Regularna liczba pierwsza - Regular prime

Nierozwiązany problem w matematyce :

Czy istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych regularnych, a jeśli tak, to czy ich gęstość względna ?

W teorii liczb , o regularnym prime jest szczególnym rodzajem liczby pierwszej , zdefiniowane przez Ernst Kummer w 1850 roku w celu udowodnienia pewnych przypadkach Wielkie Twierdzenie Fermata . Regularne bodźce mogą być określone poprzez podzielności którejkolwiek numerów klasowych lub liczb Bernoulliego .

Kilka pierwszych regularnych liczb pierwszych nieparzystych to:

3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 41, 43, 47, 53, 61, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 107, 109, 113, 127, 137, 139, 151, 163, 167, 173, 179, 181, 191, 193, 197, 199, ... (sekwencja A007703 w OEIS ).

Historia i motywacja

W 1850 Kummer udowodnił, że ostatnie twierdzenie Fermata jest prawdziwe dla wykładnika pierwszego p, jeśli p jest regularne. Skupiło to uwagę na nieregularnych liczbach pierwszych. W 1852 Genocchi był w stanie udowodnić, że pierwszy przypadek Wielkiego Twierdzenia Fermata jest prawdziwy dla wykładnika p , jeśli ( p , p − 3) nie jest parą nieregularną. Kummer poprawił to dalej w 1857 roku, pokazując, że w „pierwszym przypadku” Wielkiego Twierdzenia Fermata (patrz twierdzenie Sophie Germain ) wystarczy ustalić, że albo ( p , p - 3) albo ( p , p - 5) nie jest nieregularna para.

Kummer znalazł liczby nieregularne mniejsze niż 165. W 1963 r. Lehmer zgłosił wyniki do 10000, a Selfridge i Pollack ogłosili w 1964 r., że uzupełnili tabelę nieregularnych liczb pierwszych do 25000. Chociaż dwie ostatnie tabele nie pojawiły się w druku, Johnson odkrył że ( p , p − 3) jest w rzeczywistości parą nieregularną dla p = 16843 i że jest to pierwszy i jedyny przypadek dla p < 30000 . Stwierdzono w 1993 roku, że następnym razem to się dzieje dla p = 2124679 ; patrz liczba pierwsza Wolstenholme .

Definicja

Kryterium numeru klasy

Nieparzysta liczba pierwsza p określa się jako regularny, jeżeli nie dzieli numeru klasy o w p -tego cyclotomic pola Q ( ζ p ), gdzie ζ P prymitywny p -tego głównego jedności, jest ona wyświetlana na OEISA000927 . Liczba pierwsza 2 jest również często uważana za regularną.

Numer klasy pola cyclotomic oznacza liczbę idei z pierścieniem liczb całkowitych ZP ) do równoważności. Dwa ideały I , J są uważane za równoważne , jeśli istnieje niezerowe u w Q ( ζ p ) , tak że I = uJ .

Kryterium Kummera

Ernst Kummer ( Kummer 1850 ) wykazał, że równoważnym kryterium regularności jest to, że p nie dzieli licznika żadnej z liczb Bernoulliego B k dla k = 2, 4, 6, ..., p − 3 .

Dowód Kummera, że ​​jest to równoważne definicji liczby klasy, jest wzmocniony przez twierdzenie Herbranda-Ribeta , które stwierdza pewne konsekwencje dzielenia p jednej z tych liczb Bernoulliego.

przypuszczenie Siegela

Został on przypuszczał , że istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych regularnych. Dokładniej Carl Ludwig Siegel  ( 1964 ) przypuszczał, że e- 1/2 , czyli około 60,65% wszystkich liczb pierwszych jest regularnych, w asymptotycznym sensie gęstości naturalnej . Żadne z przypuszczeń nie zostało do tej pory udowodnione.

Nieregularne liczby pierwsze

Nieparzysta liczba pierwsza, która nie jest regularna, jest liczbą pierwszą nieregularną (lub nieregularną Bernoulliego lub nieregularną B, aby odróżnić od innych typów lub nieregularności omówionych poniżej). Kilka pierwszych nieregularnych liczb pierwszych to:

37, 59, 67, 101, 103, 131, 149, 157, 233, 257, 263, 271, 283, 293, 307, 311, 347, 353, 379, 389, 401, 409, 421, 433, 461, 463, 467, 491, 523, 541, 547, 557, 577, 587, 593, ... (sekwencja A000928 w OEIS )

Bezgraniczność

KL Jensen (nieznany skądinąd uczeń Nielsena ) udowodnił w 1915 roku, że istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych nieregularnych o postaci 4 n + 3 . W 1954 Carlitz dał prosty dowód słabszego wyniku, że ogólnie istnieje nieskończenie wiele nieregularnych liczb pierwszych.

Metsänkylä udowodnił, że dla dowolnej liczby całkowitej T > 6 , istnieje nieskończenie wiele nieregularnych liczb pierwszych nie w postaci mT + 1 lub mT − 1 , a później ją uogólnił.

Pary nieregularne

Jeśli p jest nieregularną liczbą pierwszą i p dzieli licznik liczby Bernoulliego B 2 k przez 0 < 2 k < p − 1 , wtedy ( p , 2 k ) nazywamy parą nieregularną . Innymi słowy, nieregularna para jest urządzeniem księgowym do rejestrowania, dla nieregularnej liczby pierwszej p , poszczególnych indeksów liczb Bernoulliego, przy których zawodzi regularność. Pierwsze kilka par nieregularnych (w kolejności k ) to:

(691, 12), (3617, 16), (43867, 18), (283, 20), (617, 20), (131, 22), (593, 22), (103, 24), (2294797 , 24), (657931, 26), (9349, 28), (362903, 28), ... (sekwencja A189683 w OEIS ).

Najmniejsze parzyste k takie, że n- te nieregularne dzielniki liczby pierwszej B k

32, 44, 58, 68, 24, 22, 130, 62, 84, 164, 100, 84, 20, 156, 88, 292, 280, 186, 100, 200, 382, ​​126, 240, 366, 196, 130, 94, 292, 400, 86, 270, 222, 52, 90, 22, ... (sekwencja A035112 w OEIS )

Dla danego głównego p liczba tych par jest zwany indeks nieprawidłowości w p . Stąd liczba pierwsza jest regularna wtedy i tylko wtedy, gdy jej indeks nieregularności wynosi zero. Podobnie liczba pierwsza jest nieregularna wtedy i tylko wtedy, gdy jej indeks nieregularności jest dodatni.

Odkryto, że ( p , p − 3) jest w rzeczywistości parą nieregularną zarówno dla p = 16843 , jak i dla p = 2124679 . Nie ma więcej wystąpień dla p < 10 9 .

Indeks nieregularny

Nieparzysta liczba pierwsza p ma nieregularny indeks n wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje n wartości k, dla których p dzieli B 2k i te k s są mniejsze niż ( p − 1)/2 . Pierwsza nieregularna liczba pierwsza z nieregularnym indeksem większym niż 1 to 157 , co dzieli B 62 i B 110 , więc ma nieregularny indeks 2. Oczywiście nieregularny indeks regularnej liczby pierwszej wynosi 0.

Nieregularny indeks n- tej liczby pierwszej to

0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 2, 0, ... (Zacznij od n = 2 lub liczba pierwsza = 3) (sekwencja A091888 w OEIS )

Nieregularny indeks n- tej nieregularnej liczby pierwszej to

1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 1, 1, 2, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 3, 1, 2, 3, 1, 1, 2, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 1, 1, 1, ... (sekwencja A091887 w OEIS )

Liczby pierwsze o nieregularnym indeksie 1 to

37, 59, 67, 101, 103, 131, 149, 233, 257, 263, 271, 283, 293, 307, 311, 347, 389, 401, 409, 421, 433, 461, 463, 523, 541, 557, 577, 593, 607, 613, 619, 653, 659, 677, 683, 727, 751, 757, 761, 773, 797, 811, 821, 827, 839, 877, 881, 887, 953, 971, ... (sekwencja A073276 w OEIS )

Liczby pierwsze o indeksie nieregularnym 2 to

157, 353, 379, 467, 547, 587, 631, 673, 691, 809, 929, 1291, 1297, 1307, 1663, 1669, 1733, 1789, 1933, 1997, 2003, 2087, 2273, 2309, 2371, 2383, 2423, 2441, 2591, 2671, 2789, 2909, 2957, ... (sekwencja A073277 w OEIS )

Liczby pierwsze o indeksie nieregularnym 3 to

491, 617, 647, 1151, 1217, 1811, 1847, 2939, 3833, 4003, 4657, 4951, 6763, 7687, 8831, 9011, 10463, 10589, 12073, 13217, 14533, 14737, 14957, 15287, 15787, 15823, 16007, 17681, 17863, 18713, 18869, ... (sekwencja A060975 w OEIS )

Najmniejsze liczby pierwsze o nieregularnym indeksie n to

2, 3, 37, 157, 491, 12613, 78233, 527377, 3238481, ... (sekwencja A061576 w OEIS ) (Ta sekwencja definiuje „nieregularny indeks 2” jako -1, a także zaczyna się od n = - 1. )

Uogólnienia

Nieregularne liczby pierwsze Eulera

Podobnie, możemy zdefiniować nieregularną liczbę pierwszą Eulera (lub E-nieregularną) jako liczbę pierwszą p, która dzieli co najmniej jedną liczbę Eulera E 2n z 0 < 2 np − 3 . Pierwsze kilka nieregularnych liczb pierwszych Eulera to

19, 31, 43, 47, 61, 67, 71, 79, 101, 137, 139, 149, 193, 223, 241, 251, 263, 277, 307, 311, 349, 353, 359, 373, 379, 419, 433, 461, 463, 491, 509, 541, 563, 571, 577, 587, ... (sekwencja A120337 w OEIS )

Nieregularne pary Eulera to

(61, 6), (277, 8), (19, 10), (2659, 10), (43, 12), (967, 12), (47, 14), (4241723, 14), (228135437 , 16), (79, 18), (349, 18), (84224971, 18), (41737, 20), (354957173, 20), (31, 22), (1567103, 22), (1427513357, 22 ), (2137, 24), (111691689741601, 24), (67, 26), (61001082228255580483, 26), (71, 28), (30211, 28), (2717447, 28), (77980901, 28), ...

Vandiver udowodnił, że Wielkie Twierdzenie Fermata ( x p + y p = z p ) nie ma rozwiązania dla liczb całkowitych x , y , z przy gcd( xyz , p ) = 1, jeśli p jest regularne według Eulera. Gut udowodnił, że x 2 p + y 2 p = z 2 p nie ma rozwiązania, jeśli p ma wskaźnik E-nieregularności mniejszy niż 5.

Udowodniono, że istnieje nieskończoność liczb pierwszych E-nieregularnych. Uzyskano mocniejszy wynik: istnieje nieskończoność liczb pierwszych E-nieregularnych przystających do 1 modułu 8. Podobnie jak w przypadku B-regularnych liczb pierwszych Kummera, nie ma jeszcze dowodu na to, że istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych E-regularnych, chociaż wydaje się być prawdą.

Silne nieregularne liczby pierwsze

Liczba pierwsza p nazywana jest silnie nieregularną, jeśli jest zarówno B-nieregularna, jak i E-nieregularna (indeksy liczb Bernoulliego i Eulera, które są podzielne przez p, mogą być takie same lub różne). Kilka pierwszych silnych nieregularnych liczb pierwszych to

67, 101, 149, 263, 307, 311, 353, 379, 433, 461, 463, 491, 541, 577, 587, 619, 677, 691, 751, 761, 773, 811, 821, 877, 887, 929, 971, 1151, 1229, 1279, 1283, 1291, 1307, 1319, 1381, 1409, 1429, 1439, ... (sekwencja A128197 w OEIS )

Udowodnienie Wielkiego Twierdzenia Fermata dla silnej nieregularnej liczby pierwszej p jest trudniejsze (ponieważ Kummer udowodnił pierwszy przypadek Wielkiego Twierdzenia Fermata dla B-regularnych liczb pierwszych, Vandiver udowodnił pierwszy przypadek Wielkiego Twierdzenia Fermata dla E-regularnych liczb pierwszych), najbardziej trudne jest to, że p jest nie tylko silną nieregularną liczbą pierwszą, ale 2 p + 1 , 4 p + 1 , 8 p + 1 , 10 p + 1 , 14 p + 1 i 16 p + 1 są również wszystkie złożone ( Legendre udowodnił pierwszy przypadek Wielkiego Twierdzenia Fermata dla liczb pierwszych p takich, że przynajmniej jedna z 2 p + 1 , 4 p + 1 , 8 p + 1 , 10 p + 1 , 14 p + 1 i 16 p + 1 jest liczbą pierwszą), pierwsze kilka takich p to

263, 311, 379, 461, 463, 541, 751, 773, 887, 971, 1283, ...

Słabe nieregularne liczby pierwsze

Liczba pierwsza p jest słabo nieregularna, jeśli jest albo B-nieregularna, albo E-nieregularna (lub jedno i drugie). Kilka pierwszych słabych liczb pierwszych nieregularnych to

19, 31, 37, 43, 47, 59, 61, 67, 71, 79, 101, 103, 131, 137, 139, 149, 157, 193, 223, 233, 241, 251, 257, 263, 271, 277, 283, 293, 307, 311, 347, 349, 353, 373, 379, 389, 401, 409, 419, 421, 433, 461, 463, 491, 509, 523, 541, 547, 557, 563, 571, 577, 587, 593, ... (sekwencja A250216 w OEIS )

Podobnie jak nieregularność Bernoulliego, słaba prawidłowość odnosi się do podzielności liczb klas pól cyklotomicznych . W rzeczywistości głównym P jest słaba nieregularny tylko wtedy, gdy p dzieli numer klasy pochodnych 4 p -tego cyclotomic pola Q ( ζ 4p ).

Słabe nieregularne pary

W tej sekcji „ a n ” oznacza licznik n- tej liczby Bernoulliego, jeśli n jest parzyste, „ a n ” oznacza ( n − 1) liczbę Eulera, jeśli n jest nieparzyste (sekwencja A246006 w OEIS ).

Ponieważ dla każdej nieparzystej prime p , p dzieli p wtedy i tylko wtedy, gdy p jest przystający do 1 mod 4, a od p dzieli mianowniku ( p - 1) th Liczby Bernoulliego dla każdej nieparzystej prime p , więc dla każdej nieparzystej prime p , s nie można podzielić na str -1 . Poza tym, wtedy i tylko wtedy, gdy nieparzysta liczba pierwsza p dzieli a n (a 2 p nie dzieli n ), wtedy p dzieli również a n + k ( p −1) (jeśli 2 p dzieli n , to zdanie powinno zostać zmienione na " P również dzieli się n +2 kp " W rzeczywistości, jeżeli 2, p podziałów n i p ( P - 1) nie dzieli n , a następnie p podziałów n ), dla każdej liczby całkowitej. k (warunek jest n + k ( p − 1) musi być > 1). Na przykład, od 19 dzieli 11 i 2 x 19 = 38 nie podziału 11, tak 19 podziałów 18 K +11 dla wszystkich k . Zatem definicja pary nieregularnej ( p , n ) , n powinna wynosić co najwyżej p − 2 .

Poniższa tabela pokazuje wszystkie nieregularne pary z nieparzystą liczbą pierwszą p ≤ 661 :

p całkowitymi
0 ≤ np - 2
, tak że p podziałów N
p całkowitymi
0 ≤ np - 2
, tak że p podziałów N
p całkowitymi
0 ≤ np - 2
, tak że p podziałów N
p całkowitymi
0 ≤ np - 2
, tak że p podziałów N
p całkowitymi
0 ≤ np - 2
, tak że p podziałów N
p całkowitymi
0 ≤ np - 2
, tak że p podziałów N
3 79 19 181 293 156 421 240 557 222
5 83 191 307 88, 91, 137 431 563 175, 261
7 89 193 75 311 87, 193, 292 433 215, 366 569
11 97 197 313 439 571 389
13 101 63, 68 199 317 443 577 52, 209, 427
17 103 24 211 331 449 587 45, 90, 92
19 11 107 223 133 337 457 593 22
23 109 227 347 280 461 196, 427 599
29 113 229 349 19, 257 463 130, 229 601
31 23 127 233 84 353 71, 186, 300 467 94, 194 607 592
37 32 131 22 239 359 125 479 613 522
41 137 43 241 211, 239 367 487 617 20, 174, 338
43 13 139 129 251 127 373 163 491 292, 336, 338, 429 619 371, 428, 543
47 15 149 130, 147 257 164 379 100, 174, 317 499 631 80, 226
53 151 263 100, 213 383 503 641
59 44 157 62, 110 269 389 200 509 141 643
61 7 163 271 84 397 521 647 236, 242, 554
67 27, 58 167 277 9 401 382 523 400 653 48
71 29 173 281 409 126 541 86, 465 659 224
73 179 283 20 419 159 547 270, 486 661

Jedyne liczby pierwsze poniżej 1000 ze słabym nieregularnym indeksem 3 to 307, 311, 353, 379, 577, 587, 617, 619, 647, 691, 751 i 929. Poza tym 491 jest jedyną liczbą pierwszą poniżej 1000 ze słabym nieregularnym indeksem 4 i wszystkie inne bodźce nieparzyste poniżej 1000 ze słabym nieregularnym indeksie 0, 1 lub 2. ( słaby wskaźnik nieregularny jest zdefiniowana jako „liczby całkowite 0 ≤ np - 2 , takiego, że p podziałów n ).

Poniższa tabela przedstawia wszystkie pary nieregularne z n ≤ 63. (W celu uzyskania tych par nieregularne, musimy tylko na czynniki do N , np. 34 = 17 x 151628697551 , a 17 <34 + 2 , a więc tylko parę z nieregularny n = 34 jest (151628697551, 34) ), (dla dalszych informacji (nawet n s do 300 i nieparzyste n s do 201), patrz).

nie liczby pierwsze pn + 2 takie, że p dzieli a n nie liczby pierwsze pn + 2 takie, że p dzieli a n
0 32 37, 683, 305065927
1 33 930157, 42737921, 52536026741617
2 34 151628697551
3 35 4153, 8429689, 2305820097576334676593
4 36 263152715530534777373
5 37 9257, 73026287, 25355088490684770871
6 38 154210205991661
7 61 39 23489580527043108252017828576198947741
8 40 137616929, 1897170067619
9 277 41 763601, 52778129, 359513962188687126618793
10 42 1520097643918070802691
11 19, 2659 43 137, 5563, 13599529127564174819549339030619651971
12 691 44 59, 8089, 2947939, 1798482437
13 43, 967 45 587, 32027, 9728167327, 36408069989737, 238716161191111
14 46 383799511, 67568238839737
15 47, 4241723 47 285528427091, 1229030085617829967076190070873124909
16 3617 48 653, 56039, 153289748932447906241
17 228135437 49 5516994249383296071214195242422482492286460673697
18 43867 50 417202699, 47464429777438199
19 79, 349, 87224971 51 5639, 1508047, 10546435076057211497, 67494515552598479622918721
20 283, 617 52 577, 58741, 401029177, 4534045619429
21 41737, 354957173 53 1601, 2144617, 537569557577904730817, 429083282746263743638619
22 131, 593 54 39409, 660183281, 1120412849144121779
23 31, 1567103, 1427513357 55 2749, 3886651, 78383747632327, 209560784826737564385795230911608079
24 103, 2294797 56 113161, 163979, 19088082706840550550313
25 2137, 111691689741601 57 5303, 7256152441, 52327916441, 2551319957161, 12646529075062293075738167
26 657931 58 67, 186707, 6235242049, 37349583369104129
27 67, 61001082228255580483 59 1459879476771247347961031445001033, 8645932388694028255845384768828577
28 9349, 362903 60 2003, 5549927, 109317926249509865753025015237911
29 71, 30211, 2717447, 77980901 61 6821509, 14922423647156041, 190924415797997235233811858285255904935247
30 1721, 1001259881 62 157, 266689, 329447317, 28765594733083851481
31 15669721, 28178159218598921101 63 101, 6863, 418739, 1042901, 91696392173931715546458327937225591842756597414460291393

Poniższa tabela pokazuje pary nieregularne ( p , pn ) ( n ≥ 2 ), jest to przypuszczenie, że istnieje nieskończenie wiele par nieregularnych ( p , pn ) dla każdej liczby naturalnej n ≥ 2 , ale znaleziono tylko kilka dla ustalonego n . Dla niektórych wartości n nawet nie jest znana taka liczba pierwsza p .

nie liczby pierwsze p takie, że p dzieli a pn (te p są sprawdzane do 20000) Sekwencja OEIS
2 149, 241, 2946901, 16467631, 17613227, 327784727, 426369739, 1062232319, ... A198245
3 16843, 2124679, ... A088164
4 ...
5 37, ...
6 ...
7 ...
8 19, 31, 3701, ...
9 67, 877, ... A212557
10 139, ...
11 9311, ...
12 ...
13 ...
14 ...
15 59, 607, ...
16 1427, 6473, ...
17 2591, ...
18 ...
19 149, 311, 401, 10133, ...
20 9643, ...
21 8369, ...
22 ...
23 ...
24 17011, ...
25 ...
26 ...
27 ...
28 ...
29 4219, 9133, ...
30 43, 241, ...
31 3323, ...
32 47, ...
33 101, 2267, ...
34 461, ...
35 ...
36 1663, ...
37 ...
38 101, 5147, ...
39 3181, 3529, ...
40 67, 751, 16007, ...
41 773, ...

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne