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小學(xué)數(shù)學(xué)故事:探尋之旅(一)(2)

來源:網(wǎng)絡(luò)資源 文章作者:奧數(shù)網(wǎng)整理 2018-11-10 11:21:46

  對2P-1型素數(shù)的搜尋之旅就這樣出發(fā)了,先后投入這個漫漫長途的就有數(shù)學(xué)大師費馬、笛卡爾、萊布尼茲、哥德巴赫、歐拉、高斯、哈代、圖靈……這一個個閃光的名字正如暗夜前行的火炬手,照亮了人類通往未知的道路。

  歷史的天空閃爍幾顆星

  讓我們將坐上時間機器,回到過去,重新瀏覽這來路風(fēng)光吧。

  1456年,又一個沒有留下姓名的人發(fā)現(xiàn)了第5個2P-1型的素數(shù):213-1。若是你就降生在那個年代,或許這次發(fā)現(xiàn)的光榮將歸屬于你。只是,你更有可能犯下和當(dāng)時的人們一樣的錯誤,以為對于所有的素數(shù)P,2P-1都是素數(shù)。要知道,這個錯誤是近百年之后,直到1536年,才由雷吉烏斯(HudalricusRegius)打破的。他指出,211-1=2047=23×89,不是素數(shù)。

  不過你的莽撞完全可以得到諒解,在黑暗中尋找的數(shù)學(xué)家正如年輕人一樣,犯下的錯誤連上帝都會原諒。第一個對這種類型的素數(shù)進行整理的皮特羅?卡塔爾迪(PietroCataldi)在他在1603年宣布的結(jié)果中就言之鑿鑿地說:對于p=17,19,23,29,31和37,2P-1是素數(shù)。只可惜,37年后,他的六個結(jié)果就被推翻了兩個,費爾馬使用著名的小費爾馬(不是那個更著名的大費爾馬定理)證明了卡塔爾迪關(guān)于P=23和37的結(jié)論是錯誤的。

  不知道下面的事實會不會讓你聯(lián)想到“屋漏偏逢連夜雨”呢?大約一百年后,1738年,歐拉證明了卡塔爾迪的結(jié)果中P=29也是錯誤的。幸好,歐拉又證明了P=31的結(jié)論是對的。

  雖然,卡塔爾迪的六個結(jié)果“陣亡”了一半,但考慮到他是用手工計算取得結(jié)論的,而費爾馬和歐拉則是使用了在他們那時最先進的數(shù)學(xué)知識,避免了許多復(fù)雜的計算和因此可能造成的錯誤,因此我們?nèi)匀灰獙ㄋ柕现戮。他也由此光榮地占據(jù)了第六個和第七個的發(fā)現(xiàn)者之位,在他之前的,都是無名氏。

  卡塔爾迪的成功,說明了整理和預(yù)測是正確道路。繼他之后,集研究成果大成的,是17世紀(jì)法國著名的數(shù)學(xué)家和修道士馬林?梅森(MarinMersenne,1588-1648)。

  梅森熱心于宗教,但更喜愛數(shù)學(xué);他是一個交往廣泛、熱情誠摯的人,更是一座“科學(xué)信息交換站”。為什么呢?那時候,學(xué)術(shù)刊物、國際會議甚至科研機構(gòu)都還沒有誕生。“及時雨”般的梅森是歐洲眾多科學(xué)家之間聯(lián)系的橋梁,大家把研究成果寄給他,然后再由他轉(zhuǎn)告給更多的人。費馬、笛卡爾等數(shù)學(xué)家每周在他家聚會,討論問題,就這樣慢慢形成的”梅森學(xué)院”,后來有了一個更響亮的名字——法蘭西科學(xué)院。

  1644年,梅森在歐幾里得、費馬等人的有關(guān)研究的基礎(chǔ)上對2P-1作了大量的計算、驗證工作,并于1644年在他的《物理數(shù)學(xué)隨感》一書中斷言:對于P=2、3、5、7、13、17、19、31、67、127、257時,2P-1是素數(shù);而對于P等于其他所有小于257的數(shù)時,2P-1是合數(shù)。這里前7個數(shù)(即2,3,5,7,13,17和19)是在前人的工作已經(jīng)證實的部分。而后面的4個數(shù)(即31,67,127和257)屬于被猜測的部分。不過,人們對他的斷言深信不疑,連大數(shù)學(xué)家萊布尼茲和哥德巴赫都認為它是對的。

  梅森的工作極大地激發(fā)了人們研究2P-1型素數(shù)的熱情,成為素數(shù)研究的一個轉(zhuǎn)折點和里程碑。為了紀(jì)念他,數(shù)學(xué)界就把這種數(shù)稱為“梅森數(shù)”,并以Mp記之(其中M為梅森姓名的首字母),即Mp=2P-1。如果梅森數(shù)為素數(shù),則稱之為“梅森素數(shù)”(即2P-1型素數(shù))。

  對梅森素數(shù)的驗證,需要進行艱巨的計算,即使是”猜測”部分中最小的M31=231-1=2147483647,也是一個10位數(shù)。而梅森自己則承認:“一個人,使用一般的驗證方法,要檢驗一個15位或20位的數(shù)字是否為素數(shù),即使終生的時間也是不夠的。”年邁力衰的他四年之后就去世了,最終并沒有任何一個梅森素數(shù)的發(fā)現(xiàn)權(quán)歸屬于他,但考慮到他已經(jīng)享有了“冠名權(quán)”,就把榮譽分給那些在漫漫長途上跋涉的發(fā)現(xiàn)者們吧!

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