16
Почти простые числа
Как в математике делаются открытия? Часто — так же, как в других наукках: подмеченный факт исследователь пытается включить в качестве частного случай в общую закономерность. Найти эту закономерность не всегда удается, и математик, как и любой другой исследователь, действует «методом проб и ошибок».
Как при этом могут выглядеть его рассужdenя, когда речь идет о делимости чисел, расссказано в этой статье.
- Малая теорема Ферма
Ясно, что квадрат натурального числа будет четным или нечетным одновременно с самим числом . Таким образом, числа и всегда будут одновременно четными или нечетными одновременно. Но, более того, эта разность всегда и на 3. В самом деле, число либо делится на 3 (то есть имеет вид ), либо дает при делении на 3 остаток 1 (имеет вид ), либо дает при делении на 3 остаток 2 (тогда его можно представить в виде ).
Если делится на 3, то и делится на 3. Если же имеет вид , то , то есть .
Во всех случаях разность кратна 3. Итак, имеет место
Утверждение 2. Разность делится на 3 при любом .
Упражнения
- Докажите утверждение 1 и 2 разложением многочленов и на множители.
- Докажите, что разность делится на 6 при любом .
Утверждение 1 и 2 внушают надежду, что справедлива.
Гипотеза 1. Разность делится на при любых и .
Увы! Легко набрести на контрпример, опровергающий эту гипотезу: разность не делится на 4.
Все же хотелось бы найдеть, что сходство между утверждениями 1 и 2 не является случайным. Попробуем проверить разность . Например, делится на 5. Легко установить, что это не случайно, и справедливо.
Утверждение 3. Разность делится на 5 при любом .
В самом деле, число либо делится на 5, либо дает при делении на 5 один из остатков 1, 4 (в этих случаях оно представимо в виде ), либо дает при делении на 5 один из остатков 2, 3 (тогда ). Если делится на 5, то и делится на 5. Если , то
Если , то
Таким образом, если не делится на 5, то число имеет вид и
дает при делении на 5 остаток 1. Отсюда следует, что разность , а значит и разность , делится на 5.
Теперь мы имеем уже три положительных утверждения. Это заставляет нас продолжать поиск. Разность
18
- Почти простые числа
Вспомним, как мы в предыдущем пункте пришли к малой теореме Ферма. Фиксировав , мы выязывали, все ли разности делятся на . Чтобы сформировать правильное прибодобную гипотезу, мы каждый раз сначала проверяли, делится ли на число . При всех рассмотренных простых разность делилась на , при составных — не делилась. Естественно возникает
Гиотеза 5. Разность делится на при простом и не делится — при составном*).
Гипотезу 5 высказали еще древнекитайские математики — около 2,5 тысячи лет назад.
В древнем Китае, как и во всех других предшествующих древней Греции цивилизациях (Вавилоне, Древнем Египте и т. д.), математика была неедуктивной, а решетурной наукой. Основную роль в математике играли не выводы, а факты, причем вопрос о том, как тот или иной факт был установлен, не считался особенно важным: достаточно правдополобная доказка в полне могла заменить доказательство. Выписав несколько десятков первых чисел () и проверив, какие из них делятся на , а какие не делятся, древнекитайские математики уверлились в справедливости гипотезы 5 и зафиксировали ее как теорему. Однако мы с вами — не древние китайцы. Великие Евклид и Архимед (а еще ранее их — и Пифагор, и Платон, и Аристотель) убедили нас, что существ математики состоит именно в доказательстве гипотезы 5 и зафиксировали ее как теорему. Однако,我们没有证据表明 почти простым, если разность делится на .
В силу малой теоремы Ферма любое простое число является почти простым. Поэтому гипотезу 5 можно переформулировать так:
Гипотеза 5’. Какое почти простое число является простым.
*) Первая «половина» гипотезы 5 является, конечно, частью случая теоремы Ферма.
Мы уже сказали, что древнекитайские математики рассмотрели делимость на нескольких десятков первых чисел и не нашли опровергающих примеров. Сегодня, с помощью ЭВМ, нетрудно было бы проверить делимость на нескольких сотен первых чисел . Однако и тут опровергнуть гипотезу 5 было бы непросто: среди первых 300 натуральных чисел мы бы не нашли почти простых чисел, не являющихся простыми. Однако гипотеза 5 все таки неверна, то есть справедлива.
Теорема 2. Существуют почти простые числа, не являющиеся простыми.
Самым маленьким таким числом является 341. Найти его было нельзя, доказать же, что оно — почти простое, совсем несложно, если к нашим услугам будет
Лемма 1. Разность делится на при любых и , вытекаювая из точки простых чисел, не являющихся простыми.
Лемма 2. Разность делится на при любых и , вытекаювая из точки простых чисел, не являющихся простыми, причем .
В самом деле, так как — не простое, , где , . Тогда, в силу леммы 1,
делится на . Из следует . Из вытекает . Значит, — не простое.
Так как — почти простое, делится на : . Поэтому, в силу леммы 1,