什么是素数 素数的魅力

什么是素数 素数的魅力

这些不可拆分的素数依然不断展现出新的数学奥秘。

2018 年 3 月 20 日挪威科学与文学院宣布，将该年度阿贝尔奖授予美籍加拿大数学家罗伯特朗兰兹(Robert Langlands)，以表彰他在数学领域所作出的终身成就。他提出的最终以他名字命名的数学理论“朗兰兹纲领”(Langlands program)，通过与素数的共同联系将几何学、代数学和分析学等概念结合起来，在数学的众多分支领域之间架起了“桥梁”。

罗伯特朗兰兹，著名的朗兰兹纲领的提出者。1996年他获得了沃尔夫奖。在2007年获得了邵逸夫奖数学科学奖。2018年获得阿贝尔奖。

当时挪威国王将为朗兰兹颁奖，致敬这项最新的科研成果。素数，可以说是数学领域中最庞大、最古老的数据集，数学家们历经 2300 年的努力一直在不断探索它的奥秘。那么是什么吸引无数杰出的数学家，数千年来前仆后继地投身于素数研究中?

为了研究素数，数学家们将正整数通过素数筛选算法，直至仅剩素数保留下来。在 19 世纪，用试除法来筛选获得了数百万以内的素数列表。当然，现代计算机可以在不到一秒钟的时间内找出数十亿以内的素数，但所用筛法的核心思想 2000 年来从未改变。

公元前 300 年，亚历山大里亚的数学家欧几里得描述到：“素数是只能用 1 来计数的数。”这意味着素数不能被除了 1 以外的任何小于自身的数整除。并且为了保证整数的唯一分解，数深圳生活网学家们并不把 1 看作素数。此外，欧几里得还证明了素数的个数是无限的、没有穷尽。

公元前 200 左右，古希腊数学家埃拉托斯特尼(Eratosthenes)提出了素数的快速筛选法，这是一种简单且历史久远的筛法，用来找出一定范围内所有的素数。

在 2~100 范围内进行 2,3,5,7 筛选后留下的所有素数

埃拉托斯特尼素数筛法的思路是这样的：首先，留下 2 ，把 2 的倍数都划掉；2 后面第一个没划去的数是 3 ，留下 3 ，把 3 的倍数都划掉；然后留下 5 ，把 5 的倍数都划掉；再留下 7 ，把 7 的倍数都划掉。如此这般，将最小的四个质数——2，3，5，7——的倍数依次筛掉。此时，下一个未被筛掉 11 的平方已经大于 100，所以停止。这样在 2 到 100 之间的整数只执行这 4 次筛选，最终只留下了素数集合。

从 1 ~ 100 之间的数字中筛除 2, 3, 5 和 7 的倍数，留下就是素数 通过 8 次筛选步骤，可以分离出 400 以内的全部素数。通过 168 次筛选，可以分离出 100 万以内的全部素数。这便是埃氏筛法的强大之处。

为素数制表的早期代表人物是英国数学家约翰佩尔(John Pell)，他致力于将有用的数字制成表格。其研究动力来源于对古希腊数学家丟番图(Diophantos) 所提出的古老算术问题的研究热情，还来自于对数学真理进行系统整合的个人追求。由于他的不懈努力，在 18 世纪早期 10 万以内的素数得以广泛传播。截止 1800 年，各种独立的研究项目列出了百万以内的全部素数。

从左至右, 1611-1685 英国数学家约翰佩尔，1741-1808 德国数学家卡尔弗里德里希兴登堡，1793-1863 奥地利数学家雅各布菲利普库利克

为了将这项繁琐的筛选工作自动化，德国数学家卡尔弗里德里希兴登堡 (Carl Friedrich Hindenburg)使用一种可调节的滑块，可以一次性排除整张纸上的所有倍数。另一种技术含量低却高效的方法是使用模版来定位特定素数的倍数。到19世纪中叶，数学家雅各布库利克(Jacob Kulik)开展了一项雄心勃勃的项目：找出 1 亿以内的所有素数。但直至库利克逝世，这些工作还没有完成，不过已经找出来的素数填满了 4212 页表格.

如果不是"数学王子"高斯(Carl Friedrich Gauss)决定对素数自身进行分析整理，19 世纪这样一套“大数据”的结果可能也仅限于用作素数参考表。

17 世纪，对数表的诞生大大推动了天文、航海的蓬勃发展。一本作为给高斯生日礼物的对数工具书后附录了一张300万以内的素数表，这个在旁人看起来无实际用途的表格却激发了他的强烈兴趣。他开始着手进行数据分析统计工作。

他每次以 1000 个数为一组，分别计数这一范围内素数的个数。先计数 1000 以内素数的个数，接着是 1001 到 2000 之间，然后是 2001 到 3000 之间，以此类推，高斯开始探索这个在旁人看来毫无乐趣的素数列表。

高斯发现，随着数值增大，素数出现的频率会逐渐降低，遵循“反对数”定律。虽然高斯的素数分布定理并没有算出素数数目的精确值深圳生活网，但他给出了一个非常好的近似值。例如，根据素数定理预测在 1000000 到 1001000 之间存在 72 个素数，而正确结果是 75，误差在 4% 左右。这令他提出一个猜想：，其中 为不大于 x 的素数个深圳生活网数。也就说当 x 趋近无限时，有下式成立：

而在这个猜想提出一个世纪之后，这个称之为素数定理(prime number theorem)才得到了证明。

(x), x/lnx 和 (x)/(x/lnx) 的比较

随着素数计数范围越来越大，估计值与真实值的相对误差将趋近于 0。悬赏百万奖金，位列当今数学界七大难题之一的黎曼猜想(Riemann hypothesis)，也描述了高斯定理估算的精确程度。

素数定理和黎曼猜想已经得到了人们的广泛关注，但它们在早期，都是从枯燥的素数表数据分析开始的。现在，我们获取数据的方式都来自于计算机程序的运算，不再需要手算筛选，但数学家们仍在寻找素数研究的新模式。除了 2 和 5 之外，所有素数都以 1，3，7 或 9 结尾。19 世纪，人们发现这几个末位数字在素数中存在相同的出现频率。换句话说，如果你计数到 100 万，25%的素数末位为 1，25% 末位为 3，25% 末位为 7，25% 末位为 9。

除了 2 和 5 之外，所有素数都以 1，3，7 或 9 结尾。19 世纪，人们发现这几个末位数字在素数中存在相同的出现频率。

图表来自：The Conversation, CC-BY-ND，作者Martin Weissman

几年前，斯坦福大学的数论学家莱姆克奥利弗(Lemke Oliver) 和坎南桑德拉贾恩(Kannan Soundararajan)在实验中观察素数及其下一个相邻素数的末位数字规律，意外发现了一个问题。例如，23 之后的素数是 29，它们的末位数字是前 3 后 9。那么，相邻两个素数的末位数字，是前 3 后 9 常见，还是前 3 后 7 常见呢?

100 万以内的连续素数末位数字对出现的频率。相同颜色代表末位数字对具有相同的间距值。(M.H. Weissman, CC BY)

数论学家们预计会存在一些差异，但实验结果远超预期。将相邻素数末位数字对按照间距不同进行分组，譬如，23 与 29 间距为 6。结果发现，像 23 和 29 这样前 3 后 9 的素数对儿的占比，超过先 7 后 3 的素数对儿占比，尽管两种情况中相邻素数对儿的间距都为 6。虽然数学家们很快给出了一种较为可信的解释。但是，当涉及到连续素数的研究时，数学家们大部分还局限在分析数据进而寻找合理解释的阶段，距离揭示真相的唯一标准——数学上证明，似乎还需要很长一段路要走。

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