第四百四十四章 素数无限的证法
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444章
关于“素数有无穷多个”的证明方法，目前最被认可的是数学家欧里几得在《几何原本》第 9 卷的第 20 个命题列出的证明过程。
因此，这一命题也因此被称为了“欧几里德定理”。
欧里几得的证法很简单，也很平凡，因此得以进入初等数学的课堂。
他首先是假设素数是有限的，假设素数只有有限的n个，最大的一个素数是p。
然后设q为所有素数之积加上1，那么，q=（ 2×3×5×…×p ）+1不是素数，那么，q可以被2、3、…、p中的数整除。
而q被这2、3、…、p中任意一个整除都会余1，与之矛盾。所以，素数是无限的。
这个古老而又简便的证明法，即便时隔两千多年，都无法否认它的强大。
…………
“我觉得既然是比数量的话，那我们最好就在欧里几得的证明法的基础上进行变种，这样浪费的时间估计会少一点。”
“嗯，我也这么觉得，毕竟我们只有半个小时的时间，我们三个至少每个人要想出来一个变种才有获胜的希望。”
“不不不，三个绝对不够，其他学校也不都是一些无能之辈，我觉得要争前三的话，起码五个更稳妥！我们最多用二十分钟的时间各自想出一个变种，然后我们三人最后十分钟再合力看看还有没有什么其他的思路。”
“好吧，那就这样。”
两位队友在激烈的讨论着。在达成了一致意见后，便齐齐扭头看向程诺。
“程诺，你没问题吧？”虽然时间紧迫，但两人还是想问一下程诺的意见。
“呃……，有一句话，我不知道当讲不当讲。”程诺挠挠头道。
两人一愣，回道，“但说无妨。”
“我们为什么非要琢磨欧里几得证明法的变种，而不去寻找新的方向进行证明呢？”程诺问道。
程诺的话把两人问的哑口无言。
他们又何尝不想去寻找另一个证明素数无穷命题的新方向。
但这是在比赛，不是在搞研究。
而衡量的标准是数量，也并非是质量。
在欧里几得证明法的基础上进行变种，就像于是站立在巨人的肩膀上，无论是研究难度，还是研究时间，都会大大缩减。
而寻找另一种证明方向，说起来简单，但那可是一个从无到有的过程，艰辛无比。并且失败的可能性极高。
两人没有那勇气，也没有那信心尝试去做那个开拓者。
队友苦笑，“不是我们不想，而实在是我们没有那底气说有那实力去做。就算我们三人合力，半小时的时间也未必能找到一个新的方向去证明素数无穷命题。”
程诺耸耸肩，笑道，“不啊，我现在脑子里就有许多新想法。”
两人默默对视一眼，皆是怀疑程诺话语的真实性。
一人狐疑的问道，“程诺同学，那能不能随便给我们举几个栗子？”
程诺往篝火中心挪了挪，换了个舒服的坐姿，慢悠悠的开口，“当然没问题。”
程诺竖起了一根手指，“第一个，利用互素序列进行证明。”
两人也很好奇程诺究竟会说些什么，竖起耳朵倾听。
“你们想一下，假如能找到一个无穷序列，其中任意两项都是互素的，即所谓互素序列，那就等于证明了素数有无穷多个——因为每一项的素因子都彼此不同，项数无穷，素因子的个数、从而素数的个数，自然也就无穷。”
“那什么样的序列既是无穷序列又是互素序列？”一人忍不住问道。
程诺打了响指，笑呵呵的开口说道，“其实这个序列你们应该都听说过，数学家哥德巴赫在给数学家欧拉的一封信中，提到了一个完全由费马数：Fn = 2^2^n + 1 (n = 0， 1，...)组成的序列这个概念，通过Fn - 2 = F0F1···Fn-1这个公式，可以证明费马数之间是彼此互素的。”
“以上，利用费马数组成的序列，就可以轻松得到素数无限的一个证明法。”程诺语气停顿了一下，开口说道，“下面我说第二个。”
“等一下！”一位队友大声叫停了程诺，急忙从背后的书包里拿出一摞草稿纸，将程诺提出的第一个证明法记下以后，才不好意思的对程诺说道，“你继续吧。”
他这么大声，自然引起了旁边许多学校的注意。
于是当众人看到剑桥大学这边两位天资横溢的博士生，此时却宛若小学生一般，仰着头期待着那边程诺讲话，皆是一脸的疑惑之色。
但时间紧迫，众人的视线只是在剑桥大学的队伍上停留了几秒时间，便匆匆接着自己的埋头苦算。
“呃，那我接着说。”程诺接着说道，“我第二个想出的办法是利用素数的分布进行求证。”
“法国数学家阿达马和比利时数学家瓦莱-普森于 1896 年证明的素数定理中指出，N 以内的素数个数π(N)的渐近分布为π(N)~ N/ln(N)，N/ln(N)随 N 趋于无穷……”
“……由上，可得知对任意正整数 n ≥ 2，至少存在一个素数 p 使得 n < p < 2n。”程诺边说，一旁那位队友便在纸上唰唰的记着，双眼中满是掩饰不住的兴奋之色。
本以为程诺能提出一个新方向的证明方法，已经是实属难得，可未曾料想，程诺一口气直接提出了两个。
但程诺让两人的惊讶还在继续。
程诺瞥见记录的那位队友已经记完，清了清嗓子，开口道，“再说第三个。”
“还有？”队友诧异出声。
“当然还有。”程诺笑呵呵的说道，望着揉着手腕的队友，“这才哪到哪！”
“第三种，利用代数数论的知识证明。利用代数数论手段证明素数有无穷多个的出发点之一是利用所谓的欧拉φ函数。”
“对任一正整数 n，欧拉φ函数的取值φ(n)定义为：φ(n):=不大于 n 且与 n 互素的正整数的个数。对任一素数 p，φ(p)= p - 1，这个是因为 1，...， p - 1 这 p - 1 个不大于 p 的正整数显然都跟 p 互素。”
“然后，对两个不同的素数 p1 和 p2，φ(p1p2)=(p1 - 1)(p2 - 1)，这是因为……”
444章
关于“素数有无穷多个”的证明方法，目前最被认可的是数学家欧里几得在《几何原本》第 9 卷的第 20 个命题列出的证明过程。
因此，这一命题也因此被称为了“欧几里德定理”。
欧里几得的证法很简单，也很平凡，因此得以进入初等数学的课堂。
他首先是假设素数是有限的，假设素数只有有限的n个，最大的一个素数是p。
然后设q为所有素数之积加上1，那么，q=（ 2×3×5×…×p ）+1不是素数，那么，q可以被2、3、…、p中的数整除。
而q被这2、3、…、p中任意一个整除都会余1，与之矛盾。所以，素数是无限的。
这个古老而又简便的证明法，即便时隔两千多年，都无法否认它的强大。
…………
“我觉得既然是比数量的话，那我们最好就在欧里几得的证明法的基础上进行变种，这样浪费的时间估计会少一点。”
“嗯，我也这么觉得，毕竟我们只有半个小时的时间，我们三个至少每个人要想出来一个变种才有获胜的希望。”
“不不不，三个绝对不够，其他学校也不都是一些无能之辈，我觉得要争前三的话，起码五个更稳妥！我们最多用二十分钟的时间各自想出一个变种，然后我们三人最后十分钟再合力看看还有没有什么其他的思路。”
“好吧，那就这样。”
两位队友在激烈的讨论着。在达成了一致意见后，便齐齐扭头看向程诺。
“程诺，你没问题吧？”虽然时间紧迫，但两人还是想问一下程诺的意见。
“呃……，有一句话，我不知道当讲不当讲。”程诺挠挠头道。
两人一愣，回道，“但说无妨。”
“我们为什么非要琢磨欧里几得证明法的变种，而不去寻找新的方向进行证明呢？”程诺问道。
程诺的话把两人问的哑口无言。
他们又何尝不想去寻找另一个证明素数无穷命题的新方向。
但这是在比赛，不是在搞研究。
而衡量的标准是数量，也并非是质量。
在欧里几得证明法的基础上进行变种，就像于是站立在巨人的肩膀上，无论是研究难度，还是研究时间，都会大大缩减。
而寻找另一种证明方向，说起来简单，但那可是一个从无到有的过程，艰辛无比。并且失败的可能性极高。
两人没有那勇气，也没有那信心尝试去做那个开拓者。
队友苦笑，“不是我们不想，而实在是我们没有那底气说有那实力去做。就算我们三人合力，半小时的时间也未必能找到一个新的方向去证明素数无穷命题。”
程诺耸耸肩，笑道，“不啊，我现在脑子里就有许多新想法。”
两人默默对视一眼，皆是怀疑程诺话语的真实性。
一人狐疑的问道，“程诺同学，那能不能随便给我们举几个栗子？”
程诺往篝火中心挪了挪，换了个舒服的坐姿，慢悠悠的开口，“当然没问题。”
程诺竖起了一根手指，“第一个，利用互素序列进行证明。”
两人也很好奇程诺究竟会说些什么，竖起耳朵倾听。
“你们想一下，假如能找到一个无穷序列，其中任意两项都是互素的，即所谓互素序列，那就等于证明了素数有无穷多个——因为每一项的素因子都彼此不同，项数无穷，素因子的个数、从而素数的个数，自然也就无穷。”
“那什么样的序列既是无穷序列又是互素序列？”一人忍不住问道。
程诺打了响指，笑呵呵的开口说道，“其实这个序列你们应该都听说过，数学家哥德巴赫在给数学家欧拉的一封信中，提到了一个完全由费马数：Fn = 2^2^n + 1 (n = 0， 1，...)组成的序列这个概念，通过Fn - 2 = F0F1···Fn-1这个公式，可以证明费马数之间是彼此互素的。”
“以上，利用费马数组成的序列，就可以轻松得到素数无限的一个证明法。”程诺语气停顿了一下，开口说道，“下面我说第二个。”
“等一下！”一位队友大声叫停了程诺，急忙从背后的书包里拿出一摞草稿纸，将程诺提出的第一个证明法记下以后，才不好意思的对程诺说道，“你继续吧。”
他这么大声，自然引起了旁边许多学校的注意。
于是当众人看到剑桥大学这边两位天资横溢的博士生，此时却宛若小学生一般，仰着头期待着那边程诺讲话，皆是一脸的疑惑之色。
但时间紧迫，众人的视线只是在剑桥大学的队伍上停留了几秒时间，便匆匆接着自己的埋头苦算。
“呃，那我接着说。”程诺接着说道，“我第二个想出的办法是利用素数的分布进行求证。”
“法国数学家阿达马和比利时数学家瓦莱-普森于 1896 年证明的素数定理中指出，N 以内的素数个数π(N)的渐近分布为π(N)~ N/ln(N)，N/ln(N)随 N 趋于无穷……”
“……由上，可得知对任意正整数 n ≥ 2，至少存在一个素数 p 使得 n < p < 2n。”程诺边说，一旁那位队友便在纸上唰唰的记着，双眼中满是掩饰不住的兴奋之色。
本以为程诺能提出一个新方向的证明方法，已经是实属难得，可未曾料想，程诺一口气直接提出了两个。
但程诺让两人的惊讶还在继续。
程诺瞥见记录的那位队友已经记完，清了清嗓子，开口道，“再说第三个。”
“还有？”队友诧异出声。
“当然还有。”程诺笑呵呵的说道，望着揉着手腕的队友，“这才哪到哪！”
“第三种，利用代数数论的知识证明。利用代数数论手段证明素数有无穷多个的出发点之一是利用所谓的欧拉φ函数。”
“对任一正整数 n，欧拉φ函数的取值φ(n)定义为：φ(n):=不大于 n 且与 n 互素的正整数的个数。对任一素数 p，φ(p)= p - 1，这个是因为 1，...， p - 1 这 p - 1 个不大于 p 的正整数显然都跟 p 互素。”
“然后，对两个不同的素数 p1 和 p2，φ(p1p2)=(p1 - 1)(p2 - 1)，这是因为……”