尋找素數的多項式

 

以往數學家希望可得到�琤X素數的公式,便從多項式 (Polynomial) 中找尋公式的影跡,或說是找出一條素數的通式,可惜全是失敗。但這反過來使人們認識了不同種類的素數,現在讓我們回看這些會產生素數的多項式吧!

多項式
可連續給出素數的範圍
斯洛恩數列
素數值
36n2-810n+2753
[0,44]
2753,1979,1277,.....,52253
47n2-1701n+10181
[0,42]
8527,6967,5501,.....,19447
n2+n+41
[0,39]
41,43,47,......,2797
2n2+29
[0,28]
29,31,37,......,1597
n2+n+17
[0,15]
17,19,23,......,257
4n2+4n+59
[0,13]
59,67,83,......,787
2n2+11
[0,10]
13,19,29,......,211
n3+n2+17
[0,10]
19,29,53,......,1117

上表的數式只列取連續給出素數的部份 n 值,在該範圍以外的也存有素數。

是否有多項式可使代入任何的 x 值都會給出素數呢?

答案是沒有,其實早在 1752年,普魯士數學家哥德巴赫 (Christian Goldbach 1690-1764) 証明了沒有一條以整數 為系數的多項式,即整數多項式 (Integer Polynomial) 可給出所有的值皆為素數。其後法國數學家勒讓德 (Adrien-Marie Legendre 1752-1833) 更証明沒有有理多項式 (Rational Polynomial) 可常給素數。讓我們看看為什麼吧。

我們可以用反証法來証明這一點:

倘若能找到一條�痤馴X素數的多項式。那麼,當 x = m 時便得一素數 P,而且,

P = a + bm + cm2 + dm3 + ......

同時,取 x = m + nP 時,又可得另一素數 Q,而且,

Q = a + b ( m + nP ) + c ( m + nP )2 + d ( m + nP )3 + ......

但是,若把上式展開,我們得:

b ( m + nP ) = bm + (含有 P 的項)

c ( m + nP )2 = cm2 + (含有 P 的項)

d ( m + nP )3 = dm3 + (含有 P 的項)

......

因此,Q = a + bm + cm2 + dm3 + .... + (含有 P 的項) = P + (含有 P 的項),

但所謂「含有 P 的項」亦即是「P 的倍數」。因此 Q 是 P 的倍數,即不是素數。因而與「�痤僖擘ヾv相矛盾,推翻「�痤僖擘ヾv的假設。証畢。

雖云有理多項式不會�痤僖擘ヾA但其他的方程又如何?如多變量的丟番圖方程 (Diophantine Equation)。所謂丟番圖方程,即只要求整數解的方程式。

1976年,數學家瓊斯 (J. P. Jones) 、 華達 (H. Wada) 、 西道 (D. Sato) 及韋恩斯 (D. Wiens) 找到了一組可「�痤僖擘ヾv的聯立方程,共有 26 個變數:

wz + h + j - q = 0

(gk + 2g + k + 1) (h + j) + h - z = 0

16 (k + 1)3 (k + 2) (n + 1)2 + 1 - f2 = 0

2n + p + q + z - e = 0

e3 (e + 2) (a + 1)2 + 1 - o2 = 0

(a2 - 1) y2 + 1 - x2 = 0

16 r2 y4 (a2 - 1) + 1 - u2 = 0

n + l + v - y = 0

(a2 - 1) l2 + 1 - m2 = 0

ai + k + 1 - l - i = 0

{[a + u2 (u2 - a)]2 - 1} (n - 4dy)2 + 1 - (x + cu)2 = 0

p + l (a - n - 1) + b (2an + 2a - n2 - 2n - 2) - m = 0

q + y (a - p - 1) + s (2ap + 2a - p2 - 2p - 2) - x = 0

z + pl (a - p) + t (2ap - p2 - 1) - pm = 0

式中的 a 至 z 為 26 個變數,對印刷來說也有其好處,剛好用光 26 個英文字母。那麼和素數有什麼關係,原來得證當上上式找到正整數解 (即 26 個英文字母全是正整數) 時,k + 2 便是素數,反之亦然。但要找出正整數解又談何容易呢!

 

 

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