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費馬數

未解決的数学問題时,是否每个费马数都是合数

費馬數是以数学家费马命名的一组自然数,具有形式:

其中n为非负整数。

若2n + 1是素数,可以得到n必须是2的。(若n = ab,其中1 < a, b < nb为奇数,则2n + 1 ≡ (2a)b + 1 ≡ (−1)b + 1 ≡ 0(mod 2a + 1),即2a + 1是2n + 1的因數。)也就是说,所有具有形式2n + 1的素数必然是費馬數,这些素数称为費馬素數。已知的費馬素數只有F0F4五個。

基本性质

费马数满足以下的递归关系

 
 
 
 

其中n ≥ 2。这些等式都可以用数学归纳法推出。从最后一个等式中,我们可以推出哥德巴赫定理:任何两个费马数都没有大于1的公因子。要推出这个,我们需要假设 0 ≤ i < jFiFj 有一个公因子 a > 1。那么 a 能把

 

Fj都整除;则a能整除它们相减的差。因为a > 1,这使得a = 2。造成矛盾。因为所有的费马数显然是奇数。作为一个推论,我们得到素数个数无穷的又一个证明。

其他性质:

  • Fn的位数D(n,b)可以表示成以b基数就是
  (参见高斯函数).
  • 除了F1 = 2 + 3以外没有费马数可以表示成两个素数的和。
  • p是奇素数的时候,没有费马数可以表示成两个数的p次方相减的形式。
  • 除了F0和F1,费马数的最后一位是7。
  • 所有费马数(OEIS數列A051158)的倒数之和是无理数。 (Solomon W. Golomb, 1963)

费马数的因式分解

最小的12个費馬數为:

F0 = 21 + 1 = 3
F1 = 22 + 1 = 5
F2 = 24 + 1 = 17
F3 = 28 + 1 = 257
F4 = 216 + 1 = 65,537 以上5个是已知的费马素数。
F5 = 232 + 1 = 4,294,967,297
= 641 × 6,700,417
F6 = 264 + 1 = 18,446,744,073,709,551,617
= 274,177 × 67,280,421,310,721
F7 = 2128 + 1 = 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,457
= 59,649,589,127,497,217 × 5,704,689,200,685,129,054,721
F8 = 2256 + 1 = 115,792,089,237,316,195,423,570,985,008,687,907,853,269,984,665,640,564,039,457,584,007,913,129,639,937
= 1,238,926,361,552,897 × 93,461,639,715,357,977,769,163,558,199,606,896,584,051,237,541,638,188,580,280,321
F9 = 2512 + 1 = 13,407,807,929,942,597,099,574,024,998,205,846,127,479,365,820,592,393,377,723,561,443,721,764,030,073,546,
976,801,874,298,166,903,427,690,031,858,186,486,050,853,753,882,811,946,569,946,433,649,006,084,097
= 2,424,833 × 7,455,602,825,647,884,208,337,395,736,200,454,918,783,366,342,657 × 741,640,062,627,530,801,524,787,141,901,937,474,059,940,781,097,519,023,905,821,316,144,415,759,504,705,008,092,818,711,693,940,737
F10 = 21024 + 1 = 179,769,313,486,231,590,772,930,519,078,902,473,361,797,697,894,230,657,273,430,081,157,732,675,805,500,963,132,708,477,322,407,536,021,120,
113,879,871,393,357,658,789,768,814,416,622,492,847,430,639,474,124,377,767,893,424,865,485,276,302,219,601,246,094,119,453,082,952,085,
005,768,838,150,682,342,462,881,473,913,110,540,827,237,163,350,510,684,586,298,239,947,245,938,479,716,304,835,356,329,624,224,137,217
= 45,592,577 × 6,487,031,809 × 4,659,775,785,220,018,543,264,560,743,076,778,192,897 ×

130,439,874,405,488,189,727,484,768,796,509,903,946,608,530,841,611,892,186,895,295,776,832,416,251,471,863,574,
140,227,977,573,104,895,898,783,928,842,923,844,831,149,032,913,798,729,088,601,617,946,094,119,449,010,595,906,
710,130,531,906,171,018,354,491,609,619,193,912,488,538,116,080,712,299,672,322,806,217,820,753,127,014,424,577

F11 = 22048 + 1 = 32,317,006,071,311,007,300,714,876,688,669,951,960,444,102,669,715,484,032,130,345,427,524,655,138,867,890,893,197,201,411,522,913,463,688,717,
960,921,898,019,494,119,559,150,490,921,095,088,152,386,448,283,120,630,877,367,300,996,091,750,197,750,389,652,106,796,057,638,384,067,
568,276,792,218,642,619,756,161,838,094,338,476,170,470,581,645,852,036,305,042,887,575,891,541,065,808,607,552,399,123,930,385,521,914,
333,389,668,342,420,684,974,786,564,569,494,856,176,035,326,322,058,077,805,659,331,026,192,708,460,314,150,258,592,864,177,116,725,943,
603,718,461,857,357,598,351,152,301,645,904,403,697,613,233,287,231,227,125,684,710,820,209,725,157,101,726,931,323,469,678,542,580,656,
697,935,045,997,268,352,998,638,215,525,166,389,437,335,543,602,135,433,229,604,645,318,478,604,952,148,193,555,853,611,059,596,230,657
= 319,489 × 974,849 × 167,988,556,341,760,475,137 × 3,560,841,906,445,833,920,513 ×

173,462,447,179,147,555,430,258,970,864,309,778,377,421,844,723,664,084,649,347,019,061,363,579,192,879,108,857,591,038,330,408,837,177,983,810,868,451,
546,421,940,712,978,306,134,189,864,280,826,014,542,758,708,589,243,873,685,563,973,118,948,869,399,158,545,506,611,147,420,216,132,557,017,260,564,139,
394,366,945,793,220,968,665,108,959,685,482,705,388,072,645,828,554,151,936,401,912,464,931,182,546,092,879,815,733,057,795,573,358,504,982,279,280,090,
942,872,567,591,518,912,118,622,751,714,319,229,788,100,979,251,036,035,496,917,279,912,663,527,358,783,236,647,193,154,777,091,427,745,377,038,294,
584,918,917,590,325,110,939,381,322,486,044,298,573,971,650,711,059,244,462,177,542,540,706,913,047,034,664,643,603,491,382,441,723,306,598,834,177

其中前八个来源于(OEIS數列A000215)。

只有最小的12个費馬數被人们完全分解[1]

历史

1640年,费马提出了一个猜想,認為所有的费马数都是素数。这一猜想对最小的5个費馬數成立,于是费马宣称他找到了表示素数的公式。然而,欧拉在1732年否定了这一猜想,他给出了F5的分解式:

F5 = 232 + 1 = 4294967297 = 641 × 6700417

歐拉證明費馬數的因數皆可表成k2n+1 + 1,之後卢卡斯證明費馬數的因數皆可表成k2n+2 + 1。

定理

素性检验

 为第n个费马数。如果n不等于零,那么:

 是素数,当且仅当 

证明

假设以下等式成立:

 

那么 ,因此满足3k=1(mod )的最小整数k一定整除 ,它是2的幂。另一方面,k不能整除 ,因此它一定等于 。特别地,存在至少 个小于 且与 互素的数,这只能在 是素数时才能发生。

假设 是素数。根据欧拉准则,有:

 ,

其中 勒让德符号。利用重复平方,我们可以发现 ,因此 ,以及 。因为 ,根据二次互反律,我们便可以得出结论 

注释

  1. ^ (英文) 費馬數的分解 (页面存档备份,存于互联网档案馆

費馬數, 未解決的数学問題, 当n, displaystyle, 是否每个费马数都是合数, 是以数学家费马命名的一组自然数, 具有形式, displaystyle, 其中n为非负整数, 若2n, 1是素数, 可以得到n必须是2的幂, 若n, 其中1, n且b为奇数, 则2n, 即2a, 1是2n, 1的因數, 也就是说, 所有具有形式2n, 1的素数必然是, 这些素数称为費馬素數, 已知的費馬素數只有f0至f4五個, 目录, 基本性质, 费马数的因式分解, 历史, 定理, 素性检验, 证明, 注释基本性质, 编辑费. 未解決的数学問題 当n gt 4 displaystyle n gt 4 时 是否每个费马数都是合数 費馬數是以数学家费马命名的一组自然数 具有形式 F n 2 2 n 1 displaystyle F n 2 2 n 1 其中n为非负整数 若2n 1是素数 可以得到n必须是2的幂 若n ab 其中1 lt a b lt n且b为奇数 则2n 1 2a b 1 1 b 1 0 mod 2a 1 即2a 1是2n 1的因數 也就是说 所有具有形式2n 1的素数必然是費馬數 这些素数称为費馬素數 已知的費馬素數只有F0至F4五個 目录 1 基本性质 2 费马数的因式分解 3 历史 4 定理 5 素性检验 5 1 证明 6 注释基本性质 编辑费马数满足以下的递归关系 F n F n 1 1 2 1 displaystyle F n F n 1 1 2 1 F n F n 1 2 2 n 1 F 0 F n 2 displaystyle F n F n 1 2 2 n 1 F 0 cdots F n 2 F n F n 1 2 2 F n 2 1 2 displaystyle F n F n 1 2 2 F n 2 1 2 F n F 0 F n 1 2 displaystyle F n F 0 cdots F n 1 2 其中n 2 这些等式都可以用数学归纳法推出 从最后一个等式中 我们可以推出哥德巴赫定理 任何两个费马数都没有大于1的公因子 要推出这个 我们需要假设 0 i lt j 且 Fi 和 Fj 有一个公因子 a gt 1 那么 a 能把 F 0 F j 1 displaystyle F 0 cdots F j 1 和Fj都整除 则a能整除它们相减的差 因为a gt 1 这使得a 2 造成矛盾 因为所有的费马数显然是奇数 作为一个推论 我们得到素数个数无穷的又一个证明 其他性质 Fn的位数D n b 可以表示成以b 为基数就是D n b log b 2 2 n 1 1 2 n log b 2 1 displaystyle D n b left lfloor log b left 2 2 overset n 1 right 1 right rfloor approx lfloor 2 n log b 2 1 rfloor 参见高斯函数 除了F1 2 3以外没有费马数可以表示成两个素数的和 当p是奇素数的时候 没有费马数可以表示成两个数的p次方相减的形式 除了F0和F1 费马数的最后一位是7 所有费马数 OEIS數列A051158 的倒数之和是无理数 Solomon W Golomb 1963 费马数的因式分解 编辑最小的12个費馬數为 F0 21 1 3F1 22 1 5F2 24 1 17F3 28 1 257F4 216 1 65 537 以上5个是已知的费马素数 F5 232 1 4 294 967 297 641 6 700 417F6 264 1 18 446 744 073 709 551 617 274 177 67 280 421 310 721F7 2128 1 340 282 366 920 938 463 463 374 607 431 768 211 457 59 649 589 127 497 217 5 704 689 200 685 129 054 721F8 2256 1 115 792 089 237 316 195 423 570 985 008 687 907 853 269 984 665 640 564 039 457 584 007 913 129 639 937 1 238 926 361 552 897 93 461 639 715 357 977 769 163 558 199 606 896 584 051 237 541 638 188 580 280 321F9 2512 1 13 407 807 929 942 597 099 574 024 998 205 846 127 479 365 820 592 393 377 723 561 443 721 764 030 073 546 976 801 874 298 166 903 427 690 031 858 186 486 050 853 753 882 811 946 569 946 433 649 006 084 097 2 424 833 7 455 602 825 647 884 208 337 395 736 200 454 918 783 366 342 657 741 640 062 627 530 801 524 787 141 901 937 474 059 940 781 097 519 023 905 821 316 144 415 759 504 705 008 092 818 711 693 940 737F10 21024 1 179 769 313 486 231 590 772 930 519 078 902 473 361 797 697 894 230 657 273 430 081 157 732 675 805 500 963 132 708 477 322 407 536 021 120 113 879 871 393 357 658 789 768 814 416 622 492 847 430 639 474 124 377 767 893 424 865 485 276 302 219 601 246 094 119 453 082 952 085 005 768 838 150 682 342 462 881 473 913 110 540 827 237 163 350 510 684 586 298 239 947 245 938 479 716 304 835 356 329 624 224 137 217 45 592 577 6 487 031 809 4 659 775 785 220 018 543 264 560 743 076 778 192 897 130 439 874 405 488 189 727 484 768 796 509 903 946 608 530 841 611 892 186 895 295 776 832 416 251 471 863 574 140 227 977 573 104 895 898 783 928 842 923 844 831 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6700417歐拉證明費馬數的因數皆可表成k2n 1 1 之後卢卡斯證明費馬數的因數皆可表成k2n 2 1 定理 编辑主条目 可作图多边形 高斯称 尺规作图正多边形的边数目的充分条件是2的非負整數次方乘以任意个 可为0个 不同的费马素数的积 解决了兩千年来悬而未决的难题 這個條件也是必要條件 但他沒有給出證明 素性检验 编辑设F n 2 2 n 1 displaystyle F n 2 2 n 1 为第n个费马数 如果n不等于零 那么 F n displaystyle F n 是素数 当且仅当3 F n 1 2 1 mod F n displaystyle 3 frac F n 1 2 equiv 1 pmod F n 证明 编辑 假设以下等式成立 3 F n 1 2 1 mod F n displaystyle 3 frac F n 1 2 equiv 1 pmod F n 那么3 F n 1 1 mod F n displaystyle 3 F n 1 equiv 1 pmod F n 因此满足3k 1 modF n displaystyle F n 的最小整数k一定整除F n 1 2 2 n displaystyle F n 1 2 2 n 它是2的幂 另一方面 k不能整除F n 1 2 displaystyle tfrac F n 1 2 因此它一定等于F n 1 displaystyle F n 1 特别地 存在至少F n 1 displaystyle F n 1 个小于F n displaystyle F n 且与F n displaystyle F n 互素的数 这只能在F n displaystyle F n 是素数时才能发生 假设F n displaystyle F n 是素数 根据欧拉准则 有 3 F n 1 2 3 F n mod F n displaystyle 3 frac F n 1 2 equiv left frac 3 F n right pmod F n 其中 3 F n displaystyle left frac 3 F n right 是勒让德符号 利用重复平方 我们可以发现2 2 n 1 mod 3 displaystyle 2 2 n equiv 1 pmod 3 因此F n 2 mod 3 displaystyle F n equiv 2 pmod 3 以及 F n 3 1 displaystyle left frac F n 3 right 1 因为F n 1 mod 4 displaystyle F n equiv 1 pmod 4 根据二次互反律 我们便可以得出结论 3 F n 1 displaystyle left frac 3 F n right 1 注释 编辑 英文 費馬數的分解 页面存档备份 存于互联网档案馆 取自 https zh wikipedia org w index php title 費馬數 amp oldid 75199477, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

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