两千多年了,数学家为何仍痴迷于质数研究?

作者: Martin H. Weissman

来源: 原理(ID:principle1687)

发布日期: 2018-04-06

数学家们对质数的研究已经持续了2300多年,从古希腊的欧几里德到现代的计算机程序,质数的筛选和理解一直是数学研究的重要部分。质数的无限性、筛分方法、以及质数定理和黎曼假设等理论,都展示了数学家对质数性质的深入探索。尽管现代技术使得质数的寻找更加高效,但数学家们仍在寻找质数中的新模式,如质数结尾数字的分布规律等。

3月20日,数学界的最高荣誉之一——阿贝尔奖颁发给了数学家罗伯特·朗兰兹,以表彰他对数学作出的终生成

就。朗兰兹提出的纲领探讨了数论和调和分析之间的深层联系,这种联系被数学家用来解答与质数性质相关的

问题。2300多年以来,数学家一直都在试图更好的理解质数。可以说,相关的研究构成了数学史上最大最古老的数据

集。我们不免好奇,质数如何能让数学家为之着迷上千年?

为了研究质数,数学家将整数一个个通过他们的虚拟网格,将质数“筛选”出来。这种筛分过程在19世纪就产生

了含有数百万个质数的表格。现代计算机可以用这种方法在不到一秒的时间内找到数十亿个质数。但筛分的核

心思想却在2000多年间从没改变过。

数学家欧几里德(Euclid)在公元前300年写道:“只能为一个单位量测尽的数是质数。” 这意味着质数不能被

除了1之外的任何数字整除。根据惯例,数学家不将1计为质数。

欧几里德证明了质数的无限性,但历史表明是埃拉托色尼(Eratosthenes)为我们提供了快速列出质数的筛分

方法。

筛分的想法是这样的:首先依次过滤出2、3、5、7这四个质数的倍数。如果对2到100之间的所有数字执行这

一操作,很快就会只剩下质数。

通过8个过滤步骤,就可以分离出400以内的全部质数。通过168个过滤步骤,可以分离出100万以内的所有质

数。这就是埃拉托色尼筛法的力量。

为质数制表的早期人物代表是 John Pell,一位致力于创建有用数字的表格的英国数学家。他的动力来源于想

要解决古老的丢番图算术问题,同时也有着整理数学真理的个人追求。在他的努力之下,10万以内的质数得以

在18世纪早期广泛传播。到了1800年,各种独立项目已列出了100万以内的质数。

为了自动化冗长乏味的筛分步骤,德国数学家 Carl Friedrich Hindenburg 用可调节的滑动条在整页表格上

一次排除所有倍数。另一种技术含量低但非常有效的方法是用漏字板来查找倍数的位置。到了19世纪中叶,数

学家 Jakob Kulik 开始了一项雄心勃勃的计划,他要找出1亿以内的所有质数。

若没有高斯等人对质数的研究,这个19世纪的“大数据”或许只能作为一张参考表。在有了这张包含300万以内

所有质数的列表之后,高斯开始着手数它们,每次以1000为分界点分组。他找出1000以内的质数,然后再找

出1000到2000之间的质数,然后是2000到3000之间,以此类推。

高斯发现,随着数值的增高,质数出现的频率会遵循“反对数”定律逐渐下降。虽然高斯定律没确切地给出质数

的数量,但它给出了一个非常好的估计。例如他预测了从1,000,000至1,001,000之间大约有72个质数;而正

确的计数是75个,误差值约为4%。

在高斯的第一次探索之后的一个世纪里,他的定律在“质数定理”中得到了证明。在数值越大的质数范围内,它

的误差百分比接近于零。作为世界七大数学难题之一的黎曼假设,也描述了高斯估算的准确程度。

质数定理和黎曼假设都得到了应有的关注和资金,但这两者都是在早期不那么迷人的数据分析中得到的。

现在,我们的数据集来自计算机程序而非手工切割的漏字模板,但数学家仍在努力寻找质数中的新模式。

除了2和5之外,所有质数都以数字1、3、7、9结尾。在19世纪,数学家证明了这些可能的结尾数字有着同样

的出现频率。 换句话说,如果数100万以内的质数,会发现大约25%的质数以1结尾,25%以3结尾,25%以7

结尾,以及25%以9结尾。

几年前,斯坦福大学的数论学家 Robert Lemke Oliver 和 Kannan Soundararajan 在一个观察质数和下一

个质数的最后一位数字的实验中,发现了质数的结尾数的奇异之处。例如质数23之后的下一个质数是29,它们

的结尾数字分别是3和9。那么是否在质数的结尾数中,3和9的出现要多过于3和7吗?

数论学家预计会有一些变化,但他们的发现远远超出预期。质数与质数之间被不同大小的间隔分开;例如,23

与29之间相差6。但是像23和29那样的先以3再以9结尾的质数比先以7再以3结尾的质数要普遍得多,尽管这两

种质数组合的间隔都是6。

虽然数学家很快找到了合理的解释。 但是,在研究连续质数时,数学家大多能做的仅限于数据分析和尽力说

服。而数学家用以解释某事物为何为真的黄金标准——证明,似乎仍距我们数十年之远。

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