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02 永无穷尽的素数(第4页)

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另一个观察是似乎存在足够的素数,从而可以保证每个大于2的偶数n总可以写成两个素数之和(哥德巴赫猜想,Goldbaje小于1018的情况,这个结论已经被直接验证。

自然,我们可能会寄希望于沿着伯特兰-切比雪夫定理的思路找到一个证明。

在大于某个给定的整数N时,基于对素数分布的已有知识,我们试图证明:对于任何偶数2n≥N,至少存在一对素数p,q,构成方程p+q=2n的解。

这个途径迄今还没能成功,不过这些思路产生了一些弱一点的结果。

比如,1939年之后我们知道了:每个足够大的奇数是至多三个素数的和;每个偶数是不超过300000个素数的和。

但要想完整地证明哥德巴赫猜想,似乎还有很长的路要走。

还有一个简单的结果,颇有一些上面介绍的这类论断的味道。

它说的是:存在一个小于40亿的数n,有10种不同的方法,可以将它写成4个不同的立方数之和。

已知1729=13+123=93+103是最小的能用两种方法写成两个立方数之和的数。

不过,要想知道一个数n存在,我们并不一定非要确定它的大小。

有时候可以明确地知道一个问题有解,而不是精准地找到一个解。

在这个例子中,我们先指出如果取4个不同的数,它们都不大于一个固定的数m,那么求它们的立方和,结果将小于4m3。

同时,倘若m=1000,那么通过简单的计算就可以发现,选4个不同的数求其立方和,所有可能的情况已经超过了4m3×10种。

由此可推出存在某个数n≤4m3=4000000000一定可以写成4个立方数的和,且至少有10种不同的写法。

具体的计算涉及二项式系数(将在第5章中介绍),但并不困难。

数论中最著名的悬而未决的问题是黎曼猜想[3](RiemannHypothesis),要阐述它必须用到复数(ber)——我们还没有介绍到。

在这里提到它,是因为可以通过素因数分解的唯一性,重新表述这个问题的对象,使得新的提法中出现了一个包含所有素数的无穷乘积。

借助这个表述我们发现,这个猜想表明,素数整体上的分布符合一条规律,那就是在大范围内,素性的出现是随机的。

当然,某个数是否为素数不是一个随机事件。

猜想里说的是,就很大的范围而言,素性是随机显现的,没有任何其他的规律或者结构可循。

很多数论学家衷心希望,在其有生之年,这条有150年历史的猜想能有个定论。

素数是一个极其自然的数列,以至于我们会无法抗拒地去搜寻它们的规律。

然而,不存在有关素数的真正有用的公式。

也就是说,没有已知的规则能够生成所有的素数,甚至无法计算出一个完全由不同的素数组成的数列。

存在一些形式简洁的公式,但几乎没有实用价值,要计算其中一些的值甚至需要素数相关的知识,因此本质上它们算是作弊。

形如n2+n+41的表达式称作多项式(polynomial),这一个多项式能够产生极其大量的素数。

例如,让n依次取值1,7和20,会分别得出素数43,107和461。

确实,输入n=0到n=39,这一表达式的输出都是素数。

但当取n=41时,这个多项式就令我们大失所望了,因为结果会有因数41。

并且,对于n=40也失败了,因为

402+40+41=40(40+1)+41

=40×41+41=(40+1)41=412。

可以轻而易举地证明,一般而言没有某个多项式能给出一个素数的公式,即便允许表达式中存在高于2的幂次也不行。

的确有可能设计出仅用一两句话描述的素性检验的方法。

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