 , 29 , 31 , 37 , 41 , 43 , 47 , 53 , 59 , 61 , 67 , 71 , 73 , 79 , 83 , 89 , 97 , 101 , 103 , 107 . Если число 11 723 разделится нацело на одно из записанных простых чисел, то оно будет составным. Если же оно не делится ни на одно из записанных простых чисел, то исходное число простое.

Не будем описывать весь этот монотонный и однообразный процесс деления. Сразу скажем, что 11 723

Которое имеет только 2 разных натуральных делителя. Если сказать по-другому, число p тогда будет простым, когда оно больше единицы и может быть разделено лишь на единицу и на себя самого - p .

Натуральные числа, большие единицы и числа, которые не являются простыми, называют составными числами . Т.о., все натуральные числа делятся на 3 класса: единица (имеет 1 делитель), простые числа (имеют 2 делителя) и составные числа (имеют больше 2-х делителей).

Начало последовательности простых чисел выглядит так:

2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, 103, 107, 109, 113, 127, 131, 137, 139, 149, 151, 157, …

Если представить натуральные числа как произведение простых, то это будет называться разложение на простые либо факторизация числа .

Самое большое простое число, которое известно.

Самое большое известное простое число - это 2 57885161 - 1. Это число состоит из 17 425 170 десятичных цифр и называется простое число Мерсенна (M 57885161).

Некоторые свойства простых чисел.

Допустим, p — простое, и p делит ab , тогда p делит a либо b .

Кольцо вычетов Z n будет называться полем только в случае, если n — простое.

Характеристика всех полей — это нуль либо простое число.

Когда p — простое, а a — натуральное, значит, a p -a можно поделить на p (малая теорема Ферма ).

Когда G — конечная группа, у которой порядок |G| делят на p , значит, у G есть элемент порядка p (теорема Коши ).

Когда G — конечная группа, и p n — самая высокая степень p , делящая |G| , значит, у G есть подгруппа порядка p n , которая называется силовская подгруппа, кроме того, число силовских подгрупп соответствует pk+1 для некоего целого k (теоремы Силова).

Натуральное p > 1 будет простым лишь в случае, если (p-1)! + 1 можно подулить на p (теорема Вильсона ).

Когда n > 1 — натуральное, значит, есть простое p : n < p < 2 n (постулат Бертрана ).

Ряд чисел, которые обратны к простым, расходится. Кроме того, при .

Всякая арифметическая прогрессия типа a, a + q, a + 2 q, a + 3 q, ... , где a, q > 1 — целые взаимно простые числа , содержит нескончаемое число простых чисел (Теорема Дирихле о простых числах в арифметической прогрессии ).

Любое простое число, которое большее тройки, можно представить как 6k+1 либо 6k-1 , где k — натуральное число. Исходя из этого, когда разность нескольких последовательных простых чисел (при k>1 ) одинаковая, значит, она точно делится на шесть — к примеру : 251-257-263-269; 199-211-223; 20183-20201-20219 .

Когда p > 3 — простое число, значит, p 2 -1 делится на 24 (работает и на нечётных чисел, которые не делятся на три).

Теорема Грина-Тао . Есть бесконечные арифметические прогрессии, которые состоят из простых чисел.

n k -1 , где n>2, k>1 . Другими словами, число, которое следует за простым, не может быть квадратом либо более высокой степенью с основанием, которое больше двух. Можно сделать вывод, что когда простое число представлено как 2 k -1 , значит k — простое.

Ни одно простое число нельзя представить как n 2k+1 +1 , где n>1, k>0 . Другими словами, число, которое предшествует простому, не может быть кубом либо более высокой нечётной степенью с основанием, которое больше единицы.

Есть многочлены, у которых множество неотрицательных значений при положительных значениях переменных совпадает с множеством простых чисел. Пример:

Этот многочлен содержит 26 переменных, имеет 25. Самая низкая степень для известных многочленов представленного вида — пять при 42 переменных; самое маленькое количество переменных — десять при степени приблизительно 1,6·10 45 .

Действия с простыми числами.

1. Произведение простых чисел.

2. Разность простых чисел.

3. Сумма простых чисел.

4. Деление простых чисел.

Утверждает, что каждое натуральное число , большее единицы, представимо в виде произведения простых чисел, причём единственным способом с точностью до порядка следования сомножителей. Таким образом, простые числа - элементарные «строительные блоки» натуральных чисел.

Представление натурального числа в виде произведения простых называется разложением на простые или факторизацией числа . На настоящий момент неизвестны полиномиальные алгоритмы факторизации чисел, хотя и не доказано, что таких алгоритмов не существует. На предполагаемой большой вычислительной сложности задачи факторизации базируется криптосистема RSA и некоторые другие. Факторизация с полиномиальной сложностью теоретически возможна на квантовом компьютере с помощью алгоритма Шора .

Алгоритмы поиска и распознавания простых чисел

Простые способы нахождения начального списка простых чисел вплоть до некоторого значения дают Решето Эратосфена , решето Сундарама и решето Аткина .

Однако, на практике вместо получения списка простых чисел зачастую требуется проверить, является ли данное число простым. Алгоритмы, решающие эту задачу, называются тестами простоты . Существует множество полиномиальных тестов простоты, но большинство их являются вероятностными (например, тест Миллера - Рабина) и используются для нужд криптографии . В 2002 году было доказано, что задача проверки на простоту в общем виде полиномиально разрешима, но предложенный детерминированный тест Агравала - Каяла - Саксены имеет довольно большую вычислительную сложность , что затрудняет его практическое применение.

Для некоторых классов чисел существуют специализированные эффективные тесты простоты (см. ниже).

Бесконечность множества простых чисел

Простых чисел бесконечно много. Самое старое известное доказательство этого факта было дано Евклидом в «Началах » (книга IX, утверждение 20). Его доказательство может быть кратко воспроизведено так:
Представим, что количество простых чисел конечно. Перемножим их и прибавим единицу. Полученное число не делится ни на одно из конечного набора простых чисел, потому что остаток от деления на любое из них даёт единицу. Значит, число должно делиться на некоторое простое число, не включённое в этот набор. Противоречие .
Математики предлагали другие доказательства. Одно из них (приведённое Эйлером) показывает, что сумма величин, обратных к первым n простым числам, неограниченно растёт с ростом n .

Числа Мерсенна выгодно отличаются от остальных наличием эффективного теста простоты : теста Люка - Лемера . Благодаря ему простые числа Мерсенна давно удерживают рекорд как самые большие известные простые.

За нахождение простых чисел из более чем 100 000 000 и 1 000 000 000 десятичных цифр EFF назначила денежные призы соответственно в 150 000 и 250 000 долларов США . Ранее EFF уже присуждала призы за нахождение простых чисел из 1 000 000 и 10 000 000 десятичных цифр.

Простые числа специального вида

Существует ряд чисел, простота которых может быть установлена эффективно с использованием специализированных алгоритмов.

С использованием теста Бриллхарта-Лемера-Селфриджа (англ. ) может быть проверена простота следующих чисел:

Для поиска простых чисел обозначенных типов в настоящее время используются проекты распределенных вычислений GIMPS , PrimeGrid , Ramsey@Home, Seventeen or Bust , Riesel Sieve, Wieferich@Home.

Некоторые свойства

Если - простое, и делит , то делит или . Доказательство этого факта было дано Евклидом и известно как лемма Евклида . Оно используется в доказательстве основной теоремы арифметики .

Кольцо вычетов является полем тогда и только тогда, когда - простое.

Характеристика каждого поля - это ноль или простое число.

Если - простое, а - натуральное, то делится на (малая теорема Ферма).

Если - конечная группа с элементов, то содержит элемент порядка .

Если - конечная группа, и - максимальная степень , которая делит , то имеет подгруппу порядка , называемую силовской подгруппой , более того, количество силовских подгрупп равно для некоторого целого (теоремы Силова).

Натуральное является простым тогда и только тогда, когда делится на (теорема Вильсона).

Если - натуральное, то существует простое , такое, что (постулат Бертрана).

Ряд чисел, обратных к простым, расходится. Более того, при

Любая арифметическая прогрессия вида , где - целые взаимно простые числа , содержит бесконечно много простых чисел (Теорема Дирихле о простых числах в арифметической прогрессии).

Всякое простое число, большее 3, представимо в виде или , где - некоторое натуральное число. Отсюда, если разность между несколькими последовательными простыми числами (при k>1) одинакова, то она обязательно кратна 6 - например: 251-257-263-269; 199-211-223; 20183-20201-20219.

Если - простое, то кратно 24 (справедливо также для всех нечётных чисел, не делящихся на 3) .

Теорема Грина-Тао. Существуют сколь угодно длинные конечные арифметические прогрессии, состоящие из простых чисел .

n >2, k >1. Иначе говоря, число, следующее за простым, не может быть квадратом или более высокой степенью с основанием, бо́льшим 2. Из этого следует также, что если простое число имеет вид , то k - простое (см. числа Мерсенна).

Никакое простое число не может иметь вид , где n >1, k >0. Иначе говоря, число, предшествующее простому, не может быть кубом или более высокой нечётной степенью с основанием, бо́льшим 1 .

содержащий 26 переменных и имеющий степень 25. Наименьшая степень для известных многочленов такого типа - 5 при 42 переменных; наименьшее число переменных - 10 при степени около 15905. Этот результат является частным случаем доказанной Юрием Матиясевичем диофантовости любого перечислимого множества .

Открытые вопросы

Распределение простых чисел p n = f (Δs n ); Δs n = p n +1 ² - p n ². Δp n = p n +1 - p n ; Δp n = 2, 4, 6, … .

До сих пор существует много открытых вопросов относительно простых чисел, наиболее известные из которых были перечислены Эдмундом Ландау на Пятом Международном математическом конгрессе :

Открытой проблемой является также существование бесконечного количества простых чисел во многих целочисленных последовательностях, включая числа Фибоначчи , числа Ферма и т. д.

Приложения

Вариации и обобщения

В теории колец , разделе абстрактной алгебры , определено понятие простого элемента и простого идеала .

В теории узлов определено понятие простого узла (англ. ), как нетривиального узла , который не может быть представлен в виде связной суммы нетривиальных узлов.

См. также

Примечания

Литература

Гальперин Г. «Просто о простых числах» // Квант . - № 4. - С. 9-14,38.

Нестеренко Ю. В. Алгоритмические проблемы теории чисел // Введение в криптографию / Под редакцией В. В. Ященко. - Питер, 2001. - 288 с. - ISBN 5-318-00443-1

Василенко О. Н. Теоретико-числовые алгоритмы в криптографии . - М .: МЦНМО , 2003. - 328 с. - ISBN 5-94057-103-4

Черемушкин А. В. . - М .: МЦНМО , 2002. - 104 с. - ISBN 5-94057-060-7

Кноп К. «В погоне за простотой»

Кордемский Б. А. Математическая смекалка . - М .: ГИФМЛ, 1958. - 576 с.

Генри С. Уоррен, мл. Глава 16. Формулы для простых чисел // Алгоритмические трюки для программистов = Hacker"s Delight. - М .: «Вильямс», 2007. - 288 с. - ISBN 0-201-91465-4

Ю. Матиясевич. Формулы для простых чисел // Квант . - 1975. - № 5. - С. 5-13.

Н. Карпушина. Палиндромы и «перевёртыши» среди простых чисел // Наука и жизнь . - 2010. - № 5.

Д. Цагер. Первые 50 миллионов простых чисел // Успехи математических наук . - 1984. - Т. 39. - № 6(240). - С. 175–190.

Ссылки

The Prime Pages (англ.) - база данных наибольших известных простых чисел

PrimeGrid prime lists - все простые числа, найденные в рамках проекта PrimeGrid

Геометрия простых и совершенных чисел (исп.)

Числовые системы
Счётные
множества Натуральные числа () Целые () Рациональные () Алгебраические () Периоды Вычислимые Арифметические
Вещественные числа
и их расширения Вещественные () Комплексные ()

Числовые системы
Счётные множества	Натуральные числа () Целые () Рациональные () Алгебраические () Периоды Вычислимые Арифметические
Вещественные числа и их расширения	Вещественные () Комплексные ()