Красивые аномалии встречаются в каждом предмете, но если есть одна область красоты, с которой согласится большинство математиков, то это простое число.
Эти числа занимают уникальный пьедестал в математике, особенно в области теории чисел. Великие умы потратили бесчисленные часы для расследования этой проблемы, в том числе такие великие умы, как Пол Эрдос, Г.Х. Харди и Сриниваса Рамануджан, и это лишь некоторые из них. Теперь, прежде чем мы углубимся в различные алгоритмы, чтобы найти простые числа, давайте сначала установим предварительное понимание простых чисел.
Что такое простые числа?
Самое техническое определение простых чисел состоит в том, что это натуральное число больше 1 и может быть получено только путем умножения 1 и самого себя. Если бы понимание натуральных чисел было более интуитивным, то можно было бы сказать, что это числа, которые мы используем для подсчета.
Метод Марена Мерсенна
Марен Мерсенн Французский математик
Однако, с появлением компьютеров, они теперь могли выполнять эти вычислительные вычисления, которые раньше делались людьми самым кропотливым и трудоемким образом. Мы определенно достигли более высоких простых чисел Мерсенна и простых чисел на общем уровне. Поиск простых чисел так же активен, как и другие численные поиски, выполняемые компьютерами. Другой числовой поиск, аналогичный движению простых чисел, заключается в добавлении десятичных разрядов к некоторым иррациональным числам, таким как пи (отношение длины окружности к диаметру). Однако непрерывный поиск следующего по величине простого числа существенно сложнее, чем поиск следующей цифры числа Пи.
Даже самые большие компьютеры (суперкомпьютеры) тратят значительное количество времени, чтобы проверить, является ли новое число (которое обычно ошеломляюще огромным) само по себе простым числом, и требуется еще больше времени, чтобы проверить, является ли число основным числом Мерсенна. По этой причине числа Мерсенна представляют большой интерес в области кибербезопасности и криптографии, особенно в отношении шифрования.
В августе 2008 года системный администратор UCLA Эдсон Смит нашел наиболее значимое простое число, известное на тот момент. Смит установил программное обеспечение для Great Internet Mersenne Prime Search (Gimps), проекта распределенных вычислений на добровольной основе. Это число было простым числом Мерсенна длиной 12 978 189 цифр. Чтобы дать представление о том, насколько он велик, на его написание уйдет почти два с половиной месяца, а в случае печати он растянется на 50 км!
Метод простых чисел Ферма
Пьер де Ферма (фр. Pierre de Fermat, 17 августа 1601 — 12 января 1665) — французский математик-самоучка, один из создателей аналитической геометрии, математического анализа, теории вероятностей и теории чисел.
Когда n = 0, m = 2 0 = 1; поэтому F0 = 2 1 + 1 = 2 + 1 = 3, что является простым. Когда n = 1, m = 2 1 = 2; поэтому F1 = 2 2 + 1 = 4 + 1 = 5, что является простым. Когда n = 2, m = 2 2 = 4; следовательно, F2 = 2 4 + 1 = 16 + 1 = 17, что является простым. Когда n = 3, m = 2 3 = 8; следовательно, F3 = 2 8 + 1 = 256 + 1 = 257, что является простым. Когда n = 4, m = 2 4 = 16; следовательно, F4 = 2 16 + 1 = 65536 + 1 = 65537, что является простым числом. Теперь, как вы можете заметить, к тому времени, когда мы достигнем F5, значение достигает 4 294 967 297.
На сегодняшний день мы достигли только F11, даже со всеми лучшими компьютерами и параллельными вычислениями и большой точностью. В конце концов, однако, мы можем сказать, что поиск простых чисел всегда будет идти до бесконечности и дальше!
Простые числа — это натуральные числа, больше единицы, которые делятся без остатка только на 1 и на само себя. Например: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23. Единица не является ни простым числом, ни составным.
Последовательность простых чисел начинается с 2 и является бесконечной; наименьшее простое число — это 2 (делится на 1 и на самого себя).
Составные числа — это натуральные числа, у которых есть больше двух делителей (1, оно само и например, 2 и/или 3); это противоположность простым числам. Например: 4, 6, 9, 12 (все делятся на 2, на 3, на 1 и на само себя).
Все натуральные числа считаются либо простыми, либо составными (кроме 1).
Натуральные числа — это те числа, которые возникли натуральным образом при счёте предметов; например: 1, 2, 3, 4. (нет ни дробей, ни 0, ни чисел ниже 0).
Зачастую множество простых чисел в математике обозначается буквой P.
Простые числа до 1000
2
3
5
7
11
13
17
19
23
29
31
37
41
43
47
53
59
61
67
71
73
79
83
89
97
101
103
107
109
113
127
131
137
139
149
Как определить, является ли число простым?
Очень простой способ понять, является ли число простым — нужно его разделить на простые числа и посмотреть, получится ли целое число. Сначала нужно попробовать его разделить на 2 и/или на 3. Если получилось целое число, то оно не является простым.
Если после первого деления не получилось целого числа, значит нужно попробовать разделить его на другие простые числа: 5, 7, 11 и т. д. (на 9 делить не нужно, т. к. это не простое число и оно делится на 3, а на него вы уже делили).
Более структурированный метод — это решето Эратосфена.
Решето Эратосфена
Это алгоритм поиска простых чисел. Для этого нужно:
Те числа, которые не будут вычеркнуты в конце этого процесса, являются простыми.
Взаимно простые числа
Это натуральные числа, у которых 1 — это единственный общий делитель. Например:
Число Мерсенна
Простое число Мерсенна — это простое число вида:
До 1536 г. многие считали, что числа такого вида были все простыми, пока математик Ульрих Ригер не доказал, что 2 (^11) – 1 = 2047 было составным (23 x 89). Затем появились и другие составные числа (p = 23, 29, 31, 37 и др.).
Например, для p = 23 это 2 (^23) – 1 = 8 388 607; И 47 x 178481 = 8 388 607, значит оно составное.
Почему 1 не является простым числом?
Российские математики Боревич и Шафаревич в своей знаменитой работе «Теория чисел» (1964 г.) определяют простое число как p (элемент кольца D), не равен ни 0, ни 1. И p можно называть простым числом, если его невозможно разложить на множители ab (т.е. p = ab), притом ни один из них не является единицей в D. Так как 1 невозможно представить ни в одном, ни в другом виде, 1 не считается ни простым числом, ни составным.
Почему 4 не является простым числом?
Простое число — это натуральное число, больше единицы, которое делится без остатка на 1 и на само себя. Т. к. 4 можно разделить на 1, на 2 и на 4, из-за деления на 2 оно не является простым.
Самое большое простое число
21 декабря 2018 года Great Internet Mersenne Prime Search (проект, целью которого является открытие новых простых чисел Мерсенна) обнаружил новое самое большое известное простое число:
Новое простое число также именуется M82589933 и в нём более чем на полтора миллиона цифр больше, чем в предыдущем (найденном годом ранее).
В статье рассматриваются понятия простых и составных чисел. Даются определения таких чисел с примерами. Приводим доказательство того, что количество простых чисел неограниченно и произведем запись в таблицу простых чисел при помощи метода Эратосфена. Будут приведены доказательства того, является ли число простым или составным.
Простые и составные числа – определения и примеры
Простые и составные числа относят к целым положительным. Они обязательно должны быть больше единицы. Делители также подразделяют на простые и составные. Чтобы понимать понятие составных чисел, необходимо предварительно изучить понятия делителей и кратных.
Составными числами называют целые числа, которые больше единицы и имеют хотя бы три положительных делителя.
Единица не является ни простым ни составным числом. Она имеет только один положительный делитель, поэтому отличается от всех других положительных чисел. Все целые положительные числа называют натуральными, то есть используемые при счете.
Простые числа – это натуральные числа, имеющие только два положительных делителя.
Составное число – это натуральное число, имеющее более двух положительных делителей.
Натуральные числа, которые не являются простыми, называют составными.
Таблица простых чисел
Для того, чтобы было проще использовать простые числа, необходимо использовать таблицу:
Рассмотрим теорему, которая объясняет последнее утверждение.
Наименьший положительный и отличный от 1 делитель натурального числа, большего единицы, является простым числом.
Простых чисел бесконечно много.
Видно, что может быть найдено любое простое число среди любого количества заданных простых чисел. Отсюда следует, что простых чисел бесконечно много.
Решето Эратосфена
Данный способ неудобный и долгий. Таблицу составить можно, но придется потратить большое количество времени. Необходимо использовать признаки делимости, которые ускорят процесс нахождения делителей.
Перейдем к формулировке теоремы.
Данное число простое или составное?
Перед решением необходимо выяснять, является ли число простым или составным. Зачастую используются признаки делимости. Рассмотрим это на ниже приведенных примере.
Доказать что число 898989898989898989 является составным.
Простые числа – это числа, которые делятся только на себя и на 1; все остальные числа называются составными числами. Существует множество способов определения того, является ли число простым. Некоторые способы являются относительно простыми, но они не подходят для больших чисел. Другие способы, применимые для больших чисел, фактически представляют собой вероятностные алгоритмы, которые иногда ошибочно характеризуют число как простое или составное.
Метод 1 Перебор делителей
Перебор делителей – самый легкий способ определить простоту числа. В случае малых чисел это, пожалуй, также и самый быстрый способ. Он основан на определении простого числа: число является простым, если оно не имеет делителей кроме самого себя и единицы.
Метод 2 Тест Ферма
В 1640 году французский математик Пьер Ферма впервые сформулировал теорему (малая теорема Ферма), которая используется при определении простоты числа. Фактически, тест Ферма служит для определения составных чисел, а не простых. Этот тест с уверенностью определяет, является ли число составным, или определяет, что число «скорее всего» простое. Тест Ферма полезен в случаях, когда перебор делителей непрактичен и когда доступен список чисел, являющихся исключениями из теоремы.
Метод 3 Тест Миллера-Рабина
Тест Миллера-Рабина эффективно определяет, является ли число составным (и лучше обрабатывает исключения, такие как числа Кармайкла).
Условие задачи 2.30
Задача 2.30 Дан одномерный массив А, состоящий из натуральных чисел. Вывести на экран количество простых чисел в массиве.
Для начала напомню, что такое простые числа.
Простое число — это натуральное число, которое имеет ровно два различных натуральных делителя — единицу и самого себя.
То есть если число делится без остатка только на 1 и на самого себя, то такое число является простым.
Например, простыми числами являются 2, 3, 5 и т.п.
А вот 4 уже не является простым, так как делится без остатка не только на 1 и 4, но ещё и на 2.
Если вы подзабыли, что такое натуральное число, то см. здесь.
А теперь перейдём к задаче. По сути нам нужна программа, определяющая простые числа. А уж перебрать элементы массива в цикле и проверить их значения — это дело техники. Заодно мы можем не только подсчитать, но и вывести на экран простые числа массива.
Как определить простое число в Паскале
Алгоритм решения с подробным разбором приведу на Паскале. Решение на С++ можете посмотреть в примере программы на С++.
ВАЖНО! На этом многие могут ошибиться. В определении сказано, что простое число имеет ровно два различных делителя. Следовательно, число 1 не является простым (также не является простым, так как ноль можно делить на любые числа).
Проверять, является ли число простым, будем с помощью функции, которую сами и создадим. Эта функция будет возвращать TRUE, если число простое.
В функции сначала будем проверять, не является ли число меньше двух. Если да, то это уже не простое число. Если же число равно 2 или 3, то оно является однозначно простым и делать какие-то дополнительные проверки не требуется.
А вот если число N будет больше трёх, то в этом случае в цикле будем перебирать все возможные делители, начиная от 2 до (N-1). Если на какой-то делитель число N делится без остатка, значит, это тоже не простое число. В этом случае мы прерываем цикл (потому что проверять дальше нет смысла), а функция возвращает FALSE.
Проверять, делится ли число на самоё себя нет смысла (поэтому цикл длится только до N-1).
Саму функцию здесь приводить не буду — посмотрите её в примерах программ.
В статье рассматриваются понятия простых и составных чисел. Даются определения таких чисел с примерами. Приводим доказательство того, что количество простых чисел неограниченно и произведем запись в таблицу простых чисел при помощи метода Эратосфена. Будут приведены доказательства того, является ли число простым или составным.
Простые и составные числа – определения и примеры
Простые и составные числа относят к целым положительным. Они обязательно должны быть больше единицы. Делители также подразделяют на простые и составные. Чтобы понимать понятие составных чисел, необходимо предварительно изучить понятия делителей и кратных.
Составными числами называют целые числа, которые больше единицы и имеют хотя бы три положительных делителя.
Единица не является ни простым ни составным числом. Она имеет только один положительный делитель, поэтому отличается от всех других положительных чисел. Все целые положительные числа называют натуральными, то есть используемые при счете.
Простые числа – это натуральные числа, имеющие только два положительных делителя.
Составное число – это натуральное число, имеющее более двух положительных делителей.
Натуральные числа, которые не являются простыми, называют составными.
Таблица простых чисел
Для того, чтобы было проще использовать простые числа, необходимо использовать таблицу:
Рассмотрим теорему, которая объясняет последнее утверждение.
Наименьший положительный и отличный от 1 делитель натурального числа, большего единицы, является простым числом.
Простых чисел бесконечно много.
Видно, что может быть найдено любое простое число среди любого количества заданных простых чисел. Отсюда следует, что простых чисел бесконечно много.
Решето Эратосфена
Данный способ неудобный и долгий. Таблицу составить можно, но придется потратить большое количество времени. Необходимо использовать признаки делимости, которые ускорят процесс нахождения делителей.
Перейдем к формулировке теоремы.
Данное число простое или составное?
Перед решением необходимо выяснять, является ли число простым или составным. Зачастую используются признаки делимости. Рассмотрим это на ниже приведенных примере.
Доказать что число 898989898989898989 является составным.
Простых чисел бесконечное множество. В интернете в свободном доступе можно найти таблицы простых чисел до 21 000 000. Существующие методы проверки чисел на простоту очень сложны, не универсальны, поэтому мной разработан еще один способ проверки числа на простоту для чисел больше 10.
Простое число – целое положительное число, которое имеет два различных натуральных делителя: единицу и самого себя, то есть, если число можно разложить на множители значит оно не простое – а составное.
Пусть А – натуральное число, тогда
где Х и Y – натуральные числа.
Мы знаем, что простые числа не четные, и все числа, заканчивающиеся на 5 и 0 кратны пяти, значит, простые числа всегда заканчиваются на 1, 3, 7, 9. Выберем из таблицы умножения примеры, в которых последняя цифра произведения равна 1 или 3 или 7 или 9 (смотрим рисунок).
Получаем, что бы последняя цифра числа А была равна 1 – последние цифры чисел Х и Y должны быть 1 и 1 (1х1=1) или 3 и 7 (3х7=21) или 9 и 9 (9х9=81).
Что бы последняя цифра числа А была равна 3 – последние цифры чисел Х и Y должны быть равны 1 и 3 (1х3=3) или 7 и 9 (7х9=63).
Что бы последняя цифра числа А была равна 7 – последние цифры чисел Х и Y должны быть равны 1 и 7 (1х7=7) или 3 и 9 (3х9=27).
Что бы последняя цифра числа А была равна 9 – последние цифры числе Х и Y должны быть равны 1 и 9 (1х9=9) или 3 и 3 (3х3=9) или 7 и 7 (7х7=49).
Рассмотрим каждую пару последних цифр для Х и Y по отдельности.
Мы получили уравнение с двумя переменными при известном А. Решений данного уравнения множество, но при условии, что х и у – натуральные, количество решений конечно, или вообще их нет в целочисленном выражении. Получается, если решений нет в натуральных числах, то А является простым числом.
Для остальных пар выполняем аналогичные действия и получаем:
Решение полученных уравнений при больших А – задача трудоемкая, поэтому была написана программа для определения простоты числа согласно нашим уравнениям.
Код написан на Visual Basic.
Данный макрос, написанный на Visual Basic, имеет ряд недостатков. Он ограничен вычислительными возможностями excel и при больших числах более 400млн для предположительно простых чисел выдает ошибку о переполнении. Но, для составных чисел, так как алгоритм после нахождения одного из возможных множителей дальше не считает, макрос считает большие числа. Время расчета в VB составляет 1-5 секунд. Так как расчетные уравнения рассчитаны для чисел больших 10, то простота чисел из первого десятка просто добавлена в макрос.
Таким образом, получен математический способ проверки числа на простоту и написан программный код в Visual Basic для его реализации. Но так как вычислительные возможности в Visual Basic ограничены, для проверки простоты больших чисел требуется написание программы на других языках программирования.
