數學家研究的素數對人類生活有什麼用?

2020-12-03 科羅萬象

素數也叫質數,大家在小學時就學過,就是只能被1和它本身整除的數,例如2,3,5,7,11,13,17,19,23等。這原本是一個非常簡單的概念,但許多數學家卻對素數情有獨鍾,廢寢忘食地研究這些素數之間的規律和最大素數。

目前已知最大的素數是(2的82589933次)-1,這個數字的位數將近2500萬位,在2018年由派屈克·拉羅什發現;日本的一家出版社為了紀念此前,2017年時發現的最大素數,還出版了一本書,名字就叫最大的素數,全書的內容就是一串數字,4天時間賣到脫銷;美國也曾有科研機構懸賞10萬美元,尋求更大的素數。

很多讀者有疑惑:純粹研究這些數字既不能讓百姓吃飽飯,對我們生活也沒影響,並且歐幾裡得在他的《幾何原本》中也證明,素數是無限多的,那研究素數有什麼意義呢?

素數與信息安全

素數最主要的應用在密碼學-RSA加密,它在網絡安全領域中相當重要,利用素數對信息進行加密可以保護國家情報和戰時的軍事機密,使安全性大大提高。

舉個例子,數字60我們可以將它分解成2×30,而30又可以分解成2×3×5,也就是說數字60可以由2,3,5這幾個素數構成,這幾個數字是不能繼續分解的,整個過程被稱為60的質因數分解。根據這個道理,如果將幾個極大的素數a,b,c相乘,得到數字A。對於一個不知道任何信息的外部人員來說,想要對A質因數分解是相當困難的,重點是數學界也沒有找到對極大數的快速質因數分解的算法。所以在戰爭時期,重要信息加入大量素數進行加密,哪怕被敵方截獲也無法破解獲得真實情報。

對於素數的獲取,數學家考慮從毫無規律的圓周率中尋找,生成拼接素數,產生真正完全的隨機數字。這比電腦產生的隨機數字都安全,畢竟電腦也是由程序設計出來的,產生的隨機數其實並非真正的隨機數。

看似與我們生活毫不相關的素數,其實時刻都在保護國家安全。

素數與機械工業

素數之間的分布規律也有其它用處,例如機械齒輪的齒數,一大一小兩個齒輪之間的設計和素數有很大關係。大小齒輪的齒數都是素數,可以增加兩齒輪內兩個相同的齒相遇次數的最小公倍數,說的簡單一些就是能使磨損更均勻一些,可以增加耐用度減少機械故障,汽車齒輪的齒數就是按照這個規律設計的,這和人類生活緊密相關。

素數與生物

從實踐中發現,農藥的使用周期以素數次數的使用最為合理。這考慮了害蟲體內產生的抗藥性、害蟲的繁殖周期、噴灑農藥後害蟲對農作物的損害情況等綜合考慮的結果。

科學家還發現許多物種的生命周期和素數有一定關係,如果某地需要引進新物種,就必須降低此物種和天敵相遇的機率,就需要提前通過生命周期和素數的關係進行演算。

相關焦點

  • 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?
  • 數學家梅森與素數
    他捍衛笛卡兒的哲學思想,反對來自教會的批評;也翻譯過伽裡略的一些著作,並捍衛了他的理論;他曾建議用單擺來作為時計以測量物體沿斜面滾下所需時間,從而使惠更斯發明了鐘擺式時鐘。梅森對科學所作的主要貢獻是他起了一個極不平常的思想通道作用。17世紀時,科學刊物和國際會議等還遠遠沒有出現,甚至連科學研究機構都沒有創立,交往廣泛、熱情誠摯和德高望重的梅森就成了歐洲科學家之間的聯繫的橋梁。
  • 華人數學家再取得素數研究突破 陶哲軒等人證明愛多士關於素數間隔...
    素數可以說是數論中最基礎,也是最重要的概念,指的是一個大於2的正整數,除了1和它本身之外,不是任何數的倍數。就在去年,華人數學家張益唐在孿生素數研究方面取得了突破性進展,而據新浪科技24日報導,包括加州大學洛杉磯分校的天才華裔數學家陶哲軒在內的研究小組目前正取得素數間隔問題的研究突破,這將最終影響加密算法的研究,對信息安全領域有巨大貢獻。
  • 華人數學家張益唐證明「弱孿生素數猜想」
    公元前300多年,古希臘數學家歐幾裡得在其經典著作《幾何原本》中用反證法證明了素數有無窮多個。圍繞素數存在很多的數學問題,較為著名的有梅森素數、費馬素數、孿生素數等,它們吸引著眾多的數學家孜孜以求地鑽研;其中孿生素數(也稱雙生素數)是指一對素數,它們之間相差2,如3和5、5和7、11和13、17和19等等都是孿生素數。
  • 數學家們操碎了心的孿生素數猜想,有了新突破
    1849年,法國數學家波林那克(Alphonse de Polignac)提出孿生素數猜想。在接下來的160年裡,數學家在這一方面幾乎沒能取得任何進展。但在過去十年間,數學家取得了突飛猛進的進展。比如既然證明有無窮多個差值為2的素數如此困難,那麼是否可以證明差值為7000萬的素數有無窮多個?2013年,數學家張益唐完美地證明了這一點。
  • 素數的魅力使得數千年來數學家們前赴後繼地投身於對它研究中
    素數,可以說是數學領域中最龐大、最古老的數據集,數學家們歷經2300年的努力一直在不斷探索它的奧秘。作為一名致力於「朗蘭茲綱領」研究的數學家,我對素數的研究歷史以及揭示素數奧秘的研究進展有著濃厚的興趣。那麼是什麼吸引無數傑出的數學家,數千年來前赴後繼地投身於素數研究中?
  • 數學家新發現:素數的分布有規律可循
    數學家新發現:素數的分布有規律可循 澎湃新聞記者 羅昕 編譯 2016-03-22 10:27 來源:澎湃新聞
  • 孿生素數猜想要證明什麼?華裔數學家張益唐成功解決,名揚數學界
    哥德巴赫猜想和黎曼猜想,還有勒讓德猜想,和素數都有關係。孿生素數猜想是個特例,它針對的是特定的兩個素數。數學家對素數是否有無限個展開了討論,即使是數學成績一般的人也知道,素數的定義就決定了它的個數是無限的。
  • 美數學家通過GIMPS項目找到已知最大素數
    據外媒報導,美國密蘇裡中央大學數學家柯蒂斯·庫珀(Curtis Cooper)通過「網際網路梅森素數大搜索」(GIMPS)項目,於1月7日找到了目前人類已知的最大素數2^74207281-1;該素數有22338618位,是第49個梅森素數。這一重大發現為GIMPS項目誕生20周年獻了厚禮。
  • 素數是什麼,有哪些和素數有關的數學猜想還未得到解決?
    最初研究素數的是古希臘數學家歐幾裡得(約公元前330年—前275年),他在《幾何原本》中用反證法,對「素數有無窮多個」給出了一個經典的證明方法。素數是構成整數的基礎,所有整數都可以用素數來表示,如下:所以素數包含了所有整數的奧秘,整數分解就是破解整數奧秘的途徑之一,因為整數分解後只剩下素數因子。
  • 數學家張益唐破譯「孿生素數猜想」
    在接受中國青年報記者採訪時,沈捷回憶說,此前一天,他和夫人就張益唐在孿生素數方面取得的突破向他發去郵件道賀。  5月14日,《自然》(Nature)雜誌在線報導張益唐證明了「存在無窮多個之差小於7000萬的素數對」,這一研究隨即被認為在孿生素數猜想這一終極數論問題上取得了重大突破,甚至有人認為其對學界的影響將超過陳景潤的「1+2」證明。
  • 「難找」的梅森素數
    2005年12月15日,美國數學家柯蒂斯·庫珀等人通過GIMPS找到了第43個梅森素數。一、什麼是梅森素數先說什麼是「素數」:「素數」,又稱「質數」,是指除1和其自身之外,沒有其它約數的正整數。質數有無數多個。與之相對的是「合數」,即除1和其自身之外,仍有其它約數的正整數。再說什麼是「梅森數」「梅森數」又稱「麥森數」,是指形如2p-1的正整數,其中指數p是素數。由於梅森學識淵博、才華橫溢、為人熱情以及最早系統而深入地研究2p-1型的數,為了紀念他,數學界就把這種數稱為「梅森數」,並以Mp記之。特別的,如果梅森數是素數,就稱為「梅森素數」。
  • 隱沒多年,華裔數學家完成「孿生素數猜想」
    張益唐1955年出生於上海,父母在北京工作,13歲前與外婆在上海生活。1978年,張益唐考入北大數學系,本科四年接受系統嚴格的數學訓練,1982年本科畢業後師從著名數論專家潘承彪教授攻讀碩士學位,進一步打下了非常紮實的數論基礎。
  • 北大畢業華人數學家張益唐取得重大成就 孿生素數猜想或有突破
    任教美國無名大學,還是個「臨時工」張益唐關於孿生素數猜想的研究論文,目前已經被國際頂級數學期刊《數學年刊》(Annals of Mathematics)接收。《數學年刊》是世界最權威的數學雜誌,一般只有頂尖數學家的文章才能被收錄。
  • 數學家發現「孿生素數」猜想的證據,但可能在另外一個宇宙中!
    不過,數學家們現在可能比以往任何時候都更親密,在發表在《arXiv》上的一篇論文中,正如《量子》最先報導的那樣,兩位數學家證明了孿生素數猜想是正確的,至少在某種其他宇宙中是這樣。這就是數學家所做的研究:通過沿線證明較小的想法來向大證明努力;有時,從較小的證明中學到的知識,可以幫助較大的證明。
  • 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
    比如,是否存在無窮多組間隔為2的素數對,任意一個大偶數都是兩個素數的和。。。高斯在1792年研究過一個關於素數的重大問題。一個自然數N以內的素數到底有多少個?這是一個相對來說弱化了的問題,比起那些一個勁就要找到素數公式的方向顯然要柔和得多,正是因為這個問題不是那麼強勁,所以這個問題的研究才有可能得到了充分的成果。
  • 傳奇華人數學家張益唐在華羅庚講座講述孿生素數猜想
    類似的情況也曾在2013年5月13日發生,張益唐在美國哈佛大學的講臺上介紹了他的孿生素數猜想研究進展,同樣座無虛席,連過道上都站滿了人。  身著白襯衣、深色西褲,帶黑框眼鏡,儒雅的張益唐8:45出現在會場。這位傳奇的數學家的到來,引起了人們熱烈的掌聲,人們對他的報告充滿期待。
  • 最大素數有用嗎? 安全上網就靠它
    最大素數有用嗎?安全上網就靠它  本報記者高博  目前最大的素數找到啦:277232917-1。它也是人類發現的第50個梅森素數。這是1月初網際網路梅森素數大搜索(GIMPS)項目宣布的。  網購刷卡,先準備兩個大素數    「大素數的應用,主要是網絡密碼。」中科院數學與系統科學院研究員賈朝華說,上網都要用大素數為基礎的RSA等密碼算法。  RSA利用素數,創建「內外有別的密碼本」。好比你發電報,用電報局的公開密碼本A,翻譯內容並發送,接受者則用私有的B密碼本解密。
  • 最大素數有用嗎?安全上網就靠它
    目前最大的素數找到啦:277232917-1。它也是人類發現的第50個梅森素數。這是1月初網際網路梅森素數大搜索(GIMPS)項目宣布的。  網購刷卡,先準備兩個大素數  「大素數的應用,主要是網絡密碼。」
  • 孿生素數猜想,張益唐究竟做了一個什麼研究?
    (文/王若度)最近,《自然》雜誌的網站上刊登了一篇文章,在華人數學愛好者和學者之間產生了轟動。該文章的標題是《第一個無窮組素數成對出現的證明》。「孿生素數猜想」是什麼?這篇文章為何會引起轟動呢?這要從「孿生素數猜想」說起。眾所周知,素數是只含有兩個因子的自然數(即只能被自身和1整除)。而「孿生素數」是指兩個相差為2的素數,例如3和5,17和19等。