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伪素数,探索素数分布的另外一条路!费马小定理还不够强大!

 宣城华厦图书馆 2018-03-01

伪素数,不明思议就是具有素数的某些重要性质,但又不是素数的数, 定义为满足费马小定理,但本身不是素数的数。

1636年,法国的一名律师,又号称'业余数学家之王'的费马,发现整数的一个性质,也是当今数论四大定理之一的——费马小定理。

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费马

描述: 对于任意的素数p,和不是素数倍数的整数a,那么a ^ (p-1)-1 一定能被p整除。

这是一条非常漂亮的定理,意味着我们利用较小的数p和a,就可以构造指数增长的数,而且知道其整除性,这对大数的分解是很有用的。

比如我们计算2 ^ 2017除以13的余数,只需要分解2017=12*168+1,然后由费马小定理得知2^12除以13是余1的,那么262017=2^(12*168)*2 , 立马得到我们要的结果是2。

后来莱布尼兹和欧拉都给出了证明,值得一提的是,欧拉推广了这个定理,不再把p限定为素数,而是推广成了欧拉函数ψ(x)。

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欧拉

可是有个难题一直困扰着数学家,那就是费马小定理的逆命题是否成立?

如果逆命题也成立,就意味着费马小定理将成为判断一个数是否是素数的重要,且十分有效的办法。

我们来看:

正命题:素数p一定满足费马小定理。(正是费马小定理的内容)

逆命题:满足费马小定理的一定是素数!

弱逆命题:不满足费马小定理的一定是合数!


很长一段时间里面,人们都相信逆命题是正确的,但是证明起来相当困难,1680~1681 年,莱布尼兹两次宣称证明了弱逆命题,但始终没有发表他的证明方法,该命题比逆命题稍弱,对于逆命题的证明终究没有进展。

直到1819年,法国数学家沙路斯发现了逆命题的一个反例,既a=2,p=341时满足费马小定理,但是341=11*31却是合数,这一发现让逆命题不攻而破,说明了费马小定理还不够强大!而且研究发现,这样的反例拥有无穷多个,这些反例统称为伪素数。

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正整数分类

1950年,美国数学家发现一个偶伪素数161038,大家别以为这个数小容易找,这个数在费马小定理中是指数,所以寻找起来相当困难。

既然我们知道了伪素数有无穷多个,那么利用费马小定理去寻找素数的办法,就半路夭折了!

另外伪素数远比素数少,比如前10亿自然数中,素数有50847534个,而伪素数只有5597个,大约占其万分之一。在1938年数学家普列特发明伪素数表,我们利用伪素数表就可以确定某个数是否是素数,比如一个数n,如果满足费马小定理,那么n一定是素数或者伪素数,只要和伪素数表一对比,那么就能确认n是素数还是伪素数了。

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素数螺旋

后来素数学家们发现了很多判定伪素数的办法,也算是对素数研究开辟了另外一条路吧!

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