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初等数论:梅森数与梅森质数的拓展阅读

时间:2023-10-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:17世纪,法国数学家梅森证明了质数p=2,3,5,7,13,17,19时,下列各数都是质数:1750年,欧拉又证明了当p=31时,231-1也是质数.探索2p-1是否是质数的问题引起了后人的极大兴趣.因此,人们把形如2p-1(p为质数)的数叫作梅森数,记作Mp=2p-1.显然,并不是所有梅森数都是质数.例如,M11=211-1=2047=23×89就是合数.人们为了研究哪些梅森数是质数,自然对其性

初等数论:梅森数与梅森质数的拓展阅读

17世纪,法国数学家梅森证明了质数p=2,3,5,7,13,17,19时,下列各数都是质数:

1750年,欧拉又证明了当p=31时,231-1也是质数.

探索2p-1是否是质数的问题引起了后人的极大兴趣.因此,人们把形如2p-1(p为质数)的数叫作梅森数,记作Mp=2p-1.

显然,并不是所有梅森数都是质数.例如,M11=211-1=2047=23×89就是合数.

人们为了研究哪些梅森数是质数,自然对其性质进行了一般性探索研究,得到了如下结论:

定理1 设质数p>2,则梅森数中的质因数必形如2pk+1,其中k为正整数.

定理2 若d是使得ad≡1(modm)成立的最小正整数,又有一个正整数n,使得an≡1(modm)成立,则d|n.特别地,有d|φ(m).

定理2给出了一个判断梅森数是否是质数的必要条件,供人们进行逐一检验、筛选.

例如,判断M29=229-1是质数还是合数,其筛选过程如下:

根据定理1,229-1=536870911的质因数应形如2pk+1=58k+1,其中k为正整数.

从小到大逐一取k=1,2,…,代入58k+1,只取质数,检验挑出的质数可否整除M29=229-1.(www.xing528.com)

例如,当k=1时,58k+1=59是质数,用59去除229-1=536870911不能整除;当k=2时,58×2+1=117是合数,不要;当k=3时,58×3+1=175是合数,不要;当k=4时,58×4+1=233是质数,用233去除229-1=536870911,发现229-1=536870911=233×2304167是合数.

寻找梅森数中的质数,即寻找质数p,使得Mp=2p-1为质数,即梅森质数,仍是近代数论研究的课题之一.梅森质数稀奇而迷人,被人们称为“数海明珠”,近一百年来,人们发现的超大质数几乎都是梅森质数.

除了梅森和欧拉找到的8个梅森质数之外,自欧拉之后,寻找梅森质数的世界纪录,不断被刷新.

在手工计算时代,人们一共只找到12个梅森质数.1952年美国数学家拉斐尔·鲁宾逊(RaphaelRobinson)使用大型计算机,几小时内就找到了5个.

据搜狐网2018年2月1日消息称,2018年1月13日,日本发行了一本叫作《最大的素数》的书,厚约32mm,719页,整本书只印了一个数277232917-1.这是目前为止人类发现的最大质数,共有23249425位,这也是第50个梅森质数.

这个质数是由美国田纳西州电器工程师乔纳森·佩斯(JonathanPace)在2017年12月26日发现的.他使自己的一台Corei5 6600电脑连续运行了6天,并由4个人在5个不同平台上使用4种不同算法进行了验证.乔纳森·佩斯加入“GIMPS计划”寻找梅森质数已经超过14年.

寻找梅森质数必须具有高深理论预测和海量计算能力.对这个家族的好奇造就了世界上第一个基于互联网分布式计算项目——“互联网梅森质数大搜索”(GIMPS计划).这是1995年由毕业于麻省理工学院的程序设计师乔治·奥特曼(George Woltman)编制的一个寻找梅森质数的程序,供爱好者免费使用.

目前,有192个国家的60多万人参与搜索寻找,但还是不易找到.这项工作在计算机工程领域的价值远远大于在数学领域的价值,它是对计算机性能进行检验的重要手段,在一定程度上反映了一个国家的科技水平.

20世纪90年代,克雷、苹果、英特尔公司在测试计算机功能时,就利用了梅森质数.不久前德国的一个GIMPS项目参与者发现,当英特尔公司的第六代Core处理器在执行Prime95用来搜索梅森质数时,运算到指数为14942209时触发了系统死机的漏洞.对此进展感兴趣的读者,可以关注“GIMPS”网站.

是否有无穷多个梅森质数仍是数论中尚未解决的难题之一.值得注意的是,梅森质数也在应用科学如编码学中得到了应用.

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