這個100 千米長的「梅森素數」有什麼意義?--中國數字科技館

2020-11-23 中國科學技術館


2016 1 7 日,美國密蘇裡中央大學數學家柯蒂斯·庫 珀(Curtis Cooper)通過參與一個名為網際網路梅森素數 大搜索GIMPS)的項目,找到了目前已知的最大素數 2^74207281-1。該素數是第 49 個梅森素數,長達 22 338 618 位;如果用普通字號將它連續列印下來,其長度可達 100 千米!美國《紐約時報》、英國廣播公司(BBC)等國際主流 媒體都對這一科學成就作了報導,並給予了高度評價。

 

法國數學家馬林·梅森

17 世 紀的 法 國 數學家、法蘭西科學 院的奠基人馬林·梅 森(Marin Mersenne)對「2^P-1」型的素數進 行過較為系統且深入的探究。為了紀念他,數學 界就將這種素數稱為梅森素數Mersenne Prime)。迄今為止,人們僅發現 49 個梅森素數。 這種素數稀奇而迷人,故被人們稱為數海明珠。 尤其近百年來,人們發現的超大素數幾乎都是梅森素數。

 梅森素數貌似簡單,但當指數 P 值較大時, 其素性檢驗的難度就會很大。法國數學家愛德華·盧卡斯( douard Lucas)和美國數學家德 裡克·萊默(DerrickLehmer)在這方面作出了 重要貢獻;以他們的姓氏命名的盧卡斯 - 萊默 檢驗法是目前已知的檢驗梅森素數素性的最佳方法。另外,從已發現的梅森素數來看,它們在正整數中的分布時疏時密、極不規則;因此,探梅森素數的重要性質——分布規律似乎比尋找 新 的梅森素數更為困難。中國數學家、語言學家周 海中在這方面取得了重大突破,以他的姓氏命 名 的周氏猜測敘述了梅森素數的分布狀況,並給出了精確表達式。

 梅森素數的探究不僅需要高深的理論和純熟的技巧,還需要進行艱苦的計算。而計算機的出 現 ,尤其是網際網路的應用給人們尋找梅森素數提供了極大的便利,已成為不可或缺的有效工具。 1 996 年初,美國數學家和計算機專家喬治·沃 特 曼(George oltman)編寫了一個尋找梅森素數的計算程序,並把它放在網上供數學家和業 餘數學愛好者免費使用,這就是舉世聞名的 G IMPS 項目,也是全世界第一個基於網際網路的 分 布式計算項目。人們只要從該項目下載開放源代 碼的 Prime95 MPrime 軟體,就可以馬上尋找 梅森素數了。

為了激勵人們尋找梅森素數和促進分布式計 算 技術發展,總部設在美國的電子前沿基金會 EFF)於 1999 3 月向全世界宣布了為通過 G IMPS 項目來尋找梅森素數而設立的協同計 算 獎。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 1 00 萬位數,10 萬美元;超過1 億位數, 1 5 萬 美元;超過 10 億位數,25 萬美元。其實, 絕大多數研究者參與該項目不是為了金錢而是出 於 好奇心、求知慾和榮譽感。 2 008 8 23 日,美國 加 州 大 學 洛 杉 磯 分校的計算機專家埃德森·史密斯(Edson mith)首先發現超過 1 00 萬位的梅森素數—— ^43112609-1,該數有 12 78 89 位;他也因 此 獲得了 E FF 頒出的 10 萬美元大獎。這一重大 成 就,被著名的《時代》周刊評為「2008 年度 5 0 項最佳發明之一。不過,史密斯是私自利用學校的7 5 臺計算機參加 GIMPS 項目的;本來 這 種行為應該被處罰,但鑑於他為學校爭了光,還 是受到了校方的表彰。

 目前,全球已經有 19 個國家和地區、60 多萬人使用超過 1 30 萬個中央處理器(CPU)參 與 G IMPS 項目。迄今為止,人們通過該項目已 經 找到 1 5 個梅森素數,其發現者來自美國(9 個)、 德 國(2 個)、英國(1 個)、法國(1 個)、 挪 威(1 個)和加拿大(1個)。順帶一提,美 國 數學家喬丹·埃倫伯格(Jordan llenberg) 認 為,發現一個梅森素數就像是在乾草堆裡找 一 根針那樣困難。這項發現在計算機工程領域的 價 值要遠大於數學領域的價值。 梅 森素數在當代具有重大意義和實用價值。 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、程序設計技術和計算機檢測技術 的發展。難怪許多科學家認為,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 。英國數學協會主席馬科斯·索託伊(Marcus autoy)甚至認為,它的探究進展不但是人類智 力 發展在數學上的一種標誌,也是整個科技發展的裡程碑之一。

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