小学数学故事:探寻之旅(一)(2)
对2P-1型素数的搜寻之旅就这样出发了,先后投入这个漫漫长途的就有数学大师费马、笛卡尔、莱布尼兹、哥德巴赫、欧拉、高斯、哈代、图灵……这一个个闪光的名字正如暗夜前行的火炬手,照亮了人类通往未知的道路。
历史的天空闪烁几颗星
让我们将坐上时间机器,回到过去,重新浏览这来路风光吧。
1456年,又一个没有留下姓名的人发现了第5个2P-1型的素数:213-1。若是你就降生在那个年代,或许这次发现的光荣将归属于你。只是,你更有可能犯下和当时的人们一样的错误,以为对于所有的素数P,2P-1都是素数。要知道,这个错误是近百年之后,直到1536年,才由雷吉乌斯(HudalricusRegius)打破的。他指出,211-1=2047=23×89,不是素数。
不过你的莽撞完全可以得到谅解,在黑暗中寻找的数学家正如年轻人一样,犯下的错误连上帝都会原谅。第一个对这种类型的素数进行整理的皮特罗?卡塔尔迪(PietroCataldi)在他在1603年宣布的结果中就言之凿凿地说:对于p=17,19,23,29,31和37,2P-1是素数。只可惜,37年后,他的六个结果就被推翻了两个,费尔马使用著名的小费尔马(不是那个更著名的大费尔马定理)证明了卡塔尔迪关于P=23和37的结论是错误的。
不知道下面的事实会不会让你联想到“屋漏偏逢连夜雨”呢?大约一百年后,1738年,欧拉证明了卡塔尔迪的结果中P=29也是错误的。幸好,欧拉又证明了P=31的结论是对的。
虽然,卡塔尔迪的六个结果“阵亡”了一半,但考虑到他是用手工计算取得结论的,而费尔马和欧拉则是使用了在他们那时最先进的数学知识,避免了许多复杂的计算和因此可能造成的错误,因此我们仍然要对卡塔尔迪致敬。他也由此光荣地占据了第六个和第七个的发现者之位,在他之前的,都是无名氏。
卡塔尔迪的成功,说明了整理和预测是正确道路。继他之后,集研究成果大成的,是17世纪法国著名的数学家和修道士马林?梅森(MarinMersenne,1588-1648)。
梅森热心于宗教,但更喜爱数学;他是一个交往广泛、热情诚挚的人,更是一座“科学信息交换站”。为什么呢?那时候,学术刊物、国际会议甚至科研机构都还没有诞生。“及时雨”般的梅森是欧洲众多科学家之间联系的桥梁,大家把研究成果寄给他,然后再由他转告给更多的人。费马、笛卡尔等数学家每周在他家聚会,讨论问题,就这样慢慢形成的”梅森学院”,后来有了一个更响亮的名字——法兰西科学院。
1644年,梅森在欧几里得、费马等人的有关研究的基础上对2P-1作了大量的计算、验证工作,并于1644年在他的《物理数学随感》一书中断言:对于P=2、3、5、7、13、17、19、31、67、127、257时,2P-1是素数;而对于P等于其他所有小于257的数时,2P-1是合数。这里前7个数(即2,3,5,7,13,17和19)是在前人的工作已经证实的部分。而后面的4个数(即31,67,127和257)属于被猜测的部分。不过,人们对他的断言深信不疑,连大数学家莱布尼兹和哥德巴赫都认为它是对的。
梅森的工作极大地激发了人们研究2P-1型素数的热情,成为素数研究的一个转折点和里程碑。为了纪念他,数学界就把这种数称为“梅森数”,并以Mp记之(其中M为梅森姓名的首字母),即Mp=2P-1。如果梅森数为素数,则称之为“梅森素数”(即2P-1型素数)。
对梅森素数的验证,需要进行艰巨的计算,即使是”猜测”部分中最小的M31=231-1=2147483647,也是一个10位数。而梅森自己则承认:“一个人,使用一般的验证方法,要检验一个15位或20位的数字是否为素数,即使终生的时间也是不够的。”年迈力衰的他四年之后就去世了,最终并没有任何一个梅森素数的发现权归属于他,但考虑到他已经享有了“冠名权”,就把荣誉分给那些在漫漫长途上跋涉的发现者们吧!
