美國數學教授發現已知的最大梅森素數

2020-12-17 快科技

據英國《新科學家》雜誌網站報導,美國中央密蘇裡大學數學教授柯蒂斯·庫珀(Curtis Cooper)領導的研究小組於1月25日發現了已知的最大梅森素數——2^57885161-1 (即2的57885161次方減1);該素數有17425170位,如果用普通字號將它連續列印下來,它的長度可超過65公裡!

素數又稱質數,是在大於1的整數中只能被1和其自身整除的數(如2、3、5、7、11等等)。2300年前,古希臘數學家歐幾裡德就已證明素數有無窮多個,並提出一些素數可寫成「2^P-1」(其中指數P也是素數)的形式。這種特殊形式的素數,具有獨特的性質和無窮的魅力,千百年來一直吸引著眾多的數學家(包括數學大師費馬、笛卡爾、萊布尼茲、哥德巴赫、歐拉、高斯、哈代、圖靈等)和無數業餘數學愛好者對它進行探究。其中17世紀法國數學家、法蘭西科學院奠基人馬林·梅森是其中成果較為卓著的一位,因此數學界將「2^P-1」型的素數稱為「梅森素數」。迄今為止,人們僅發現48個梅森素數。由於這種素數稀奇而迷人,故被人們稱為「數海明珠」。

梅森素數貌似簡單,但當指數P值較大時,其探究難度就會很大。例如:1772年,有「數學英雄」美名的瑞士數學大師歐拉在雙目失明的情況下,靠心算證明了2^31-1(即2147483647)是第8個梅森素數。這個具有10位的素數,堪稱當時世界上已知的最大素數。在「手算筆錄」的年代,人們僅找到12個梅森素數。而計算機的誕生和網格技術的出現,加速了梅森素數探究的進程。1996年初,美國數學家、程序設計師喬治·沃特曼編制了一個梅森素數計算程序,並把它放在網頁上供全球數學家和業餘數學愛好者免費使用。它就是舉世聞名的GIMPS項目。

為了激勵人們尋找梅森素數和促進網格技術發展,總部設在美國的電子新領域基金會(EFF)於1999年設立了專項獎金懸賞參與GIMPS項目的梅森素數發現者。它規定向第一個找到超過100萬位數的個人或機構頒發5萬美元。後面的獎金依次為:超過1000萬位數,10萬美元;超過1億位數,15萬美元;超過10億位數,25萬美元。不過,絕大多數人參與該項目並不是為了金錢,而是出於好奇心、求知慾和榮譽感。

迄今為止,人們通過GIMPS項目找到了14個梅森素數,其發現者來自美國、英國、法國、德國、挪威和加拿大。而庫珀領導的研究小組通過該項目已發現3個梅森素數,為中央密蘇裡大學爭得了榮譽。目前,世界上有180多個國家和地區近27萬人參加這一國際合作項目,並動用超過73萬臺計算機聯網來尋找新的梅森素數。

值得一提的是,人們在尋找梅森素數的同時,對其重要性質——分布規律的研究也一直在進行著。英、法、德、美等國的數學家都曾分別給出過有關梅森素數分布的猜測,但都以近似表達式給出,與實際情況的接近程度均難如人意。中國數學家、語言學家周海中是這方面研究的領先者,他於1992年首次給出了梅森素數分布的精確表達式。這一成果後來被國際上命名為「周氏猜測」。

梅森素數在當代具有重大的理論意義和實用價值。它是發現已知最大素數的最有效途徑,其探究推動了「數學皇后」——數論的研究,促進了計算技術、密碼技術、網格技術、程序設計技術的發展。另外,梅森素數常用來測試計算機硬體運算是否正確。由於梅森素數的探究需要多種學科和技術的支持,所以許多科學家認為,梅森素數的研究成果,在一定程度上反映了一個國家的科技水平。英國頂尖科學家馬科斯·索託伊甚至認為梅森素數的研究進展標誌著科學發展的裡程碑。

(文章來源:騰訊科學)

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