Liczba pierwsza

Liczba pierwsza – liczba naturalna, która ma dokładnie dwa dzielniki naturalne: jedynkę i siebie samą, np.

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, itp.

Zbiór wszystkich liczb pierwszych oznacza się symbolem $\mathbb{P}$. Liczby naturalne większe od 1, które nie są pierwsze, nazywa się liczbami złożonymi. Z podanych definicji wynika, że liczby 0 i 1 nie są ani pierwsze, ani złożone.

Podstawowe własności

• Najmniejszy różny od jedynki dzielnik naturalny liczby naturalnej, większej od jedności, jest liczbą pierwszą.
• Euklides pokazał, że żaden skończony zbiór nie zawiera wszystkich liczb pierwszych:

  Niech X będzie skończonym zbiorem liczb pierwszych. Niech x będzie iloczynem wszystkich liczb występujących w X (gdy X jest puste, to x=1). Jedynym wspólnym dzielnikiem liczb x oraz x+1 jest 1. Zatem żadna liczba pierwsza, występująca w X, nie jest dzielnikiem liczby x+1. Ale x+1 > 1. Więc x+1 ma dzielnik p, który jest liczbą pierwszą. Liczba pierwsza p nie należy do X (bo jest dzielnikiem liczby x+1).

• Każda liczba naturalna większa od 1 daje się jednoznacznie zapisać w postaci iloczynu skończonego niemalejącego ciągu pewnych liczb pierwszych. Twierdzenie to był w stanie udowodnić już Euklides (stworzył niezbędne narzędzia), ale uczynił to dopiero Gauss. Twierdzenie to oznacza, że liczby pierwsze są w pewnym sensie atomami, z których przy pomocy mnożenia zbudowane są pozostałe liczby.

Wyznaczanie

Aby znaleźć wszystkie liczby pierwsze w zadanym przedziale liczbowym można posłużyć się algorytmem sito Eratostenesa: jeśli liczba naturalna N większa od 1 nie jest podzielna przez żadną z liczb pierwszych nie większych od pierwiastka z N, to N jest liczbą pierwszą.

Sito Eratostenesa - metoda znajdowania liczb pierwszych

Natomiast metoda, która daje odpowiedź na pytanie czy dana liczba naturalna jest pierwsza, czy nie – nosi nazwę testu pierwszości. Wśród takich metod praktyczne zastosowanie mają testy probabilistyczne, to znaczy takie, które pozwalają określić pierwszość liczby z dostatecznie dużym prawdopodobieństwem np: test pierwszości Millera-Rabina, test pierwszości Solovaya-Strassena.

Rozkład n! na czynniki pierwsze

Niech $\operatorname{ord}_p(n)$ oznacza wykładnik, z którym liczba pierwsza p występuje w rozkładzie liczby naturalnej n. Wtedy

$\operatorname{ord}_p(n!) = \sum_{k=1}^{\infty}\left\lfloor \tfrac{n}{p^k}\right\rfloor$

gdzie $\lfloor x \rfloor$ jest jedyną liczbą całkowitą, spełniającą nierówność

$x-1 < \lfloor x \rfloor \leqslant x$

dla dowolnego rzeczywistego x. Liczbę $\lfloor x \rfloor$ nazywamy częścią całkowitą liczby rzeczywistej x. Powyższa suma jest skończona, gdyż tylko skończona liczba jej składników jest różna od 0 – mianowicie pierwsze $\left\lfloor \tfrac{\ln n}{\ln p}\right\rfloor$ wyrazów.

• Literatura: na przykład – rozdział 7.0; – rozdział 6.3, Twierdzenie 6.9.

Rozkład środkowego współczynnika dwumianowego

Zbadajmy $o_p(n) := \operatorname{ord}_p \binom{2n}{n}$. Oczywiście $o_p(n) = 1$, gdy liczba pierwsza $p$ należy do przedziału $n < p \leqslant 2n$. Ogólnie

$o_p(n) = \operatorname{ord}_p((2n)!) - 2\operatorname{ord}_p(n!)$

Ponieważ

$0 \leqslant \lfloor 2x \rfloor - 2\lfloor x \rfloor \leqslant 1$

dla dowolnej liczby rzeczywistej $x$, to ze wzoru na$\operatorname{ord}_p(n!)$, z poprzedniego fragmentu, wynika, że

$o_p(n) \leqslant \left\lfloor \tfrac{\ln (2n)}{\ln p}\right\rfloor$

Równość $p ^{(\ln x)/(\ln p)} = x$ pozwala powyższą nierówność wyrazić równoważnie jako

$p^{o_p(n)} \leqslant 2n$

czyli

Twierdzenie Jeżeli $p^k | \binom{2n}{n}$, to $p^k \leqslant 2n$.

Prawdziwe jest także twierdzenie:

Twierdzenie Jeżeli $n > 2$ jest liczbą naturalną, oraz $p$ – liczbą pierwszą z przedziału $\tfrac{2}{3}n < p \leqslant n$, to $p$ nie jest dzielnikiem współczynnika $\binom{2n}{n}$.

Rozmieszczenie

Liczby pierwsze na spirali Ulama

Rozmieszczenie liczb pierwszych wśród liczb naturalnych spełnia pewne prawidłowości statystyczne, ale nie jest znany żaden wzór, który pozwalałby wyznaczać liczby pierwsze w sposób bardziej efektywny niż metoda Eratostenesa.

Kilka poniższych twierdzeń przybliża zagadnienia związane z badaniem rozmieszczenia liczb pierwszych na osi liczbowej.

Szereg odwrotności wszystkich liczb pierwszych

Niech $\mathbb{P}$ oznacza zbiór liczb pierwszych. Leonhard Euler udowodnił, że szereg liczbowy $\sum_{p \in \mathbb{P}} \tfrac{1}{p}$ odwrotności wszystkich liczb pierwszych jest rozbieżny. Sugeruje to, że liczby pierwsze nie mogą być rozłożone zbyt "rzadko" na osi liczbowej. Rozbieżność tego szeregu daje też nowy dowód na istnienie nieskończenie wielu liczb pierwszych.

Dowód twierdzenia Eulera $\sum_{p \in \mathbb{P}}\tfrac{1}{p}=\infty$

Niech

$P(x) := \sum_{p \in \mathbb{P}, p \leqslant x} \tfrac{1}{p}$

$Q(x) := \sum_{p \in \mathbb{P}, p \leqslant x} \tfrac{1}{p-1}$

Ponieważ

$1 = \left(\tfrac{1}{1} - \tfrac{1}{2}\right) + \left(\tfrac{1}{2} - \tfrac{1}{3}\right) + \dots$,

to

$P(x) > Q(x) - 1$

dla dowolnego naturalnego $x$. Wystarczy zatem dowieść, że $Q(x)$ może być dowolnie wielkie.

Szereg geometryczny:

$1 + \tfrac{1}{p-1} = \tfrac{1}{1-\tfrac{1}{p}} = 1 + \tfrac{1}{p} + \tfrac{1}{p^2} + \dots$

oraz rozkładalność liczb naturalnych na iloczyny liczb pierwszych, daje nierówność

$\prod_{p \in \mathbb{P}, p \leqslant x} \left(1+\tfrac{1}{p-1}\right) = \prod_{p \in \mathbb{P}, p \leqslant x} \left(1 + \tfrac{1}{p} + \tfrac{1}{p^2} + \dots\right) \geqslant \sum_{n=1}^{x} \tfrac{1}{n}$

Ale $\tfrac{1}{p-1} > \ln\left(1 + \tfrac{1}{p-1}\right)$, a więc

$Q(x) > \ln\left(\prod_{p \in \mathbb{P}, p \leqslant x} \left(1+\tfrac{1}{p-1}\right)\right) \geqslant \ln\left(\sum_{n=1}^{x} \tfrac{1}{n}\right) > \ln(\ln(x+1)) \to \infty,$,

zatem

$P(x) > \ln(\ln(x+1)) - 1 \rightarrow \infty,$

gdy $x \to \infty$. Koniec dowodu.

Franz Mertens uzyskał podobne oszacowanie $P(x)$ także od góry.

Oszacowania iloczynu odcinka liczb pierwszych

Jasnym jest, że zachodzi podzielność

$\prod_{p\in\mathbb{P}, n < p \leqslant 2n}p | \binom{2n}{n} = 2\dot\binom{2n - 1}{n-1}$

Więc dla n > 1 otrzymujemy:

$\prod_{p\in\mathbb{P}, n < p \leqslant 2n}p | \binom{2n - 1}{n-1} = \binom{2n - 1}{n}$

Powyższe współczynniki dwumianowe są składnikami sumy ze wzoru Newtona na $(1+1)^{2n -1}$. Są więc one mniejsze od $2^{2n - 2} = 4^{n-1}$ (ostro, bo w sumie Newtona występują też inne składniki). Tak więc mamy nasze pierwsze oszacowanie (od góry) iloczynu odcinka liczb pierwszych:

$\prod_{p\in\mathbb{P}, n < p \leqslant 2n}p < 4^{n-1}$

dla $n > 2$, a nawet dla każdego $n > 1$. Bardziej atrakcyjne byłoby oszacowanie iloczynu początkowego odcinka liczb pierwszych

$\prod P(x) := \prod \{p \in \mathbb{P} : p \leqslant x\}$

Ale przynajmniej możemy powyższą nierówność przepisać w postaci

$\frac{\prod P(2n)}{\prod P(n)} < 4^{n-1}$

dla każdego $n > 1$. Oczywiście

$\prod P(2n -1) = \prod P(2n)$

dla każdego naturalnego $n > 1$.

Twierdzenie

$\prod P(x) \leqslant \tfrac{1}{2} 4^{x-1}$

dla każdej liczby całkowitej $x > 1$.

Dowód 

Można sprawdzić bezpośrednio, że twierdzenie zachodzi dla $x=2,3$.

Rozpatrzmy parzyste $x > 3$. Wtedy $1 < x/2 <x$. Możemy więc indukcyjnie założyć, że twierdzenie zachodzi dla $x/2$. Zatem, korzystając ze wcześniejszego oszacowania iloczynu odcinka (niepoczątkowego), które zachodziło dla każdego $x := 2n > 2$, otrzymujemy

$\prod P(x) < \prod P\left(\tfrac{x}{2}\right) 4^{\tfrac{x}{2}-1} \leqslant \tfrac{1}{2} 4^{\tfrac{x}{2}-1} 4^{\tfrac{x}{2}-1} = \tfrac{1}{2} 4^{x-2}$

Więc indukcja zachodzi dla parzystego przypadku. Dla nieparzystego $x > 3$ mamy $1 < \tfrac{x+1}{2} < x$, co pozwala nam stosować założenie indukcyjne dla $\tfrac{x+1}{2}$ (oraz znowu wcześniejsze oszacowanie):

$\prod P(x) < \prod P\left(\tfrac{x+1}{2}\right) 4^{\tfrac{x-1}{2}} \leqslant \tfrac{1}{2} 4^{\tfrac{x-1}{2}} 4^{\tfrac{x-1}{2}} = \tfrac{1}{2} 4^{x-1}$

Koniec dowodu

Uwaga Twierdzenie zachodzi dla każdej liczby rzeczywistej $x \geqslant 2$, a nie tylko dla całkowitych.

Postulat Bertranda – Twierdzenie Czebyszewa

Czebyszew udowodnił następujące twierdzenie (patrz – rozdział 9, – rozdział 6.9):

Twierdzenie

Dla dowolnej liczby naturalnej n większej od 1, między liczbami $n$ a $2n$ istnieje co najmniej jedna liczba pierwsza.

Dowód

Wyżej zdefiniowaliśmy $o_p(n)$ i odnotowaliśmy następujące trzy twierdzenia:

• Jeżeli $p^k | \binom{2n}{n}$, to $p^k \leqslant 2n$; albo krótko: $p^{o_p(n)} \leqslant 2n$.
• Jeżeli $n > 2$ jest liczbą naturalną, oraz $p$ – liczbą pierwszą z przedziału $\tfrac{2}{3} n < p \leqslant n$, to $p$ nie jest dzielnikiem wspólczynnika $\binom{2n}{n}$.
• $\prod P(x) \leqslant \tfrac{1}{2} 4^{x-1}$ dla każdego rzeczywistego $x > 1$.

Zdefiniujmy:

$L(n) := \prod_{p\in\mathbb{P}, p \leqslant n} p^{o_p(n)}$.

Twierdzenia dowiedziemy pokazując, że $L(n) < \binom{2n}{n}$.

Otóż $L(n) = M(n) N(n)$, gdzie:

$M(n) := \prod\left\{p^{o_p(n)} : p \leqslant \sqrt{2n}, p\in \mathbb{P}\right\}$

$N(n) := \prod\left\{p\in \mathbb{P} : \sqrt{2n} < p \leqslant \tfrac{2}{3} n\right\}$

Dla $x > 8$ liczba liczb pierwszych nie większych od $x$ jest mniejsza od $\tfrac{x}{2}$. Zatem gdy $n>32$, $M(n)$ ma nie więcej, niż $\sqrt{\tfrac{n}{2}}$ czynników, z których każdy jest ograniczony od góry przez $2n$. Zatem

$M(n) \leqslant (2n)^{\sqrt{\tfrac{n}{2}}}$

oraz

$N(n) \leqslant \prod\left\{p\in \mathbb{P} : p \leqslant \tfrac{2}{3} n\right\} \leqslant \tfrac{1}{2} 4^{\tfrac{2}{3} n - 1}$

Z drugiej strony $\binom{2n}{n}$ jest największym z $2n + 1$ składników sumy Newtona przedstawiającej $(1+1)^{2n} = 4^n$, przy czym dwa składniki równe są 1. Więc

$\binom{2n}{n} \geqslant \tfrac{4^n - 2}{2n - 1} \geqslant \tfrac{4^n}{2n}$

Przy tym nierówność jest ostra dla $n > 1$, a co dopiero dla $n > 32$. Dla takich $n$, nierówność $M(n) N(n) < \binom{2n}{n}$, po obustronnym pomnożeniu przez $2n$, wyniknie z

$n (2n)^{\sqrt{\tfrac{n}{2}}} 4^{\tfrac{2}{3} n - 1} < 4^n$,

czyli

$n (2n)^{\sqrt{\tfrac{n}{2}}} < 4^{\tfrac{n}{3} + 1}$

czyli, po zlogarytmowaniu:

$\left(1+\sqrt{\tfrac{n}{2}}\right) \tfrac{\ln(n)}{\ln(4)} < \left(\tfrac{n}{3} + 1\right) - \frac{\sqrt{\tfrac{n}{2}}}{2}$

Z tego, że dla $x > 1$ zachodzi $\ln(x) < x-1$, otrzymujemy dla $n > 32$, że

$\ln(n) = \ln(32) + 2\ln\left(\sqrt{\tfrac{n}{32}}\right) < \ln(32)+2\left(\sqrt{\tfrac{n}{32}}-1\right) < 2+\sqrt{\tfrac{n}{8}}$

Wystarczy zatem dowieść

$\left(1+\sqrt{\tfrac{n}{2}}\right)\left(2+\sqrt{\tfrac{n}{8}}\right) < \left(\tfrac{n}{3} + 1 - \sqrt{\tfrac{n}{8}}\right) \ln(4)$,

czyli

$\sqrt{2n} + \left(1+\ln(4)\right) \sqrt{\tfrac{n}{8}} < \left(\tfrac{\ln(4)}{3}-\tfrac{1}{4}\right) n - 2 + \ln(4)$.

Ponieważ $\tfrac{138}{100} < \ln(4) < \tfrac{7}{5}$, to wystarczy dowieść, że:

$8\sqrt{2n} < n-4$

co dla $n\geqslant 4$ jest równoważne z:

$n^2 - 136n + 16 > 0$

Nierówność ta zachodzi dla każdego $n \geqslant 136$. Więc twierdzenie zachodzi dla każdego $n \geqslant 136$. Dla $n \leqslant 135$ twierdzenie zachodzi, gdyż kolejne liczby pierwsze w następującym ciągu są mniejsze od podwojonego poprzednika:

$2,\ 3,\ 5,\ 7,\ 13,\ 23,\ 43,\ 83,\ 163$

Koniec dowodu.

Dla dowolnej, nieujemnej liczby całkowitej k bez większego trudu można by dowieść nierówności

$(2n)^k L(n) < \binom{2n}{n}$

lub słabszej:

$\left(\prod_{s=1}^k (2n - 2s + 1)\right) L(n) < \binom{2n}{n}$

dla wszystkich $n \geqslant C$, gdzie stała C zależałaby od k. Nierówność ta zapewniłaby k+1 liczb pierwszych pomiędzy $n$ i $2n$, dla wszystkich, dostatecznie dużych $n$ (dla $n \geqslant C$).

Metoda Czebyszewa

Czebyszew wprowadził iloczyny odcinków kolejnych liczb naturalnych, i ich kombinacje iloczynowo-ilorazowe. Z jednej strony takie iloczyny dają się dokładnie szacować, a z drugiej, dobierając starannie ich kombinacje, uzyskuje się iloczyny w których gęsto jest od kolejnych liczb pierwszych w potędze 1.

Metodę Czebyszewa uprościł Srinivasa Ramanujan (patrz: Lew Sznirelman), który skupił się na środkowym współczynniku dwumianowym, czyli na (2n)!, podzielonym dwukrotnie przez n!. Działa to dobrze w przypadku postulatu Bertranda, ze względu na odcinek pomiędzy daną liczbą naturalną i dwukrotnie większą. Jednak Czebyszew uzyskał mocniejszy wynik, gdyż zamiast proporcji 2 wystarczyła mu dowolnie ustalona powyżej 6/5 (patrz). Udowodnione po Czebyszewie twierdzenie o rozmieszczeniu liczb pierwszych natychmiast daje podobny wynik dla wszelkich proporcji ustalonych powyżej 1.

Wariacja Erdősa

Paul Erdős wzmocnił twierdzenie Czebyszewa dowodząc

Twierdzenie

Dla dowolnej liczby naturalnej $n > 6$, między liczbami $n$, a $2n$, znajdują się co najmniej dwie liczby pierwsze – co najmniej jedna postaci $4k + 1$, oraz co najmniej jedna postaci $4m + 3$.

Twierdzenie Dirichleta

Poniższe twierdzenie zostało udowodnione przez Dirichleta

Twierdzenie

W dowolnym ciągu arytmetycznym liczb naturalnych: a, a + q, a + 2q, a + 3q, ... takim, że a i q są względnie pierwsze, występuje nieskończenie wiele liczb pierwszych. (Przy ustalonym q, ilość liczb pierwszych dla różnych a, względnie pierwszych z liczbą q, jest w pewnym asymptotycznym sensie taka sama.)

Przypadki szczególne

• Ciąg arytmetyczny $5, 11, 17, \dots$ liczb naturalnych $n\equiv -1\mod 6$:

  Niech $A$ będzie niepustym zbiorem skończonym liczb naszego ciągu. Niech $X$ będzie ich iloczynem. Wtedy $6X-1$ nie może mieć dzielniki pierwsze wyłącznie dające resztę $1$ z dzielenia przez $6$ (ich iloczyn dałby resztę $1$). Zatem istnieje taki dzielnik pierwszy $p | 6X-1$, że $p\equiv -1\mod 6$. Dzielnik ten nie należy do $A$, czyli żaden taki zbiór skończony nie zawiera wszystkich liczb pierwszych z naszego ciągu arytmetycznego, a więc takich liczb pierwszych jest nieskończenie wiele.

Uwaga Ciąg arytmetyczny $2, 5, 8, \dots$ liczb naturalnych $n\equiv -1\mod 3$ zawiera powyższy, ale ma tylko jedną więcej liczbę pierwszą, mianowicie $2$.

• Ciąg arytmetyczny $3, 7, 11, \dots$ liczb naturalnych $n\equiv -1\mod 4$:

  Dowód, że ten ciąg zawiera nieskończenie wiele liczb pierwszych podobny jest do wcześniejszego, powyżej, dla przypadku mod 6. Taki prosty dowód działa tylko dla reszty -1, i tylko mod n :=3 lub 4 lub 6, kiedy to jedynymi resztami mod n, względnie pierwszymi z n, są liczby -1 oraz 1 (mod n).

• Ciąg arytmetyczny $1, 5, 9, \dots$ liczb naturalnych $n\equiv 1\mod 4$:

  Euler pokazał, że nieparzysty dzielnik pierwszy liczby naturalnej postaci $a^2+1$ musi dać resztę 1 z dzielenia przez 4. Niech więc $A$ będzie niepustym zbiorem skończonym liczb naszego ciągu. Niech $X$ będzie ich iloczynem. Wtedy $(2X)^2+1$ musi mieć dzielnik pierwszy z naszego ciągu. Ale dzielnik taki nie może należeć do $A$, co oznacza, że zbiór wszystkich liczb pierwszych w naszym ciągu jest nieskończony.

Twierdzenie o liczbach pierwszych

Podstawowe twierdzenie o rozmieszczeniu liczb pierwszych wśród liczb naturalnych sformułował Gauss, który na podstawie badań empirycznych zasugerował, że liczba π(n) liczb pierwszych w przedziale [1, n] opisana jest zależnością

$\pi(n)\sim\mathrm{Li}(n)$

gdzie symbol Li(n) oznacza resztę logarytmu całkowego, a "~" oznacza równość asymptotyczną rozumianą jako

$\lim_{n\to\infty}\frac{\pi(n)}{\mathrm{Li}(n)}=1$

Rozwinięcie logarytmu całkowego w szereg daje oszacowanie:

$\pi(n)\approx\frac{n}{\ln n}+\frac{n}{\ln^2 n}+\frac{2n}{\ln^3 n}+\dots=\sum_{i=1}^\infty\frac{(i-1)!n}{\ln^i n}$

Gauss nie udowodnił tego twierdzenia – dopiero pod koniec XIX wieku zostało ono udowodnione przez Hadamarda i de la Vallee Poussina.

Najprostszą postacią przybliżenia funkcji π jest pierwszy element tego szeregu:

$\pi (n)\approx \frac{n}{\ln n}$

W tym wypadku także zachodzi asymptotyczna równość:

$\lim_{n\to\infty}\frac{\pi(n)}{\frac{n}{\ln n}}=1$

Hipoteza Riemanna

Rozmieszczenie liczb pierwszych na osi jest też związane bezpośrednio z hipotezą Riemanna. Mianowicie, jest ona równoważna stwierdzeniu, że liczba π(n) liczb pierwszych w przedziale [1, n] wyraża się wzorem:

$\pi(n) = \mathrm{Li}(n) + O\left(\sqrt{n} \ln n\right)$

gdzie użyto notacji dużego O.

Hipoteza liczb pierwszych bliźniaczych

Według tej teorii liczb pierwszych bliźniaczych jest nieskończenie wiele.

Szczególne rodzaje liczb pierwszych

Liczby pierwsze bliźniacze

Liczby pierwsze p i q są bliźniacze jeśli p = q + 2. Przykłady: 3 i 5, 5 i 7, 11 i 13, 17 i 19, 29 i 31, 41 i 43, 59 i 61, 71 i 73...

5 jest bliźniacza zarówno z 3 jak i z 7.

Nie wiadomo, czy istnieje nieskończenie wiele bliźniaczych liczb pierwszych.

Największa znana para liczb pierwszych bliźniaczych (stan na listopad 2007) to $2003663613\cdot 2^{195000}\pm 1.$ Liczby te, znalezione w 2007 roku, mają 58711 cyfr w zapisie dziesiętnym.

Liczby pierwsze czworacze

Liczby czworacze – liczby pierwsze,mające postać p, p+2, p+6, p+8, np. 5, 7, 11 i 13 lub 101, 103, 107 i 109, czyli dwie pary liczb bliźniaczych w najbliższym możliwym sąsiedztwie. Największe znane liczby czworacze to 4104082046 × 4799! + 5651, 4104082046 × 4799! + 5653, 4104082046 × 4799! + 5657 oraz 4104082046 × 4799! + 5659, gdzie ! jest silnią.

Liczby pierwsze izolowane

Liczba pierwsza p jest izolowana, jeśli najbliższa jej liczba pierwsza różni się od p co najmniej o 4. Przykłady:23, 89, 157, 173.

Liczby pierwsze Mersenne'a

Liczbę

M(n) := 2ⁿ – 1

nazywamy n-tą liczbą Mersenne'a (dla n=0, 1, ...). Tak otrzymana funkcja M jest homomorfizmem ze względu na największy wspólny dzielnik NWD:

M(NWD(k, n)) = NWD(M(k), M(n)).

Liczby pierwsze Mersenna są to liczby pierwsze, będące jednocześnie liczbami Mersenne'a. Przykłady: 3, 7, 31, 127, 8191...

Warunkiem koniecznym, żeby liczba Mersenne'a M(n) była pierwsza jest pierwszość liczby n. Jednak nie dla każdej liczby pierwszej p, liczba M(p) jest pierwsza; na przykład

2¹¹ – 1 = 23·89

Dlatego bada się także dzielniki Mersenne'a, a mianowicie dzielniki liczb Mersenne'a M(p), dla p pierwszego, zwłaszcza dzielniki pierwsze.

W sierpniu 2008 roku największą znaną liczbą pierwszą była liczba Mersenne'a 2^43112609-1 – do jej zapisania w układzie dziesiętnym trzeba użyć 12978189 cyfr. Wygrano w ten sposób 100 tysięcy dolarów ufundowane przez Electronic Frontier Foundation dla odkrywcy liczby pierwszej o co najmniej 10 milionach cyfr.

Największymi znanymi liczbami pierwszymi były na ogół liczby Mersenne'a, gdyż istnieje dla nich efektywna metoda sprawdzenia, czy są pierwszymi, tak zwany test Lucasa-Lehmera.

Liczby złożone Mersenne'a

Liczby złożone Mersenne'a to liczby Mersenne'a M(p), które są złożone, gdy liczba p jest pierwsza (gdy p jest złożone, to M(p) jest zawsze złożone).

Stwierdzenie

Niech p oraz q := 2·p+1 będą liczbami pierwszymi, przy czym 2 jest resztą kwadratową mod q (t.zn. $x^2 \equiv 2 \mod q$ dla pewnej liczby całkowitej $x$). Wtedy q | M(p), więc liczba Mersenne'a M(p) jest wtedy złożona dla p > 3.

Dowód

Przy założeniach twierdzenia, niech $x^2 \equiv 2 \mod q$ dla pewnej liczby całkowitej $x$. Wtedy na mocy małego twierdzenia Fermata:

$M(p) := 2^p - 1 \equiv x^{q-1} - 1\equiv 0 \mod q$

czyli q | M(p). Ponieważ dla p > 3 zachodzi q := 2·p+1 < M(p), to q jest dzielnikiem właściwym, więc M(p) jest złożone dla p > 3 (przy pozostałych założeniach).

Koniec dowodu.

Przykłady: 2 jest resztą kwadratową nieparzystej liczby pierwszej q wtedy i tylko wtedy, gdy q² daje resztę -1 lub 1 z dzielenia przez 8. Ponadto chcemy, żeby p := (q-1)/2 było liczbą pierwszą. Zatem przykładów q, ilustrujących powyższe twierdzenie, należy szukać wyłącznie wśród q dających resztę -1 z dzielenia przez 8, czyli wśród liczb postaci: q = 8·n-1. Wtedy p = 4·n-1. Więc n nie powinno dawać reszty 1 z dzielenia przez 3, by uniknąć podzielności 3 | p, oraz nie powinno dawać reszty -1, by uniknąć 3 | q. Zatem należy ograniczyć się do n podzielnych przez 3, czyli do

(p, q) := (12·k – 1, 24·k – 1)

Stąd najmniejszym przykładem, ilustrującym powyższe twierdzenie jest (p, q) := (11, 23). Otrzymujemy podzielność 23 | M(11). Następnym jest (p, q) := (23, 47), czyli podzielność 47 | M(23).

Liczby pierwsze Fermata

Są to liczby pierwsze postaci $2^{2^n}+1$. Jak dotąd znanych jest pięć liczb Fermata, które są pierwsze: 3, 5, 17, 257 i 65537

a oto przykładowe faktoryzacje liczb Fermata

F₅ = 641 × 6700417

F₆ = 274177 × 67280421310721

Skoro liczby Fermata nie muszą być pierwsze, to bada się dzielniki Fermata, czyli dzielniki liczb Fermata, zwłaszcza dzielniki pierwsze.

Liczby pierwsze Germain

Liczbę pierwszą p nazywamy liczbą pierwszą Sophie Germain jeżeli liczba 2p + 1 również jest pierwsza. Oto kilka liczb tego rodzaju: 2, 3, 5, 11, 23, 29, 41, 53, 83... Liczby pierwsze Germain związane są ze szczególnymi przypadkami wielkiego twierdzenia Fermata. Liczby pierwsze Germain są związane z liczbami złożonymi Mersenne'a.

Liczby pomiędzy pierwsze

Liczby będące średnią kolejnych dwóch liczb pierwszych większych od 2 (ang. interprime numbers). Początkowe liczby pomiędzy pierwsze to: 4, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 26, 30, 34, …

Liczby te są oczywiście liczbami złożonymi, ponieważ analizie poddajemy kolejne liczby pierwsze.

Liczby pseudopierwsze

Liczby złożone n, które spełniają warunek: $n|2^n -2$. Istnieje nieskończenie wiele liczb pseudopierwszych parzystych, jak i nieparzystych. Co więcej, dla każdej liczby pierwszej p istnieje nieskończenie wiele liczb pseudopierwszych podzielnych przez p. Liczbami pseudopierwszymi dla danego testu pierwszości nazywamy liczby złożone, których ten test nie rozpoznaje (powyższy przykład to liczby pseudopierwsze dla testu Fermata przy a równym 2.

Liczby lustrzane pierwsze

To pary liczb pierwszych, z których jedna powstaje przez zapisanie cyfr dziesiętnych drugiej w odwrotnej kolejności. Przykłady: 13 i 31, 17 i 71, 37 i 73, 79 i 97, 107 i 701,...

Liczby palindromiczne pierwsze

To liczby pierwsze, które nie zmieniają się, gdy ich cyfry dziesiętne zapiszemy w odwrotnej kolejności. Przykłady: 11, 101, 131, 191, 929.

Problemy

Zagadnienia dotyczące liczb pierwszych należą do teorii liczb. Istnieją w niej dotąd nierozstrzygnięte problemy:

• hipoteza Goldbacha: czy każda liczba parzysta większa od 2 może być przedstawiona w postaci sumy dwóch liczb pierwszych?
• czy ciąg Fibonacciego zawiera nieskończenie wiele liczb pierwszych?
• czy liczb pierwszych Fermata jest nieskończenie wiele?
• czy liczb pierwszych bliźniaczych jest nieskończenie wiele?
• czy liczb pierwszych Mersenne'a jest nieskończenie wiele?
• czy liczb pierwszych Germain jest nieskończenie wiele?
• czy istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych postaci n² + 1?
• czy dla dowolnego n pomiędzy liczbami n² i (n + 1)² istnieje liczba pierwsza?

Największe znane liczby pierwsze

Największa odkryta dotąd liczba pierwsza to 47 (znana) liczba pierwsza Mersenne'a: 2^43112609−1 i liczy sobie 12978189 cyfr w zapisie dziesiętnym. Została ona odkryta 23 sierpnia 2008 roku przez Edsona Smitha – uczestnika projektu GIMPS. Poprzednia największa liczba pierwsza, 44 liczba Mersenne'a, została odkryta we wrześniu 2006. Electronic Frontier Foundation ustanowiła nagrodę 100 tysięcy dolarów dla odkrywcy liczby pierwszej o więcej niż 10 milionach cyfr oraz nagrodę 150 tysięcy dolarów dla odkrywcy liczby pierwszej o więcej niż 100 milionach cyfr.

We wrześniu 2008 roku osiem największych znanych liczb pierwszych to liczby pierwsze Mersenne'a. Największą znaną liczbą pierwszą, która nie jest liczbą Mersenne'a jest:

$19249\cdot 2^{13018586} + 1$

która w zapisie dziesiętnym liczy 3 918 990 cyfr. Liczba ta jest dziewiątą największą znaną liczbą pierwszą i została odkryta 26 marca 2007 roku w ramach projektu Seventeen or Bust.

Największą liczbą pierwszą poznaną przed erą elektroniki jest 44-cyfrowa tzw. liczba Ferriera:

$\frac{2^{148} + 1}{17} = 20\,988\,936\,657\,440\,586\,486\,151\,264\,256\,610\,222\,593\,863\,921$

znaleziona za pomocą mechanicznego kalkulatora.

Odpowiedniki w innych strukturach algebraicznych

Najbliższym odpowiednikiem liczb pierwszych w pierścieniach są elementy pierwsze. Liczby pierwsze nie są jednak tym samym, co elementy pierwsze pierścienia liczb całkowitych – elementami pierwszymi są także liczby ujemne (-2, -3, -5, ...), a według niektórych źródeł także zero, które zostały z definicji wykluczone ze zbioru liczb pierwszych.

W pierścieniach bez jednoznaczności rozkładu pierwszość elementu nie jest równoważna jego nierozkładalności na czynniki (istnieją elementy nierozkładalne, które nie są pierwsze). Również pojęcie ideału pierwszego nawiązuje do tych intuicji.

Zastosowanie

Liczby pierwsze są stosowane w niektórych znanych algorytmach kryptograficznych. Jednym z takich jest RSA. Rozwój tych algorytmów zapewnia rozwój projektów wyszukiwania ogromnych liczb pierwszych, takich jak GIMPS.

Zobacz też

• czynnik pierwszy
• liczby półpierwsze
• liczby względnie pierwsze
• liczby zaprzyjaźnione
• faktoryzacja
• liczby złożone
• liczby Sierpińskiego
• liczba pierwsza Ferriera
• element pierwszy
• Sito Eratostenesa

Bibliografia

Istnieje bardzo wiele książek o teorii liczb i liczbach pierwszych; między innymi:

• Lew G. Sznirelman, Liczby pierwsze, PWN, Warszawa 1954;
• William J. LeVeque © 1977, Fundamentals of Number Theory, Dover Publications 1996, ISBN 0-486-68906-9;
• Jean-Pierre Serre, A Course in Arithmetic, Springer-Verlag © 1973, ISBN 0-387-90040-3, ISBN 3-540-90040-3.

Linki zewnętrzne

• MathWorld – Liczby pierwsze (ang.)
• Projekt GIMPS poszukiwania największych liczb pierwszych (ang.)
• Największe znane liczby pierwsze (ang.)
• Artykuły na temat współczesnych algorytmów dowodzenia i testowania pierwszości
• PrimeGrid – projekt tworzący publicznie dostępne listy liczb pierwszych (ang.) (bazuje na platformie BOINC)
• Dlaczego 1 nie jest liczbą pierwszą w FAQ grupy pl.sci.matematyka
• Liczby pierwsze z zakresu ponad 60 milionów