Простое число

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Просто́е число́ (др.-греч. πρώτος ἀριθμός) — натуральное (целое положительное) число, имеющее ровно два различных натуральных делителя — единицу и самого себя[1]. Другими словами, число является простым, если оно больше и при этом делится без остатка только на и на . К примеру, — простое число, а является составным числом, так как, помимо и , также делится на и на .

Натуральные числа, которые больше единицы и не являются простыми, называются составными. Таким образом, все натуральные числа разбиваются на три класса: единицу (имеющую один натуральный делитель), простые числа (имеющие два натуральных делителя) и составные числа (имеющие больше двух натуральных делителей). Изучением свойств простых чисел занимается теория чисел. В теории колец простым числам соответствуют неприводимые элементы.

Последовательность простых чисел начинается 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, 163, 167, 173, 179, 181, 191, 193, 197, 199[2]

Разложение натуральных чисел в произведение простых[править | править вики-текст]

Основная теорема арифметики 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 являются элементарными «строительными блоками» 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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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.

Теорема о распределении простых чисел утверждает, что количество простых чисел меньших n, обозначаемое , растёт как .

Наибольшее известное простое[править | править вики-текст]

Издавна ведутся записи, отмечающие наибольшие известные на то время простые числа[3]. Один из рекордов поставил в своё время Эйлер, найдя простое число 231 — 1 = 2 147 483 647.

Наибольшим известным простым числом по состоянию на январь 2016 года является 274 207 281 - 1. Оно содержит 22 338 618 десятичных цифр и является простым числом Мерсенна (M74 207 281). Его нашли 17 сентября 2015 года в рамках проекта по распределённому поиску простых чисел Мерсенна GIMPS, однако все проверки завершились лишь 7 января 2016 года[4].

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[5] 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[править | править вики-текст]

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

  • Числа Мерсенна — числа вида , где p — простое число[6]. Как уже было отмечено выше, эффективным тестом простоты является тест Люка-Лемера[7].
  • Числа Ферма — числа вида , где n — неотрицательное целое число[8]. Эффективным тестом простоты является тест Пепина. По состоянию на февраль 2015 года известно только 5 простых чисел Ферма (для n = 0, 1, 2, 3, 4), двадцать восемь следующих чисел Ферма (до включительно) оказались составными[9], однако не доказано, что других простых чисел Ферма нет[10].
  • Числа Вудала — числа вида [11]. Эффективным тестом простоты является тест Люка — Лемера — Ризеля[12].
  • Числа Каллена — числа вида [13][14].
  • Числа Прота — числа вида , причем k нечётно и [15]. Эффективным тестом простоты для чисел Прота является тест Бриллхарта — Лемера — Селфриджа (англ. Brillhart–Lehmer–Selfridge test)[16]. Числа Каллена и числа Ферма являются частным случаем чисел Прота (соответственно при k = n и при k = 1, )[17].
  • Числа Миллса — числа вида где  — константа Миллса.

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[править | править вики-текст]

  • Если p — простое, и p делит ab, то p делит a или b. 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, порядок которой делится на , то содержит элемент порядка (теорема Коши).
  • 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)[18].
  • 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)[19].
  • Теорема Грина-Тао. Существуют сколь угодно длинные конечные арифметические прогрессии, состоящие из простых чисел[20].
  • Никакое простое число не может иметь вид , где 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[21].

Формулы для нахождения простых чисел[править | править вики-текст]

В разное время предпринимались попытки указать выражение, значениями которого при разных значениях входящих в него переменных были бы простые числа[18]. Л. Эйлер указал многочлен принимающий простые значения при n = 0, 1, 2, …, 40. Однако при n = 41 значение многочлена является составным числом. Можно доказать, что не существует многочлена от одной переменной n, который принимает простые значения при всех целых n[18]. П. Ферма предположил, что все числа вида 22k + 1 простые; однако Эйлер опроверг эту гипотезу, доказав, что число 225 + 1 = 4 294 967 297 — составное[18].

Тем не менее, существуют многочлены, множество положительных значений которых при неотрицательных значениях переменных совпадает с множеством простых чисел. Одним из примеров является многочлен

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 1,6·1045[22][23][24]. Этот результат является частным случаем доказанной Юрием Матиясевичем диофантовости любого перечислимого множества.

Открытые вопросы[править | править вики-текст]

Распределение простых чисел pn = fsn); Δsn = pn+1² — pn². Δpn = pn+1 — pn; Δpn = 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[25]:

  1. Проблема Гольдбаха (первая проблема Ландау): верно ли, что каждое чётное число, большее двух, может быть представлено в виде суммы двух простых чисел, а каждое нечётное число, большее 5, может быть представлено в виде суммы трёх простых чисел?
  2. Вторая проблема Ландау: бесконечно ли множество «простых близнецов» — пар простых чисел, разность между которыми равна 2?[18] (в 2013 году математик Чжан Итан (Yitang Zhang) из университета Нью-Гэмпшира[26][27] доказал, что существует бесконечно большое количество пар простых чисел, расстояние между которыми не превышает 70 миллионов. Позже, Джеймс Мэйнард (James Maynard) улучшил результат до 600. В 2014 году проект Polymath под руководством Теренса Тао несколько улучшили последний метод, получив оценку в 246.)
  3. Гипотеза Лежандра (третья проблема Ландау): верно ли, что для всякого натурального числа n между n2 и (n + 1)2 всегда найдётся простое число?
  4. Четвёртая проблема Ландау: бесконечно ли множество простых чисел вида n2 + 1, где n — натуральное число?[18]

Открытой проблемой является также существование бесконечного количества простых чисел во многих целочисленных последовательностях, включая числа Мерсенна[18], числа Фибоначчи, числа Ферма и др.

Приложения[править | править вики-текст]

Большие простые числа (порядка 10300) используются в криптографии с открытым ключом. Простые числа также используются в хеш-таблицах и для генерации псевдослучайных чисел (в частности, в ГПСЧ «Вихрь Мерсенна»).

Вариации и обобщения[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Простое число // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1977. — Т. 4.
  2. Последовательность A000040 в OEIS, см. также список простых чисел
  3. Рекорды простых чисел по годам
  4. Mersenne Prime Number discovery - 274 207 281 - 1 is Prime!
  5. EFF Cooperative Computing Awards (англ.)
  6. Последовательность A001348 в OEIS
  7. Последовательность A000668 в OEIS: простые числа Мерсенна
  8. Последовательность A000215 в OEIS
  9. Keller, Wilfrid (February 15, 2015), Prime Factors of Fermat Numbers, <http://www.prothsearch.net/fermat.html#Summary>. Проверено 1 марта 2016. 
  10. Виолант-и-Хольц, Альберт. Загадка Ферма. Трёхвековой вызов математике. — М.: Де Агостини, 2014. — С. 78. — 151 с. — (Мир математики: в 45 томах, том 9). — ISBN 978-5-9774-0625-3.
  11. Последовательность A003261 в OEIS
  12. Последовательность A050918 в OEIS: простые числа Вудала
  13. Последовательность A002064 в OEIS
  14. Последовательность A050920 в OEIS: простые числа Каллена
  15. Последовательность A080075 в OEIS
  16. John Brillhart (April 1975). «New Primality Criteria and Factorizations of 2^m ± 1». Mathematics of Computation 29: 620–647. DOI:10.1090/S0025-5718-1975-0384673-1.
  17. Последовательность A080076 в OEIS: простые числа Прота
  18. 1 2 3 4 5 6 7 Энциклопедический словарь юного математика, 1985.
  19. Доказательство. Нечётное число p, не кратное 3, равно 1 или 2 по модулю 3 и равно 1, 3, 5 или 7 по модулю 8. При возведении в квадрат это даёт 1 по модулю 3 и 1 по модулю 8. Вычитая 1, получаем 0 по модулю 3 и 0 по модулю 8. Следовательно, кратно 3 и кратно 8; следовательно, оно кратно 24.
  20. Weisstein, Eric W. Green-Tao Theorem (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
  21. Эти 2 свойства непосредственно следуют из формул разложения суммы и разности степеней.
  22. Jones J. P., Sato D., Wada H., Wiens D (1976). «Diophantine representation of the set of prime numbers». Amer. Math. Mon. 83 (6): 449–464.
  23. Yuri Matiyasevich, Diophantine Equations in the XX Century
  24. Matijasevic’s polynomial. The Prime Glossary.
  25. Weisstein, Eric W. Landau's Problems (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
  26. Неизвестный математик совершил прорыв в теории простых чисел-близнецов
  27. Bounded Gaps Between Primes

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]