Jump to content

Теорема Евклида

(Перенаправлено из Бесконечности простых чисел )

Теорема Евклида — фундаментальное утверждение теории чисел , утверждающее, что существует бесконечно много простых чисел. Впервые это было доказано Евклидом в его работе «Начала» . Существует несколько доказательств теоремы.

Доказательство Евклида

[ редактировать ]

Евклид предложил доказательство, опубликованное в его работе «Элементы» (книга IX, предложение 20). [1] что здесь перефразировано. [2]

Рассмотрим любой конечный список простых чисел p 1 , p 2 , ..., p n . Будет показано, что существует хотя бы одно дополнительное простое число, которого нет в этом списке. Пусть P — произведение всех простых чисел в списке: P = p 1 p 2 ... p n . Пусть q = P + 1. Тогда q либо простое, либо нет:

  • Если q простое, то существует еще как минимум одно простое число, которого нет в списке, а именно q . само
  • Если q не является простым, то некоторый простой множитель p делит q . Если бы этот множитель p был в нашем списке, то он делил бы P (поскольку P — произведение каждого числа в списке); но p также делит P + 1 = q , как только что было сказано. Если p делит P , а также q, то p также должно делить разность [3] из двух чисел, то есть ( P + 1) − P или просто 1. Поскольку ни одно простое число не делит 1, p не может быть в списке. Это означает, что помимо тех, что в списке, существует еще как минимум одно простое число.

Это доказывает, что для каждого конечного списка простых чисел существует простое число, которого нет в списке. [4] В оригинальной работе, поскольку Евклид не имел возможности написать произвольный список простых чисел, он использовал метод, который он часто применял, а именно метод обобщающего примера. А именно, он выбирает всего три простых числа и, используя общий метод, изложенный выше, доказывает, что всегда может найти дополнительное простое число. Евклид, по-видимому, предполагает, что его читатели убеждены, что подобное доказательство сработает, независимо от того, сколько простых чисел будет выбрано изначально. [5]

Часто ошибочно сообщается, что Евклид доказал этот результат от противного, начиная с предположения, что первоначально рассматриваемое конечное множество содержит все простые числа: [6] хотя на самом деле это доказательство по делам , метод прямого доказательства . Философ Торкель Франзен в книге по логике утверждает: «Доказательство Евклида о том, что существует бесконечно много простых чисел, не является косвенным доказательством [...] Этот аргумент иногда формулируется как косвенное доказательство, заменяя его предположением: «Предположим, что q 1 , ... q n — все простые числа». Однако, поскольку это предположение даже не используется в доказательстве, переформулировка бессмысленна». [7]

Вариации

[ редактировать ]

Существует несколько вариаций доказательства Евклида, в том числе следующие:

Факториал n ! положительного целого числа n делится на каждое целое число от 2 до n , поскольку оно является произведением всех из них. Следовательно, н ! + 1 не делится ни на одно из целых чисел от 2 до n включительно (при делении на каждое из них получается остаток 1). Следовательно, н ! + 1 либо простое, либо делится на простое число, большее n . В любом случае для каждого положительного целого числа n существует хотя бы одно простое число, большее n . Вывод: число простых чисел бесконечно. [8]

Доказательство Эйлера

[ редактировать ]

Другое доказательство, предложенное швейцарским математиком Леонардом Эйлером , основано на фундаментальной теореме арифметики : каждое целое число имеет уникальную простую факторизацию. То, что написал Эйлер (не в этих современных обозначениях и, в отличие от современных стандартов, не ограничивая аргументы в суммах и произведениях любыми конечными наборами целых чисел) эквивалентно утверждению, что мы имеем [9]

где обозначает набор из k первых простых чисел, а - это набор натуральных чисел, все простые множители которых находятся в

Чтобы показать это, каждый множитель произведения разлагается как геометрический ряд и распределяется произведение по сумме (это частный случай произведения Эйлера формулы для дзета-функции Римана ).

В предпоследней сумме каждое произведение простых чисел встречается ровно один раз, поэтому последнее равенство верно по основной теореме арифметики. В своем первом следствии этого результата Эйлер обозначает символом, подобным «абсолютную бесконечность» и пишет, что бесконечная сумма в утверждении равна «значению» , которому, таким образом, равно и бесконечное произведение (в современной терминологии это эквивалентно тому, что частичная сумма до гармонического ряда асимптотически расходится как ). Затем в своем втором следствии Эйлер отмечает, что произведение

сходится к конечному значению 2, и, следовательно, простых чисел больше, чем квадратов («sequitur infinities plures esse numeros primos»). Это доказывает теорему Евклида. [10]

Символ, используемый Эйлером для обозначения бесконечности.


В той же статье (теорема 19) Эйлер фактически использовал приведенное выше равенство, чтобы доказать гораздо более сильную теорему, неизвестную до него, а именно, что ряд

расходится сумма , где P обозначает множество всех простых чисел (Эйлер пишет, что бесконечная , что в современной терминологии эквивалентно тому, что частичная сумма до этого ряда ведет себя асимптотически как ).

Доказательство Эрдеша

[ редактировать ]

Пол Эрдеш предоставил доказательство [11] это также опирается на фундаментальную теорему арифметики. Каждое положительное целое число имеет уникальную факторизацию на свободное от квадратов число r и квадратное число s. 2 . Например, 75 600 = 2 4 3 3 5 2 7 1 = 21 ⋅ 60 2 .

Пусть N — целое положительное число, а k — количество простых чисел, меньших или N. равных Назовите эти простые числа p 1 , ... , p k . Любое положительное целое число a, меньшее или равное N, можно записать в виде

где каждый e i равен 0 или 1 . Есть 2 к бесквадратной части . способы образования И с 2 может быть не более N , s N. поэтому Таким образом, не более 2 к N В таком виде можно записать чисел. Другими словами,

Или, переставив, k , количество простых чисел, меньшее или равное N , больше или равно 1 / 2 журнал 2 Н . Поскольку N было произвольным, k может быть сколь угодно большим, если выбрать N соответствующим образом.

Доказательство Фюрстенберга

[ редактировать ]

В 1950-х годах Гилель Фюрстенберг представил доказательство от противного, используя топологию множества точек . [12]

Определите топологию целых чисел Z , называемую равноотстоящей целочисленной топологией , объявив подмножество U Z тогда открытым множеством и только тогда, когда это либо пустое множество , ∅, либо объединение арифметических последовательностей S ( a , b ) (при a ≠ 0), где

Тогда противоречие следует из того свойства, что конечное множество целых чисел не может быть открытым, и того свойства, что базисные множества S ( a , b ) одновременно открыты и закрыты , поскольку

не может быть замкнутым, поскольку его дополнение конечно, но замкнуто, поскольку представляет собой конечное объединение замкнутых множеств.

Недавние доказательства

[ редактировать ]

Доказательство с использованием принципа включения-исключения

[ редактировать ]

Хуан Пабло Пинаско написал следующее доказательство. [13]

Пусть p 1 , ..., p N — наименьшие N простых чисел. Тогда согласно принципу включения-исключения количество натуральных чисел, меньших или равных x , которые делятся на одно из этих простых чисел, равно

Разделив на x и положив x → ∞, получим

Это можно записать как

Если других простых чисел, кроме p 1 , ..., p N не существует, то выражение в (1) равно и выражение в (2) равно 1, но очевидно, что выражение в (3) не равно 1. Следовательно, простых чисел должно быть больше, чем p 1 , ..., p N .

Доказательство по формуле Лежандра.

[ редактировать ]

В 2010 году Чуно Питер Ван опубликовал следующее доказательство от противного. [14] Пусть k — любое положительное целое число. Тогда по формуле Лежандра (иногда приписываемой де Полиньяку )

где

Но если существует лишь конечное число простых чисел, то

(числитель дроби будет расти по однократной экспоненте, тогда как в приближении Стирлинга знаменатель растет быстрее, чем по однократной экспоненте),что противоречит тому факту, что для каждого k числитель больше или равен знаменателю.

Доказательство построением

[ редактировать ]

Филип Сайдак дал следующее доказательство по построению , которое не использует доведение до абсурда. [15] или лемма Евклида (что если простое число p делит ab , то оно должно делить a или b ).

Поскольку каждое натуральное число больше 1 имеет хотя бы один простой множитель , а два последовательных числа n и ( n + 1) не имеют общего множителя, произведение n ( n + 1) имеет больше различных простых множителей, чем само число n . Итак цепочка пронических чисел :
1×2 = 2 {2},    2×3 = 6 {2, 3},    6×7 = 42 {2, 3, 7},    42×43 = 1806 {2, 3, 7, 43},    1806×1807 = 3263442 {2, 3, 7, 43, 13, 139}, · · ·
предоставляет последовательность неограниченно растущих наборов простых чисел.

Доказательство методом несжимаемости.

[ редактировать ]

Предположим, что существует только k простых чисел ( p 1 , ..., p k ). По основной теореме арифметики любое положительное целое число n можно представить в виде где неотрицательных целых показателей e i вместе со списком простых чисел конечного размера достаточно для восстановления числа. С для всех i отсюда следует, что для всех я (где обозначает логарифм по основанию 2). Это дает кодировку для n следующего размера (с использованием обозначения big O ):

биты.

Это гораздо более эффективное кодирование, чем представление n непосредственно в двоичном виде, которое требует биты. Установленный результат сжатия данных без потерь гласит, что обычно невозможно сжать N бит информации менее чем в N бит. Приведенное выше представление нарушает это правило, когда n достаточно велико, поскольку . Следовательно, число простых чисел не должно быть конечным. [16]

Доказательство с использованием аргумента чет-нечет.

[ редактировать ]

Ромео Мештрович использовал четно-нечетный аргумент, чтобы показать, что если число простых чисел не бесконечно, то 3 — самое большое простое число, противоречие. [17]

Предположим, что это все простые числа. Учитывать и заметим, что по предположению все положительные целые числа, относительно простые с ним, находятся в множестве . В частности, является относительно простым для и так есть . Однако это означает, что это нечетное число в наборе , так , или . Это означает, что должно быть наибольшим простым числом, что является противоречием.

Примечание. Приведенное выше доказательство продолжает работать, если заменяется любым простым числом с , продукт становится и аргумент «четное против нечетного» заменяется на «делимый против не делящегося на» аргумент. Возникающее противоречие состоит в том, что должно одновременно быть равным и быть больше, чем , [а] что невозможно.

Более сильные результаты

[ редактировать ]

Из теорем этого раздела одновременно вытекают теорема Евклида и другие результаты.

Теорема Дирихле об арифметических прогрессиях

[ редактировать ]

Теорема Дирихле утверждает, что для любых двух положительных взаимно простых целых чисел a и d существует бесконечно много простых чисел вида a + nd , где n также является положительным целым числом. существует бесконечно много простых чисел конгруэнтных модулю d Другими словами , , .

Теорема о простых числах

[ редактировать ]

Пусть π ( x ) будет функцией подсчета простых чисел , которая дает количество простых чисел, меньших или равных x , для любого действительного числа x . Теорема о простых числах тогда утверждает, что / log x является хорошим приближением к π ( x ) в том смысле, что предел частного x двух функций π ( x ) и x /log x при x неограниченном увеличении равен 1 :

Используя асимптотические обозначения, этот результат можно переформулировать как

Это дает теорему Евклида, поскольку

Теорема Бертрана – Чебышева

[ редактировать ]

В чисел теории постулат Бертрана — это теорема, утверждающая, что для любого целого числа , всегда существует хотя бы одно простое число такое, что

Теорему Бертрана – Чебышева также можно сформулировать как связь с , где функция подсчета простых чисел (количество простых чисел, меньшее или равное ):

для всех


Это утверждение было впервые высказано в 1845 году Жозефом Бертраном. [18] (1822–1900). Сам Бертран проверил свое утверждение для всех чисел интервала [2, 3 × 10 6 ]. Его гипотеза была полностью доказана Чебышевым ( 1821–1894 ) в 1852 г. [19] и поэтому постулат также называют теоремой Бертрана-Чебышева или теоремой Чебышева .

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ В приведенном выше доказательстве (с ), это противоречие будет выглядеть следующим образом: . В более общем доказательстве противоречие будет следующим: ; то есть, заменяет и коэффициент является наименьшим простым числом в .
  1. ^ Джеймс Уильямсон (переводчик и комментатор), Элементы Евклида, с диссертациями , Clarendon Press , Оксфорд, 1782, стр. 63.
  2. ^ Оре, Эйстейн (1988) [1948], Теория чисел и ее история , Дувр, с. 65
  3. ^ В общем, для любых целых чисел a , b , c, если и , затем . Дополнительную информацию см. в разделе Делимость .
  4. ^ Точная формулировка утверждения Евклида: «Простые числа более многочисленны, чем любое предполагаемое множество простых чисел».
  5. ^ Кац, Виктор Дж. (1998), История математики / Введение (2-е изд.), Аддисон Уэсли Лонгман, стр. 87
  6. ^ Майкл Харди и Кэтрин Вудголд, «Prime Simplicity», Mathematical Intelligencer , том 31, номер 4, осень 2009 г., страницы 44–52.
  7. ^ Франзен, Торкель (2004), Неисчерпаемость: неисчерпывающее лечение , AK Peters, Ltd, стр. 101
  8. ^ Босток, Линда; Чендлер, Сюзанна; Рурк, К. (1 ноября 2014 г.). Дальше чистая математика . Нельсон Торнс. п. 168. ИСБН  9780859501033 .
  9. ^ Теоремы 7 и их следствия 1 и 2 в: Леонард Эйлер. Различные наблюдения о бесконечных рядах. Commentarii Academiae scientiarum Imperialis Petropolitanae 9, 1744, стр. 160–188. [1 ] (Оригинал) [2] . (английская версия перевода)
  10. ^ В своей «Истории теории чисел» (том 1, стр. 413) Диксон ссылается на это доказательство, а также на другое, цитируя страницу 235 другой работы Эйлера: Introductio in Analysin Infinitorum. Томус Примус. Буске, Лозанна, 1748 год . [3] . Там (§ 279) Эйлер фактически переформулирует гораздо более сильную теорему 19 (описанную ниже) в статье своего предыдущего доказательства.
  11. ^ Хэвил, Джулиан (2003). Гамма: изучение постоянной Эйлера . Издательство Принстонского университета. стр. 28–29 . ISBN  0-691-09983-9 .
  12. ^ Фюрстенберг, Гарри (1955). «О бесконечности простых чисел». Американский математический ежемесячник . 62 (5): 353. дои : 10.2307/2307043 . JSTOR   2307043 . МР   0068566 .
  13. ^ Хуан Пабло Пинаско, «Новые доказательства теорем Евклида и Эйлера», American Mathematical Monthly , том 116, номер 2, февраль 2009 г., страницы 172–173.
  14. ^ Джуно Питер Ванг, «Еще одно доказательство бесконечности простых чисел», American Mathematical Monthly , том 117, номер 2, февраль 2010 г., страница 181.
  15. ^ Сайдак, Филип (декабрь 2006 г.). «Новое доказательство теоремы Евклида» . Американский математический ежемесячник . 113 (10): 937–938. дои : 10.2307/27642094 . JSTOR   27642094 .
  16. ^ Шен, Александр (2016), Колмогоровская сложность и алгоритмическая случайность (PDF) , AMS, стр. 245
  17. ^ Мештрович, Ромео (13 декабря 2017 г.). «Очень короткое доказательство бесконечности простых чисел» . Американский математический ежемесячник . 124 (6): 562. doi : 10.4169/amer.math.monthly.124.6.562 . Проверено 30 июня 2024 г.
  18. ^ Бертран, Жозеф (1845), «Память о количестве значений, которые может принимать функция, когда мы переставляем содержащиеся в ней буквы». , Journal de l’École Royale Polytechnique (на французском языке), 18 (Cahier 30): 123–140 .
  19. ^ Чебышев П. (1852), «Память о простых числах». (PDF) , Журнал чистой и прикладной математики , серия 1 (на французском языке): 366–390 . (Доказательство постулата: 371–382). См. также «Воспоминания об Императорской Петербургской Академии наук», т. 1, с. 7, с. 15–33, 1854 г.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 65fe6198be87949f62fcba1f0ad3543f__1719832560
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/65/3f/65fe6198be87949f62fcba1f0ad3543f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Euclid's theorem - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)