素數並不孤獨

2020-12-11 騰訊網

數學是科學的女王,數論是數學的女王。

——高斯

數論,是研究數字的一門數學分支。如同大海,它清澈透明而又深不見底。它的基礎概念,自然數、加法、乘法,每個小學生都清楚;但關於自然數的定理,卻可以讓人窮盡一生而不得其解。而這篇文章要介紹的,只是這個廣闊海洋中一個小小的海域。即便如此,我們仍未知道此處海深幾何,儘管最近張益唐的突破性工作,使我們比以往更接近真理,但這遠遠不夠。

儘管筆者才疏學淺,有恐貽笑方家。但如能為讀者勾勒出一點點數學之美,也不枉費一番心思。

素數何時成雙對

可以說,素數是數論中最基礎而最重要的概念。如果一個大於二的正整數,除了1和它本身之外,不是任何數的倍數,那麼它就是一個素數。比如說,6不是一個素數,除了1和它本身以外,它還是2和3的倍數;而5則是一個素數。

在古希臘,人們已經有了素數的概念,對素數的研究也略有所得。在歐幾裡德的《原本》中,第七、八、九篇講述的是「關於整數及其比值的性質」,實際上也就是數論。在這幾卷中,歐幾裡德指出了今天所說的「算術基本定理」:將自然數分解成素數乘積的方法是唯一的。也就是說,如果用乘法的眼光來看自然數,那麼素數就是自然數的最小組成單元。它們不能被分解成更小的數的乘積,而所有自然數都可以分解成它們的乘積。

那麼,我們自然要問:素數作為自然數的組成單元,它們有多少個?

有無限個,歐幾裡德不僅回答了這個問題,還給出了一個經典的證明。

不妨反設只有有限個素數,考慮它們的積NN,它是一個有限的自然數。所以,N+1也是一個自然數,它也應該是一些素數的積。但根據假設,每一個素數都不整除N+1,這不可能!所以,素數必定有無限個。

這個精巧的證明,是人類探尋素數奧秘的第一步。

2、3、5、7、11、13……最初的幾個素數,要找出來並不困難,但隨著數字增大,如果一個一個數字按照定義去篩選是否素數,工作量會很快變得十分龐大。同為古希臘數學家的埃拉託色尼,給出了一個比較省力的算法,後人稱之為埃拉託色尼篩法

首先,列出從2開始的數。然後,將2記在素數列表上,再划去所有2的倍數。根據定義,剩下的最小的數——在這裡是3——必定是素數。將這個數記在素數列表上,再划去所有它的倍數,這樣又會剩下一些數,取其中最小的,如此反覆操作。最後剩下的都是素數。

埃拉託色尼篩法 | 維基百科

當古希臘人用這種方法計算出長長的素數列表時,他們也許也曾驚異於素數分布的秩序缺失。這些自然數的組成單元,在自然數中的排列卻毫無規律,時而靠近,時而疏遠。用類似歐幾裡德證明中的構造,我們知道,兩個相鄰素數之間的距離可以要多大有多大。而隨著數目越來越大,相鄰素數之間的距離似乎也越拉越長。

在無限延伸的自然數集中,向無窮的地平線望去,雖然仍有無窮的素數,但它們似乎也愈變孤獨。

這種孤獨甚至是可以度量的。在十八世紀的尾巴,年僅15歲的高斯獨立提出了一個猜想:在n附近素數的密度大約是n的對數。也就是說,相鄰素數之間的平均距離大概與它們的對數成正比,雖然增長很慢,但卻義無反顧奔向無窮。但即使是高斯,也無法嚴格地證明他的猜想,要等兩個世紀後的阿達瑪(J. Hadamard)和德拉瓦萊普森(C. J. de la Vallée-Poussin),才能將這個猜想變成現在的「素數定理」。

雖然如此,偶爾也會有成對出現的素數,它們之間只相差2。像這樣成對出現的素數,在那些孤獨的同伴看來,無疑是異類。

它們被稱為孿生素數

漫天星河難理清

一個自然的問題是,孿生素數有多少?

孿生素數猜想斷言,有無限對這樣的孿生素數。但還沒有人能嚴格地證明這一點。在1849年,數學家A. de Polignac甚至猜想,對於任意的偶數2k,都有無數對相鄰的素數,它們的差恰好是2k。

這不是一個容易的問題。素數是乘法的產物,而孿生素數的定義則涉及到加法。即使只是加上2,也需要同時用到自然數的加法和乘法的性質。而在數論中的很多看似簡單但無比困難的問題,比如哥德巴赫猜想和華林問題,核心也在於加法和乘法的交織。這種相互作用給數論學者們帶來了無窮的頭痛,以及對咖啡的無盡渴求。

與此同時,行外人的評價卻似乎異常中肯:「為什麼素數要相加呢?素數是用來相乘而不是相加的」。

當然,如果只將素數用在只與乘法有關的問題上,事情當然簡單得多。但如果我們想要更多地了解自然數的玄機,那必然涉及到加法和乘法的相互作用。縮在「容易」的圈子裡從來無補於事。如同探險家一般,數學家也有著徵服難題的渴望,因為在那困難的山巔上,有著無盡的風光。為了難題產生的新方法、新思想,可能會開闢出意想不到的新天地。

畫在平面上的素數分布 | 維基百科

孿生素數的難點在於,它是一個關於素數的具體分布的問題,而我們對素數的具體分布知之甚少。素數定理只告訴我們素數的大體分布,而對於具體一個個素數的位置卻無能為力。如同繁星,素數點綴著自然數的夜空,放眼望去,它們朝向無限的地平線愈見稀薄。但要想分清這無限繁星中的每一顆,即使用上最好的望遠鏡,也無可奈何。

所以,在很長一段時間裡,對於孿生素數猜想,人們仍然停留在揣測和估計的層面。

首先嘗試直接猜測的,是英國數學家哈代(G. H. Hardy)和李特爾伍德(J. E. Littlewood),他們在1923年開始了一系列的猜測。

霸氣的哈代 | 維基百科

素數定理告訴我們,對於足夠大的自然數N,在N附近隨機抽取一個自然數n,它是素數的概率大概就是(lnN) 1。那麼,在同樣的區間,隨機獨立選取的兩個數都是素數的概率就是之前概率的平方,也就是(lnN) 2。

那麼,在N附近隨機抽取一個自然數n,n和n+2是一對孿生素數的概率是否就是大概 (lnN) 2呢?很遺憾,並非如此,因為n和n+2並非完全獨立的,所以不能直接應用之前的結果。不過這個估計雖不中亦不遠,只要乘上一個修正係數,藉此表達兩個數相差2的性質,就能得到對孿生素數密度的估計:2C2(lnN) 2。在這裡,修正係數C2是一個關於所有質數的無窮乘積。如果密度確實如此,那麼顯然有無限對孿生素數,孿生素數猜想應該是正確的。

實際上,這是所謂「第一哈代-李特爾伍德猜想」的一個特殊情況,難度甚至遠高於孿生素數猜想:它不僅隱含了孿生素數猜想,而且對具體的分布作出了精細的估計。雖然上面的論證看上去很誘人,但它並不是一個嚴謹的證明,因為它的大前提——素數是隨機分布的——本來就不成立。素數的分布有著深刻的規律,遠遠不是一句「隨機分布」所能概括的。

但哈代和李特爾伍德並非等閒之輩,作為當時英國的學科帶頭人,既然提出這個猜想,當然經過了深思熟慮。現在看來,依據之一是,望向無限,素數的分布的確看似隨機:對於那些「簡單」的操作(比如說加上2)來說,數值越大,越靠近無限的地平線,看上去也越「隨機」。所以,在考慮各種素數形式的分布時,假定素數按照素數定理的密度隨機分布,不失為一個估計的好辦法。更為重要的是,數值計算的結果也與哈代和李特爾伍德的猜測所差無幾。這更增添了我們對這個估計的信心。

然而,猜測只是猜測,不是嚴謹的證明。無論用數值計算驗證到什麼高度,有多符合,對於無限而言,都是滄海一粟。李特爾伍德本人就曾證明過一個類似的結論。

人們此前猜測,小於某一個數N的素數個數π(N)必定小於所謂的「對數積分」函數li(N),而根據素數表,這個規律直到10的14次方都成立。但李特爾伍德在1914年證明了一個驚人的結論:對於足夠大的N,不僅π(N)可以大於li(N),而且它們的大小關係會無窮次地逆轉!但直到今天,對於第一次打破這個規律的N,我們仍然不知道它的具體數值,只知道它大概是個有三百多位的數。

這個例子足以說明素數可以多麼深不可測而又出人意料,同時提醒我們,面對無限,不能掉以輕心。無論有多少計算的證據,都不能輕易下定論。徵服無限的工具,只有嚴謹的數學證明。

狂沙淘盡始得金

既然難以知道孿生素數具體有多少,那麼不妨換個思路:孿生素數最多能有多少呢?

這就是數學家的思路,如果正面久攻不下,那麼就從側面包圍。當難以直接得到某個量時,數學家的「本能」會指引他們,嘗試從上方和下方去逼近,證明這個量不可能小於某個下界,或者不可能大於某個上界。如此慢慢縮小包圍圈,就有希望到達最終的目標。

而在1919年,挪威數學家布倫(V. Brun)走的就是這麼一條路:他證明了,孿生素數的密度不可能超過O(N(ln lnN)2/(ln N)2)。籍此,他證明了所有孿生素數倒數的和是有限的。要知道,所有素數倒數的和是無窮大,可見孿生素數在素數中有多麼稀少。人們將所有孿生素數的倒數和稱為布倫常數,它的具體數值大約是1.90216...。

關於布倫常數,還有個有趣的小插曲。1994年,美國一位教授在計算布倫常數時,無意中發現當時英特爾公司的奔騰處理器在計算浮點除法時,在極稀有的情況下,會產生錯誤的結果。雖然英特爾聲明這種錯誤對於日常使用來說不足為患,但對於消費者來說,這種託辭實在難以接受。最後,英特爾不得不承諾免費更換有問題的處理器。幫助發現硬體問題,這可算是數論在現實中的一個小小應用。

出問題的那款晶片 | 維基百科

但布倫的證明意義遠不止於此。他的這個證明,正是現代篩法的開端。

布倫所用的篩法,根源可以追溯到古希臘的埃拉託色尼篩法。還記得我們怎麼用埃拉託色尼篩法列出素數表嗎?每次獲得一個新的素數,我們都要划去所有新素數的倍數,然後剩下最小的數又是一個新的素數。用類似的方法,我們可以估計在某個區間中,比如說在N和2N之間,大約有多少素數。

首先,我們假設手頭上已有足夠大的素數表(大概到2N √2N的所有素數)。用這個素數表,我們打算把從N到2N的所有合數都划去一遍,剩下的就是素數。對於每個素數p,我們將所有p的倍數划去一遍。在N和2N之間,對於每個素數p,大約有N/p個這樣的倍數。當然,如果N不是p的倍數,這樣的估計會有誤差,但在數學家看來,只要能把握誤差的大小,最終仍然可以得到正確的結論。

這樣,剩下的數的個數就是N減去所有N/p的和,是這樣嗎?並不盡然,因為有些數可能被划去了幾次。比如說1000,它能被2整除,也能被5整除,於是在處理2和5的倍數時,它分別被划去了兩遍。對於每一對素數p1,p2,每個p1p2的倍數在之前都被划去了兩遍,而我們只希望將它們划去一遍。為了得到正確結果,我們需要對這些數作出補償:將這些數加回去,一共是N/p1p2個,加上一點點誤差。

但這就是盡頭嗎?如果考慮三個素數的倍數,我們發現補償得又太多了,需要重新划去;繼續考慮四個素數的倍數,划去得又太多了,需要重新補償……如此一正一反,損有餘,補不足,一項一項估計下去,才能從自然數的海洋中,精確篩選出所有我們想要計算的那些素數。

但我們是否需要做到如此精細呢?在整個計算中,雖然每一項看似簡單,但簡單的代價是誤差。雖然每一項的誤差很小,但因為數目巨大,累土而成九層之臺,累計誤差可以比需要估計的量還要多。所以,在現代的篩法中,過於精細反而是一種累贅。況且,我們的目的是獲得上界或者下界,所以結果無需完美,只需誤差可控。一般而言,由于越到後面的項貢獻越小,往往忽略它們的計算,直接將其計入誤差。這樣可以有效減少需要計算的項的數目,同時也能間接減少誤差。當然,如果忽略的項太多,它們引起的誤差又會太大,也會導致不夠精確的結果。

布倫相對於前人的改進,正在於此。如果盲目計算所有的項,必然深陷誤差的泥沼。而布倫則大膽截去那些貢獻很小卻佔絕大多數的項,而對於剩下的項也果斷採用更粗放的近似來簡化計算。雖然看似不依章法,但通過仔細調校,布倫得以有效控制總誤差,從而獲得他想要的結果。

布倫的這個思路,開啟了解析數論之中一大類方法的大門。我們不知道怎麼數素數,是因為它們的分布實在難以捉摸。而現在,布倫的篩法指出了一條用簡單的集合來逼近素數集合的道路,這自然令數學家如獲至寶。

在更精細的篩選與更微小的誤差之中尋找那一線的平衡,這大概是篩法的醍醐。但這樣的平衡,顯然依賴於我們如何估計每一項的具體數值。可以每項分開估計,但合起來也無傷大雅。無論做法如何,估計的誤差越小,篩選可以越深入,結果也越逼近真實。即使估計方法不變,如果有更好的方法決定每一項的取捨,取貢獻大而誤差小之項,而舍貢獻小而誤差大之項,當然也能得到更好的結果。

但為何拘泥於每一項?對於每一項,為什麼要麼取要麼不取,不能站在中間立場嗎?只要能控制誤差,將每一項拆解開來,根據貢獻和誤差來賦予不同的權值,再求和,這樣的結果豈不是更精細?再者,有時不拘泥於素數,放鬆限制去篩選那些「殆素數」,也就是那些只有少數幾個素因子的數,在某些情況下也能得到更好的結果。在嚴謹的前提下,只要能做出更好的結果,數學家對於突破原有思路毫不猶豫。

這就像一場對素數的圍捕戰。數學家們拿著篩法這個工具,不斷打磨它、改裝它,不斷練習,正著用,反著用,與別的領域的工具配合著用,絞盡腦汁發明新的用法,殫精竭力用它來圍捕那些調皮的素數。欲擒故縱,反客為主,無中生有,李代桃僵,數學家們在對各種各樣素數的圍捕中,借著篩法,將一套兵法使得淋漓盡致,精彩之處,三國亦為之失色。

在篩法的力量下,孿生素數終於露出了一鱗半爪:

在1920年,同樣是布倫,證明了有無窮對9-殆素數,它們之間只相差2。所謂9-殆素數,或者更一般的k-殆素數,就是那些至多有k個素數因子的自然數(包括重數)。而1-殆素數就是素數。模仿哥德巴赫猜想的記號,布倫證明的就是(9 - 9)。

在1947年,匈牙利數學家雷尼(A. Rényi)證明了,存在一個常數k,使得有無窮對自然數m,p,其中pp是素數,mm是一個k-殆素數,而兩者之間只相差2。也就是說,他證明了(k - 1)。

在1950年,挪威數學家塞爾伯格(A. Selberg)證明了,有無窮對整數n和n+2,它們的素因子一共至多有5個。而孿生素數定理相當於素因子至多有2個的情況。

在1966年,義大利數學家E. Bombieri與英國數學家H. Davenport證明了,孿生素數的密度至多是8C2(lnN) 2。也就是說,孿生素數的數量至多是哈代與李特爾伍德所估計的4倍。

陳景潤的雕像 | 維基百科

在1978年,在證明了哥德巴赫猜想的(1 + 2)後,陳景潤用相同的篩法改進了雷尼的結果:他證明了,有無窮對自然數m,p,其中p是素數,m是一個2-殆素數,而兩者之間只相差2。也就是說,他證明了(2 - 1)。

而最新的結果則是D. Goldston、J. Pintz和C. Yildirim在2009年發表的。他們證明了,兩個素數之間的差距,相比起平均值而言可以非常小。在假定某個強有力的猜想後,他們還證明了,存在無限對素數,它們之間相差不過16,與目標的2隻有八倍的差距。但問題在於,即便16這個數目相當誘人,但他們的假定過於強大,強大得不像是對的,也使人們對他們結果的信心打了個折扣。

在整個過程中,數學家們動用了解析數論中的大量工具:L函數、西格爾零點的估計、多種版本的篩法、克魯斯特曼和的估計、自守形式,如此等等,不一而足。每樣工具,都是心血的結晶。但即便如此,我們離孿生素數猜想還很遙遠。儘管Goldston、Pintz和Yildirim的結果非常強大,但也不能在無假定的情況下,推出有無窮對素數,它們相差恰好是一個有限的確定值。

雖然只差那麼一點點。只要關於所謂「素數分布水平」的引理稍微強一點點,就能得到有無窮對相差不遠的素數的結論。但就在這個關口,人們卻處處碰壁。希望就在伸手可及之處,卻似乎總是差那麼一點點。「此路不通」的想法開始瀰漫開來。

在眾人束手無策之際,當時默默無聞的張益唐向《數學年刊》提交了一份論文。

梅花香自苦寒來

張益唐 | 新罕布夏大學

一份三十公分的義大利麵包,縱向剖開,抹上金槍魚泥,放上四片奶酪,放到烤爐烤一分鐘,撒上生菜,鋪上酸黃瓜和番茄,包起來,切成兩半,就是又一個三明治。

這也是張益唐曾經蹉跎的歲月。

在博士畢業後,因為種種原因,雖有真才實學,但張益唐未能在學術界找到一份工作。為了生活,他不得不打工維持生計。即使在他的同學幫助他,找到新罕布夏大學的一份代課講師工作後,即使在轉正成為一名大受學生好評的講師後,正式而言他仍不是一名研究人員。

時運不齊,命途多舛;馮唐易老,李廣難封。

但數學無需官方認可,研究也不需要正式的職位。張益唐受過正式的數學研究訓練,有紮實的功底,有充分的能力,知道怎麼去做研究,心裡也時刻揣著數學。即使沒有正式的職位,他骨子裡仍然是一位研究數學的學者。

而他心裡裝著的,正是素數的分布問題,特別是孿生素數。即使沒有正式的研究職位,他仍然做著一名研究者會做的事。他緊跟當前解析數論學界的發展,閱讀了J. Friedlander和H. Iwaniec在篩法上的突破性工作,閱讀了Goldston,Pintz和Yildirim關於素數間隔的工作,還有很多不同的新工作。他思考著新的方法,嘗試沿著前人的路徑走下去,相信能用新的技巧,把道路走通,證明有無窮對相差不遠的素數。

但這談何容易!即使從Goldston等人強有力的方法出發,要得到想要的結果,也難倒了眾多學者。張益唐花了三年時間,不斷嘗試新的方法,屢戰屢敗,屢敗屢戰。數學研究,莫不如是。

終於,在2012年6月,他到朋友家作客時,靈光一閃,找到了開啟關鍵的鑰匙。

要說起來,張益唐的方法並非那種橫空出世的新構想,而是利用現有的工具,用新的策略將它們組合起來,再加上一點點新的思想。Goldston等人所用的篩法相對精細,但卻稍欠迴旋餘地,而張益唐稍稍放鬆了這個篩法,雖然能作出的估計稍欠精細,卻換來了更大的遊刃之餘,得以對篩法中誤差與精細的天平作出更精巧的調整,結合一些新的結果,特別是Iwaniec等人的工作,反而能獲得更好的估計。箇中精彩之處,恕筆者學識淺薄,難以一一盡述。

用他的新篩法,張益唐證明了,有無窮對素數,它們相差不過七千萬。他將他的新方法與新結論,用簡潔明了的語言,寫成了一篇論文,投稿到數學界的頂級期刊《數學年刊》。

這篇論文名為Bounded gaps between primes(《素數間的有界間隔》)。

收到這篇論文的編輯想必十分意外。在一所不起眼的大學做著講師的工作,在數學的研究共同體中也不活躍,之前一篇論文還是十多年前發表的,這樣的一位默默無聞的數學家,突然聲稱自己解決了一個困擾眾多學者幾十年的問題,引起的第一反應自然是懷疑。但畢竟,數學證明就是他學識的證明,他的論文寫得如此清楚明白,而所用的方法又是如此合情合理,這衝破了原有的一點點懷疑。編輯認為,張益唐的結論很可能是對的,而他的方法對於解析數論而言,也可能是個重要的進步。

因為很多數學證明都相當艱深晦澀,即使是同一個領域的專家,有時也要花上一大段時間來咀嚼揣摩,才能斷定證明是否無誤。所以,數學論文的審稿時間通常不短,少則數月,多則數年,期間匿名審稿人通常需要通過編輯與作者多次通信,才能決定一篇論文的命運。而張益唐的論文是如此激動人心,編輯認為他們等不起如此漫長的時間,於是對他的論文進行了「特殊對待」。他們請了篩法方面的大家Iwaniec教授與另一位匿名審稿人(可能是Goldston)來審核這篇論文,很快就有了回音。

兩位審稿人都認為這篇文章沒有明顯的錯誤。實際上,評審報告中寫著這樣的評價:「論文的主要結果是第一流的」,「在素數分布領域的一個標誌性的定理」。從論文寄出到審稿結束,僅僅花了三個星期的時間。

自此,消息不脛而走。在哈佛大學的丘成桐教授,知悉這個消息之後,很快邀請了張益唐來哈佛做關於他的工作的學術報告。消息很快在數學界與新聞界傳開,張益唐幾乎是一夜之間,從默默無聞變成舉世知名。據說,他的妻子聽說有記者要採訪時,跟張益唐講的第一件事,就是把髮型整理一下。

作為勵志故事,這個結尾再好不過了。

路漫漫其修遠兮

當然,故事仍未結束。

在數學界中,對於久攻不下的問題,一旦有人打破一個缺口,其他人很快就會跟進,把缺口弄得更大。張益唐的結果也不例外。

在張益唐的論文中,他給出的結果是,存在無數對相鄰素數,它們的差相差不過7000萬。但這只是一個估計,並非張益唐的方法能得到的最好結果。在論文出爐後,一些數學家吃透了新方法,開始試著改進這個常數。

張益唐的論文在5月14號面世,兩個星期後的5月28號,這個常數下降到了6000萬。

僅僅過了兩天的5月31號,下降到了4200萬。

又過了三天的6月2號,則是1300萬。

次日,500萬。

6月5號,40萬,連原來的百分之一都不到。

在筆者寫下這行的今天,剩下的只有區區的25萬。

這些結果,可以說是網際網路的結晶。這樣快的改進速度,對於僅僅依靠一年發行數次的期刊做研究的時代,完全是不可想像的。而在今天,數學家們在網上,你一言我一語,不停發布最新的思考和計算,以最高的速度,匯聚所有人的智慧,才能創造出如此奇觀。

張益唐帶來的影響不止於此。利用他的新方法,可以解決更多的問題。Pintz指出,從張益唐的工具出發,可以得知存在一個常數C,使得對於每C個連續偶數,都存在無窮對相鄰的素數,它們的差是這些偶數之一。也就是說,Polignac的猜想,起碼對於1/C的偶數來說是正確的。所以,不僅素數本身難以捉摸,它們之間的差更是劇烈起伏不定。

實際上,大數學家Erd s在1955年就猜測,相鄰兩對素數差的比值,可以要多大有多大,要多小有多小。而同樣藉助張益唐的工具,Pintz不僅證明了這個猜想,而且證明了比值之差以不低的速度趨向於兩極分化。用他本人的話來說:在剛剛過去的幾個月裡,一系列十年前會被認為是科幻小說的定理都被證明了。

但孿生素數猜想本身又如何呢?我們知道,如果將張益唐論文中的常數從7000萬改進到2,就相當於證明孿生素數猜想。既然現在數學家們將常數改進得如此的快,那麼我們是否已經很接近最終的目標呢?

很遺憾,實際上還差很遠。

張益唐的方法,本質上還是篩法,而篩法的一大問題,是所謂的「奇偶性問題」。簡單來說,如果一個集合中所有數都只有奇數個素因子,那麼用傳統的篩法無法有效估計這個集合至少有多少元素。而素數組成的集合,恰好屬於這種類型。

正因如此,當陳景潤做出哥德巴赫猜想的突破性結果(1 + 2)時,他得到的評價是「榨乾了篩法的最後一滴油」。因為如果只靠篩法,是無法證明哥德巴赫猜想的。(1 + 2)是篩法所能做到的最好結果。

但數學家們從不固步自封。要想打破「奇偶性問題」的詛咒,可以將合適的新手段引入傳統篩法,籍此補上篩法的缺陷。張益唐的出發點——之前提到Goldston,Pintz和Yildirim的結果——正是這種新思路的成果。但對於孿生素數猜想而言,這些進展仍然遠遠不夠。學界認為,雖然不能斷定張益唐的方法,即使經過改進,是否仍然不能解決孿生素數猜想,但可能性似乎微乎其微。

但不能低估人類的才智。發明割圓術的劉徽,他對於無知的態度更適合我們:

敢不闕疑,以俟能言者!

參考資料:

Bounded gaps between primes, Yitang Zhang, Annals of Mathematics

Open question: The parity problem in sieve theory, Terence Tao, http://terrytao.wordpress.com/2007/06/05/open-question-the-parity-problem-in-sieve-theory/

Are there infinitely many twin primes?, D. A. Goldston, http://www.math.sjsu.edu/~goldston/twinprimes.pdf

關於相鄰素數之差的筆記(張益唐及其他), 木遙, http://imaginary.farmostwood.net/592.html

Polymath上常數改進的頁面:http://michaelnielsen.org/polymath1/index.php?title=Bounded_gaps_between_primes

張益唐和北大數學78級, 湯濤, 數學文化, http://www.global-sci.org/mc/readabs.php?vol=4&no=2&page=3

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    判定一個數是否為素數的方法是,用傳入的整數 n 除從2到n-1之間的每一個整數,如果存在某個可以整除的數,則其不是素數,如果沒有任何除1和其本身以外的因子,則其是素數。m = int(input()) for num in range(m): if isPrime(num): print(num,end = ' ')     我們知道一個數若可以進行因數分解,那麼分解時得到的兩個數一定是一個小於等於sqrt(n),一個大於等於sqrt(n),所以對於每個數n,並不需要從
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    素數簡介根據算術基本定理,每一個比1大的整數,要麼本身是一個素數,要麼可以寫成一系列素數的乘積;而且如果不考慮這些素數在乘積中的順序,那麼寫出來的形式是唯一的,最小的素數是2。(1)素數p的約數只有兩個:1和p。(2)初等數學基本定理:任一大於1的自然數,要麼本身是素數,要麼可以分解為幾個素數之積,且這種分解是唯一的。
  • 素數的判斷
    對於每個數n,其實並不需要從2判斷到n-1我們知道,一個數若可以進行因數分解,那麼分解時得到的兩個數,一定是一個小於等於sqrt(n)和一個大於等於sqrt(n)據此,上述代碼中並不需要遍歷到n-1,遍歷到sqrt(n)即可,因為若sqrt(n)左側找不到約數,那麼右側也一定找不到約數12
  • 孿生素數猜想——是否存在無窮多個素數p使得p + 2是素數?
    孿生素數猜想指出:孿生素數有無窮多個孿生素數是一個與另一個素數相差2的素數。一組相差2的兩個素數稱為孿生素數對。起源雖然歐幾裡得公元前300年證明有無窮多個素數,是否有無限多的孿生素數直到1849年才被證明,法國數學家波林那克(1826 - 1863)猜想每一個自然數k,存在無窮多的素數p,使得p + 2k也是素數。孿生素數猜想是k=1的特殊情況。
  • 素數是什麼,有哪些和素數有關的數學猜想還未得到解決?
    素數是所有數字的基礎,就如元素周期表中的化學元素一樣,化學元素是組成所有化學物質的基礎,素數包含了數的所有奧秘,所以數學研究者對素數有著特殊的喜愛。證明思路:假設存在最大的素數P,那麼將已知所有的素數相乘再加1,得到M:M=2×3×5×7×11×……×P+1,顯然M不可能被已知的任何一個素數整除,所以M有可能是素數,或者存在比P更大但是比M小的素數因子;無論哪種情況,都說明存在比P更大的素數,與假設矛盾,所以素數是無限的。
  • 美妙絕倫的素數
    二、素數的未解之謎1)孿生素數猜想孿生素數就是指相差2的素數對,例如3和5,5和7,11和13…。這個猜想由希爾伯特在1900年國際數學家大會的報告上第8個問題中正式提出,可以這樣描述:存在無窮多個素數p,使得p+2是素數。
  • 求素數——枚舉、篩法、六素數法
    【孿生素數】在寫最後一種方法之前,先給大家介紹一下孿生素數(間隔為2的相鄰素數)推論:當n>=6時,n-1和n+1為孿生素數,那麼n一定為證明如下:n-1與n+1是素數,也即n−1和n+1是奇數∴n是偶數,n是2的倍數。設n不是3的倍數,即n=3k+1或n=3k+2。(i)當n=3k+1時,那麼n−1=3k,已經與n−1是素數矛盾。(ii)當n=3k+2時,那麼n+1=3(k+1),已經與n+1是素數矛盾。綜上所述,n是3的倍數。
  • 素數判斷算法
    對於每個數n,其實並不需要從2判斷到n-1我們知道,一個數若可以進行因數分解,那麼分解時得到的兩個數,一定是一個小於等於sqrt(n)和一個大於等於sqrt(n)據此,上述代碼中並不需要遍歷到n-1,遍歷到sqrt(n)即可,因為若sqrt(n)左側找不到約數,那麼右側也一定找不到約數121×12=122×6=123×4=124×3
  • 素數大概有多少個?15歲的高斯翻過素數表之後給出了答案
    當然,高斯這位大神也對素數極度痴迷,從他十幾歲開始就研究,並且得出了重大的成果。然而,素數這個問題卻不是你研究時間長,研究人員多,就一定可以出成績的,這個跟現在的科研有著顯著不同。數學的發展史就是一部氣勢磅礴的素數研究史,但是深究下去,你更加會發現,很多素數的簡單到孩童都理解的問題都一直沒有突破。
  • 張益唐與孿生素數
    這位年近六旬,在一所不太知名的大學中擔任臨時講師的人,這位幾乎沒有發表過專業論文的人,竟然成為破解數學領域最著名猜想之一「孿生素數猜想」的關鍵人物。 所謂「素數」,又稱「質數」,是指只能被1和它本身整除的數字,例如:2、3、5、7等等。但隨著數字增大,素數在數軸上的分布越來越稀疏。想像一條數軸,普通數字是綠色的,素數是紅色的。
  • 不可思議的素數(上)
    證明2、3、7 是素數後,在將這三項相乘後加1,得到的數除以上述三項中的任何一個數都會餘1。2 × 3 × 7 × 43 + 1 = 1807這個數除以2、3、7、43 其中的任何一個數都會餘1。然而,1807 並不是素數。其實,1807 = 13 × 139 可以用2 個質素即13 和39 的乘積表示。
  • 質數的孤獨
    《質數的孤獨》護封設計的圖形是一片紫黑色的樹葉,但很明顯,中間的主葉脈把樹葉分成兩部分,每一部分是一個人的側面頭像。你分得出兩個側面頭像,哪邊是女人哪邊是男人嗎?被分隔開的一男一女卻又同處一片樹葉,一起飄向遠方。我有些想到了亞當和夏娃。
  • 神奇的梅森素數
    前不久,美國電氣工程師及數學愛好者喬納森·佩克通過一個名為「網際網路梅森素數大搜索(GIMPS)」的國際合作項目,發現了人類已知的最大素數2"77232917-1。這是第50個被發現的梅森素數,共有23249425位數。假設我們每秒鐘寫一個數字的話,要連續寫近200個晝夜才能寫完。
  • 數學家為何對素數著迷,素數規律如何關係著人類的信息安全?
    歐幾裡德在兩千多年前,就證明了質數是無限的,此後的數學家一直在研究素數規律,以至於許許多多的猜想都和素數有關,比如:哥德巴赫猜想、孿生素數猜想、梅森素數猜想、ABC猜想、黎曼猜想等等。那麼,為什麼素數會如此特別呢?
  • 張益唐:通過素數證明升起的另類明星
    儘管張益唐當時還沒有接觸到有著數百年歷史的孿生素數猜想,但他已經對素數產生了興趣。素數通常被描述為構成其他所有自然數的不可再分的「原子」。但不久後,「文化大革命」開始了,張益唐和母親也被下放到農村下地幹活。由於他父親被錯誤地打成「特務分子」,張益唐也無法上中學。他做了 10 年的工人,在此期間,他儘可能地閱讀有關數學、歷史和其他學科的書籍。
  • 黎曼,他對素數有著迷人的依戀
    ,黎曼又做了一次題為《論小於一個給定值的素數個數》的重要報告。黎曼之所以用那個題目,是因為高斯曾提出「小於某個給定值的素數個數」這一非常熱門的問題。假設不超過x的素數個數為π,高斯猜測π~x/lnx。這便是著名的素數定理。十九世紀的最後十年,素數定理忽然有了轉機。一八九〇年,法國科學院設立了大獎,授予「確定小於一個給定值的素數個數」的最佳論文。