Как определить что число простое формула

Простые и составные числа, определения, примеры, таблица простых чисел, решето Эратосфена

В статье рассматриваются понятия простых и составных чисел. Даются определения таких чисел с примерами. Приводим доказательство того, что количество простых чисел неограниченно и произведем запись в таблицу простых чисел при помощи метода Эратосфена. Будут приведены доказательства того, является ли число простым или составным.

Простые и составные числа – определения и примеры

Простые и составные числа относят к целым положительным. Они обязательно должны быть больше единицы. Делители также подразделяют на простые и составные. Чтобы понимать понятие составных чисел, необходимо предварительно изучить понятия делителей и кратных.

Составными числами называют целые числа, которые больше единицы и имеют хотя бы три положительных делителя.

Единица не является ни простым ни составным числом. Она имеет только один положительный делитель, поэтому отличается от всех других положительных чисел. Все целые положительные числа называют натуральными, то есть используемые при счете.

Простые числа – это натуральные числа, имеющие только два положительных делителя.

Составное число – это натуральное число, имеющее более двух положительных делителей.

Натуральные числа, которые не являются простыми, называют составными.

Таблица простых чисел

Для того, чтобы было проще использовать простые числа, необходимо использовать таблицу:

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Рассмотрим теорему, которая объясняет последнее утверждение.

Наименьший положительный и отличный от 1 делитель натурального числа, большего единицы, является простым числом.

Простых чисел бесконечно много.

Видно, что может быть найдено любое простое число среди любого количества заданных простых чисел. Отсюда следует, что простых чисел бесконечно много.

Решето Эратосфена

Данный способ неудобный и долгий. Таблицу составить можно, но придется потратить большое количество времени. Необходимо использовать признаки делимости, которые ускорят процесс нахождения делителей.

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Перейдем к формулировке теоремы.

Данное число простое или составное?

Перед решением необходимо выяснять, является ли число простым или составным. Зачастую используются признаки делимости. Рассмотрим это на ниже приведенных примере.

Доказать что число 898989898989898989 является составным.

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Ответ: 11723 является составным числом.

Источник

Еще раз о поиске простых чисел

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формулаВ заметке обсуждаются алгоритмы решета для поиска простых чисел. Мы подробно рассмотрим классическое решето Эратосфена, особенности его реализации на популярных языках программирования, параллелизацию и оптимизацию, а затем опишем более современное и быстрое решето Аткина. Если материал о решете Эратосфена предназначен в первую очередь уберечь новичков от регулярного хождения по граблям, то алгоритм решета Аткина ранее на Хабрахабре не описывался.

На снимке — скульптура абстрактного экспрессиониста Марка Ди Суверо «Решето Эратосфена», установленная в кампусе Стэнфорского университета

Введение

Напомним, что число называется простым, если оно имеет ровно два различных делителя: единицу и самого себя. Числа, имеющие большее число делителей, называются составными. Таким образом, если мы умеем раскладывать числа на множители, то мы умеем и проверять числа на простоту. Например, как-то так:
(Здесь и далее, если не оговорено иное, приводится JavaScript-подобный псевдокод)
Время работы такого теста, очевидно, есть O(n ½ ), т. е. растет экспоненциально относительно битовой длины n. Этот тест называется проверкой перебором делителей.

Довольно неожиданно, что существует ряд способов проверить простоту числа, не находя его делителей. Если полиномиальный алгоритм разложения на множители пока остается недостижимой мечтой (на чем и основана стойкость шифрования RSA), то разработанный в 2004 году тест на простоту AKS [1] отрабатывает за полиномиальное время. С различными эффективными тестами на простоту можно ознакомиться по [2].

Если теперь нам нужно найти все простые на достаточно широком интервале, то первым побуждением, наверное, будет протестировать каждое число из интервала индивидуально. К счастью, если у нас достаточно памяти, можно использовать более быстрые (и простые) алгоритмы решета. В этой статье мы обсудим два из них: классическое решето Эратосфена, известное еще древним грекам, и решето Аткина, наиболее совершенный современный алгоритм этого семейства.

Решето Эратосфена

Древнегреческий математик Эратосфен предложил следующий алгоритм для нахождения всех простых, не превосходящих данного числа n. Возьмем массив S длины n и заполним его единицами (пометим как невычеркнутые). Теперь будем последовательно просматривать элементы S[k], начиная с k = 2. Если S[k] = 1, то заполним нулями (вычеркнем или высеем) все последующие ячейки, номера которых кратны k. В результате получим массив, в котором ячейки содержат 1 тогда и только тогда, когда номер ячейки — простое число.

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

Реализация примет следующий вид:

Эффективность решета Эратосфена вызвана крайней простотой внутреннего цикла: он не содержит условных переходов, а также «тяжелых» операций вроде деления и умножения.

Оценим сложность алгоритма. Первое вычеркивание требует n/2 действий, второе — n/3, третье — n/5 и т. д. По формуле Мертенса

Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула

так что для решета Эратосфена потребуется O(n log log n) операций. Потребление памяти же составит O(n).

Оптимизация и параллелизация

Первую оптимизацию решета предложил сам Эратосфен: раз из всех четных чисел простым является только 2, то давайте сэкономим половину памяти и времени и будем выписывать и высеивать только нечетные числа. Реализация такой модификации алгоритма потребует лишь косметических изменений (код).

Наращивая шаг прогрессии и количество решет (например, при шаге прогрессии 210 нам понадобится 48 решет, что сэкономит еще 4% ресурсов) параллельно росту n, удается увеличить скорость алгоритма в log log n раз.

Сегментация

Не надо делать ситечки слишком маленькими, меньше тех же O(n ½-ε ) элементов. Так вы ничего не выиграете в асимптотике потребления памяти, но из-за накладных расходов начнете все сильнее терять в производительности.

Решето Эратосфена и однострочники

На Хабрахабре ранее публиковалась большая подборка алгоритмов Эратосфена в одну строчку на разных языках программирования (однострочники №10). Интересно, что все они на самом деле решетом Эратосфена не являются и реализуют намного более медленные алгоритмы.

Дело в том, что фильтрация множества по условию (например, на Ruby) или использование генераторных списков aka list comprehensions (например, на Haskell) вызывают как раз то, избежать чего призван алгоритм решета, а именно поэлементную проверку делимости. В результате сложность алгоритма возрастает по крайней мере до Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула(это число фильтраций), умноженного на Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула(минимальное число элементов фильтруемого множества), где Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула— число простых, не превосходящих n, т. е. до O(n 3/2-ε ) действий.

Однострочник на Scala ближе к алгоритму Эратосфена тем, что избегает проверки на делимость. Однако сложность построения разности множеств пропорциональна размеру большего из них, так что в результате получаются те же O(n 3/2-ε ) операций.

Вообще решето Эратосфена тяжело эффективно реализовать в рамках функциональной парадигмы неизменяемых переменных. В случае, если функциональный язык (например, OСaml) позволяет, стоит нарушить нормы и завести изменяемый массив. В [3] обсуждается, как грамотно реализовать решето Эратосфена на Haskell при помощи техники ленивых вычеркиваний.

Решето Эратосфена и PHP

Запишем алгоритм Эратосфена на PHP. Получится примерно следующее:

Для решения этих проблем достаточно выбрать более подходящий тип данных — строку!

Теперь каждый элемент занимает ровно 1 байт, а время работы уменьшилось примерно втрое. Скрипт для измерения скорости.

Решето Аткина

В 1999 году Аткин и Бернштейн предложили новый метод высеивания составных чисел, получивший название решета Аткина. Он основан на следующей теореме.

Из элементарной теории чисел следует, что все простые, большие 3, имеют вид 12k+1 (случай 1), 12k+5 (снова 1), 12k+7 (случай 2) или 12k+11 (случай 3).

Для инициализации алгоритма заполним решето S нулями. Теперь для каждой пары (x, y), где Как определить что число простое формула. Смотреть фото Как определить что число простое формула. Смотреть картинку Как определить что число простое формула. Картинка про Как определить что число простое формула. Фото Как определить что число простое формула, инкрементируем значения в ячейках S[4x 2 +y 2 ], S[3x 2 +y 2 ], а также, если x > y, то и в S[3x 2 −y 2 ]. В конце вычислений номера ячеек вида 6k±1, содержащие нечетные числа, — это или простые, или делятся на квадраты простых.

В качестве заключительного этапа пройдемся по предположительно простым номерам последовательно и вычеркнем кратные их квадратам.

Из описания видно, что сложность решета Аткина пропорциональна n, а не n log log n как у алгоритма Эратосфена.

Авторская, оптимизированная реализация на Си представлена в виде primegen, упрощенная версия — в Википедии. На Хабрахабре публиковалось решето Аткина на C#.

Как и в решете Эратосфена, при помощи wheel factorization и сегментации, можно снизить асимптотическую сложность в log log n раз, а потребление памяти — до O(n ½+o(1) ).

О логарифме логарифма

На самом деле множитель log log n растет крайне. медленно. Например, log log 10 10000 ≈ 10. Поэтому с практической точки зрения его можно полагать константой, а сложность алгоритма Эратосфена — линейной. Если только поиск простых не является ключевой функцией в вашем проекте, можно использовать базовый вариант решета Эратосфена (разве что сэкономьте на четных числах) и не комплексовать по этому поводу. Однако при поиске простых на больших интервалах (от 2 32 ) игра стоит свеч, оптимизации и решето Аткина могут ощутимо повысить производительность.

P. S. В комментариях напомнили про решето Сундарама. К сожалению, оно является лишь математической диковинкой и всегда уступает либо решетам Эратосфена и Аткина, либо проверке перебором делителей.

Источник

Как определить что число простое формула

Простые числа разбросаны в натуральном ряду очень прихотливым образом, и не удивительно, что издревле математики стремились найти «формулу для простых чисел». Такими формулами можно называть формулы, обладающие разными свойствами, и здесь очень важно понять, что нам требуется на самом деле.

Самая простая формула для простых чисел выглядит, так:

Формулы, кажущиеся очень простыми, на деле могут оказаться не лучше Именно к таким примерам мы сейчас и переходим.

Теорема Е. М. Райта

В 1947 году В. X. Миллс опубликовал следующий результат:

Существует вещественное число λ такое, что при любом число

Впоследствии появился ещё ряд формул такого же типа. Однако все это были результаты, формулировка которых выглядит заманчивой и многообещающей, но доказательство разочаровывает. Тому, кто хочет понять, почему это так, мы предлагаем разобраться в доказательстве следующей теоремы Е. М. Райта:

где берётся n возведений в степень, через a обратную функцию,

Попробуем выбрать число μ так, чтобы при

Согласно определению целой части числа эквивалентно неравенству

Прологарифмировав его n раз по получим ещё одно двойное неравенство,

log 2 n q n ≤ μ 2 n ( q n + 1).(6)

Проверьте сами, что из (4) следует

Таким образом, последовательность

строго возрастает и ограничена сверху; следовательно, она имеет предел. мы и возьмём в качестве докажите, что так выбранное μ удовлетворяет даже более сильному, неравенству

log 2 n q n 2 n ( q n + 1),(7)

и, следовательно, равенство (5) справедливо. Теорема Райта доказана.

Основным недостатком формул (2) и (3) является то, что они (точнее, их доказательства) не дают никакого способа находить новые простые числа, ибо чтобы вычислить простое число по нужно числа знать с достаточной точностью. Таким образом, в некотором смысле являются всего лишь замаскированными (и ухудшенными) вариантами Кроме того, вид на самом деле почти ничего не говорит именно о множестве простых чисел. Из доказательства теоремы Райта видно, что формулы, аналогичные можно указать для любого «достаточно густого» множества.

Недостатки формул (2) и (3) порождены тем, что в них входят вещественные числа задаваемые неким косвенным образом. В дальнейшем мы будем рассматривать лишь формулы, в которые входят только целочисленные коэффициенты. Такие формулы обладают важным преимуществом: они могут быть (в принципе) выписаны явно.

Простые числа Мерсенна и Ферма

Формулы Миллса, Райта и другие подобные формулы остались изолированными фактами, не приведшими к новым результатам. Однако в других случаях возможность представить некоторые простые числа в том или ином специальном виде имеет неожиданные и глубокие следствия.

Рассмотрим сейчас две формулы, имеющие совсем простой вид:

p = 2 n – 1,(8)
p = 2 n + 1.(9)

Очевидно, что формула (8) не всегда даёт простые числа; например, если n — составное число, то p делится на и на Но и при получающееся по число может оказаться составным:

2 11 – 1 = 2047 = 23 · 89.

Простые числа, получающиеся по формуле (8), называются числами Мерсенна в честь Марена Мерсенна, который ещё в 1664 году указал все простые не превосходящие 257, для которых, по его мнению, даёт простые числа. Однако Мерсенн не дал доказательства; впоследствии выяснилось, что его предсказание было частично ошибочным.

Интерес к числам Мерсенна вызван их связью с так называемыми совершенными числами — числами, равными сумме всех своих делителей, отличных, конечно, от самого числа. Ещё Евклид доказал (докажите и вы), что если простое имеет вид, указанный в то число является совершенным. Например,

простые числа, и соответственно

6 =(3 · 4)/2 = 1 + 2 + 3,
28 =(7 · 8)/2 = 1 + 2 + 4 + 7 + 14

Скатерть Улама

Формулы (8) и (9) содержат возведение в степень. А нельзя ли для задания бесконечно многих простых чисел обойтись лишь сложением, вычитанием и умножением? Поищем ответ на этот вопрос.

Начнём с рассмотрения многочленов от одной переменной с натуральными коэффициентами; посмотрим, какие многочлены будут своими значениями иметь простые числа и в каком количестве.

Французский математик Лежандр (живший в XVIII веке) высказал гипотезу, что взаимно просты, то в арифметической прогрессии с первым и встречается бесконечно много простых чисел. Эта гипотеза была доказана лишь в немецким математиком Леженом Дирихле.

Перейдём теперь к квадратным многочленам. Среди них есть «рекордсмены», например, многочлен — его изучал ещё Леонард Эйлер. Этот многочлен принимает простые значения при При его значение — составное.

Доказано, что никакой многочлен (отличный, разумеется, от константы) не может иметь в качестве значений только простые числа, но до сих пор не известно, существует ли многочлен (кроме линейного), среди значений которого встречается бесконечно много простых чисел.

197196195194193192191190189188187186185184183
198145144143142141140139138137136135134133182
199146101100999897969594939291132181
20014710265646362616059585790131180
20114810366373635343332315689130179
20214910467381716151413305588129178
20315010568391854312295487128177
20415110669401961211285386127176
20515210770412078910275285126175
20615310871422122232425265184125174
20715410972434445464748495083124173
20815511073747576777879808182123172
209156111112113114115116117118119120121122171
210157158159160161162163164165166167168169170
211212213214215216217218219220221222223224225
Рис. 1.

Ещё более удивительным оказалось то, что закономерность эта наблюдалась и тогда, когда спираль была продолжена (с помощью компьютера) до больших чисел — на рис. 2 светлыми точками отмечены простые числа на спирали из первых 10 000 чисел. Узор, изображённый на рис. 2, получил название « скатерть Улама ».

Чтобы отмеченная закономерность проявилась, не обязательно начинать спираль с единицы. Например, значения многочлена выстраиваются по диагоналям у спирали, начинающейся с (рис. 3).

5756555453
5845444352
5946414251
6047484950
6162636465
Рис. 3.

Возможно, что читатели «Кванта», проявив изобретательность и должное терпение, смогут найти новые красивые «геометрические» закономерности расположения простых чисел среди множества всех чисел.

Феномен со стремлением простых чисел располагаться в цепочки вдоль диагоналей был обнаружен сравнительно недавно и ещё не получил математического объяснения.

О представлении простых чисел с помощью многочленов от многих переменных мы скажем в конце статьи.

Экспоненциальный многочлен

Экспоненциальные многочлены отличаются от обычных тем, что в них показателями степени могут быть не только конкретные натуральные числа, но и линейные многочлены от переменных с натуральными коэффициентами, то есть многочлены вида

Простейшими примерами экспоненциальных многочленов от являются правые части

В дальнейшем мы всегда будем предполагать, что все встречающиеся у нас переменные принимают целые положительные значения.

В 1952 году американский математик Джулия Робинсон 6 опубликовала следующий замечательный результат:

В результате получается такая «формула для простых чисел»:

Доказательство Джулии Робинсон совершенно элементарно. Ниже излагаются его основные идеи; доведение же доказательства до формальной строгости мы оставляем читателям: все промежуточные результаты сформулированы в виде пяти лемм, — и нужно доказать. Как мы увидим, из этих лемм следует не только существование экспоненциального но и его явный вид.

Что мы должны сделать?

Чтобы доказать теорему Джулии Робинсон, мы, очевидно, должны указать экспоненциальный такой, что разрешимо в натуральных числах относительно переменных тогда и только тогда, когда выполнено следующее условие:

Приведём ещё несколько примеров условий на набор переменных

Если мы потребуем, чтобы набор чисел (11) удовлетворял системе уравнений вида

Мы не станем точно определять, условия какого вида являются для нас допустимыми. Приведённое описание примеров условий достаточно для оправдания того способа действий, которым мы в дальнейшем будем пользоваться.

Примером эквивалентных условий относительно могут служить неравенство

Ясно, что каждое из этих условий имеет решение тогда и только тогда, когда принадлежит множеству чисел, не являющихся целыми степенями числа 2.

В этой терминологии наша цель формулируется так: найти экспоненциальный многочлен такой, что условие (10) эквивалентно условию (11) относительно параметра p.

Однако требование, чтобы параметр p стоял только в левой части является, как мы сейчас увидим, излишне жёстким.

эквивалентно условию (11).

Нам достаточно даже найти не уравнение, а хотя бы систему экспоненциально диофантовых уравнений

эквивалентную условию (11)

то система (14) эквивалентна уравнению (12).

Именно поиском системы экспоненциально диофантовых уравнений, эквивалентной мы и будем заниматься.

Что такое простое число?

«Странный вопрос, — удивится читатель. — Каждый знает, что простое число — это число, большее единицы, которое делится только на единицу и на себя». Конечно, это так, но с таким определением работать нелегко — ведь оно предполагает, что проверка простоты числа состоит в переборе бесконечного числа потенциальных делителей — всех натуральных чисел, и самого числа. Лучше сказать так: является простым, если не делится ни на какое число, и отличное Для наших же целей больше подходит следующее определение: является простым, если и для любого 8

В этом определении нет ограничения и, что более важно, оно позволяет переменное число условий свести в одно условие:

Сделанное замечание позволяет нам написать первую систему условий, эквивалентную относительно

Первое из этих условий имеет искомый вид экспоненциально диофантова (более того, диофантова) уравнения, а третье легко приводится к такому же виду за счёт введения двух новых неизвестных:

x 1 · s – x 2 · p = 1.(18)

Так как уравнение (18) экспоненциально диофантово, то нам осталось лишь найти систему экспоненциально диофантовых уравнений, эквивалентную относительно параметров r и s условию (16).

Как вычислить факториал?

Многочлен, стоящий в числителе, имеет довольно сложную структуру. Попытаемся заменить его более простым — а именно, При имеем:

Итак, нам осталось «избавиться» от биномиального коэффициента.

Биномиальные коэффициенты —

и, таким образом, если

Здесь все условия уже имеют необходимый нам вид.

Дальнейшие шаги

Формула (10) не содержит явно номера задаваемого ею простого числа. Описанный выше способ построения экспоненциального не даёт прямого пути для включения номера простого числа в Используя существенно более сложную технику, Мартин Дейвис, Хилэри Патнам и Джулия Робинсон в 1961 году доказали одну очень сильную теорему, которая имеет такое следствие.

Существует экспоненциальный многочлен такой, что при каждом фиксированном значении и произвольных значениях остальных переменных, принимает ровно одно положительное значение, и этим значением является простое число.

В 1970 году автору этой статьи удалось, используя другие результаты Джулии Робинсон, построить такое диофантово уравнение:

которое разрешимо тогда и только тогда, когда параметры связаны соотношением Этот результат позволяет опустить в формулировке предыдущей теоремы слово «экспоненциальный», то есть позволяет построить многочлен, задающий простые числа. Об этом, однако, мы поговорим в другой раз. Те же читатели, кого заинтересовала подобная тематика и кого не страшат трудности, могут попробовать самостоятельно разобраться в статье автора «Диофантовы множества», опубликованной в журнале «Успехи математических наук», т. XXVII, № 5, 1972 год.

Темы для размышлений

Докажите, что в арифметических прогрессиях и бесконечно много простых чисел.2.

Каково множество тех многочленов, значения которых лежат вдоль диагонали, если спираль

Теорема Вильсона утверждает, что если p — простое число, то делится Как можно использовать этот результат, чтобы уменьшить число неизвестных в экспоненциальном задающем простые числа?4.

Постройте экспоненциальный многочлен такой, что

• если q — простое число, то существуют числа такие, что

• если q — простое число и то — простое число, следующее

• если q не является простым числом, то всегда

Этот экспоненциальный многочлен даёт « формулу для следующего простого числа ».
Примечания

Здесь и далее [α] обозначает целую часть то есть наибольшее целое число, не назад к тексту

Как было сделано это наблюдение, красочно рассказывает М. Гарднер в «Математических досугах» (М., «Мир», 1972). Вот этот кусочек

В зависимости от расположения целых чисел простые числа могут образовывать тот или иной узор. Однажды математику Станиславу М. Уламу пришлось присутствовать на одном очень длинном и очень скучном, по его словам, докладе. Чтобы развлечься, он начертил на листке бумаги вертикальные и горизонтальные линии и хотел было заняться составлением шахматных этюдов, но потом передумал и начал нумеровать пересечения, поставив в центре 1 и двигаясь по спирали против часовой стрелки. Без всякой задней мысли он обводил все простые числа кружками. Вскоре, к его удивлению, кружки с поразительным упорством стали выстраиваться вдоль прямых. На рис. 203 показано, как выглядела спираль со ста первыми числами [ Это усечённая на два оборота версия вышеприведённого поэтому я его не привожу. Для удобства числа вписаны в клетки, а не стоят на пересечении линий.

Вблизи центра выстраивания простых чисел вдоль прямых ещё можно было ожидать, поскольку плотность простых чисел вначале велика и все они, кроме нечётны. Если клетки шахматной доски перенумеровать по спирали, то все нечётные числа попадут на клетки одного и того же цвета. Взяв (соответствующих 17 простым числам, не превосходящим и расставив их наугад на клетки одного цвета, вы обнаружите, что пешки выстроились вдоль диагональных прямых. Однако не было оснований ожидать, что и в области больших чисел, где плотность простых чисел значительно меньше, те также будут выстраиваться вдоль прямых. Улама заинтересовало, как же будет выглядеть его спираль, если её продолжить до нескольких тысяч простых чисел.

В вычислительном отделе Лос-Аламосской лаборатории, где работал Улам, имелась магнитная лента, на которой было записано простых чисел. Улам вместе с Майроном Л. Стейном и Марком Б. Уэллсом составили программу для вычислительной машины MANIAC, позволившую нанести на спираль последовательные целые числа Получившийся при этом узор (иногда его называют «скатертью Улама») изображён на рис. 204. [ А это уже расширенная версия вышеприведённого поэтому я его привожу. Обратите внимание на то, что даже у края картины простые числа продолжают послушно укладываться на прямые.

Прежде всего бросаются в глаза скопления простых чисел на диагоналях, но вполне ощутима и другая тенденция простых чисел — выстраиваться вдоль вертикальных и горизонтальных линий, на которых все клетки, свободные от простых чисел, заняты нечётными числами. Простые числа, попадающие на прямые, продолженные за отрезок, который содержит последовательные числа, лежащие на витке спирали, можно считать значениями некоторых квадратичных выражений, начинающихся с Например, последовательность простых чисел 5, 19, 41, 71, стоящих на одной из диагоналей на рис. 204, — это значения, принимаемые квадратичным трёхчленом равном 0, 1, 2 Из рис. 204 видно, что квадратичные выражения, принимающие простые значения, бывают «бедными» (дающими мало простых чисел) и «богатыми» и что на «богатых» прямых наблюдаются целые «россыпи» простых чисел.

Спираль Улама подняла много новых вопросов, относящихся к закономерностям и случайностям в распределении простых чисел. Существуют ли прямые, на которых лежит бесконечно много простых чисел? Какова максимальная плотность распределения простых чисел вдоль прямых? Существенно ли различаются плотности распределения простых чисел в квадрантах «скатерти» Улама, если считать, что она продолжается неограниченно? Спираль Улама — забава, но её следует принимать всерьёз.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

1.
2.