Теорема Евклида
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]

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 ]- ^ 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 .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джеймс Уильямсон (переводчик и комментатор), Элементы Евклида, с диссертациями , Clarendon Press , Оксфорд, 1782, стр. 63.
- ^ Оре, Эйстейн (1988) [1948], Теория чисел и ее история , Дувр, с. 65
- ^ В общем, для любых целых чисел a , b , c, если и , затем . Дополнительную информацию см. в разделе Делимость .
- ^ Точная формулировка утверждения Евклида: «Простые числа более многочисленны, чем любое предполагаемое множество простых чисел».
- ^ Кац, Виктор Дж. (1998), История математики / Введение (2-е изд.), Аддисон Уэсли Лонгман, стр. 87
- ^ Майкл Харди и Кэтрин Вудголд, «Prime Simplicity», Mathematical Intelligencer , том 31, номер 4, осень 2009 г., страницы 44–52.
- ^ Франзен, Торкель (2004), Неисчерпаемость: неисчерпывающее лечение , AK Peters, Ltd, стр. 101
- ^ Босток, Линда; Чендлер, Сюзанна; Рурк, К. (1 ноября 2014 г.). Дальше чистая математика . Нельсон Торнс. п. 168. ИСБН 9780859501033 .
- ^ 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)
- ^ 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.
- ^ Хэвил, Джулиан (2003). Гамма: изучение постоянной Эйлера . Издательство Принстонского университета. стр. 28–29 . ISBN 0-691-09983-9 .
- ^ Фюрстенберг, Гарри (1955). «О бесконечности простых чисел». Американский математический ежемесячник . 62 (5): 353. дои : 10.2307/2307043 . JSTOR 2307043 . МР 0068566 .
- ^ Хуан Пабло Пинаско, «Новые доказательства теорем Евклида и Эйлера», American Mathematical Monthly , том 116, номер 2, февраль 2009 г., страницы 172–173.
- ^ Джуно Питер Ванг, «Еще одно доказательство бесконечности простых чисел», American Mathematical Monthly , том 117, номер 2, февраль 2010 г., страница 181.
- ^ Сайдак, Филип (декабрь 2006 г.). «Новое доказательство теоремы Евклида» . Американский математический ежемесячник . 113 (10): 937–938. дои : 10.2307/27642094 . JSTOR 27642094 .
- ^ Шен, Александр (2016), Колмогоровская сложность и алгоритмическая случайность (PDF) , AMS, стр. 245
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Вайсштейн, Эрик В. «Теорема Евклида» . Математический мир .
- Элементы Евклида, Книга IX, Предложение 20 (доказательство Евклида, на сайте Дэвида Джойса в Университете Кларка)