Чтение онлайн

* * *

* * *

Мы видели, как математики, такие как Мерсенн, Ферма, а иногда даже сам Эйлер, искали практические инструменты для работы с числами. Это в некоторой степени подрывало становление строгой теории. Доказательства едва упоминались, но результаты продолжали использоваться. Гаусс начал новую эру в истории математики, настояв на том, что приведение строгих доказательств должно быть главной целью.

Тем не менее с простыми числами мы снова, казалось бы, опираемся на эмпирический подход. Мы используем недоказанные теоремы и полагаемся на результаты, если знаем, что вероятность ошибки очень мала. Мы действуем как Ферма, но даже не пытаемся прятать гипотетические доказательства. Мы можем так делать, потому что, во-первых, имеем огромные возможности благодаря компьютерным алгоритмам, а во-вторых — огромную потребность в больших простых числах.

В чисто теоретическом смысле можно сказать, что простые числа продолжают сопротивляться усилиям математиков. История их исследований в значительной степени является историей неудач. Наибольший успех был с дзета-функцией Римана, но мы все-таки понимаем, что это лишь частичный успех. Эйлер, который был великим математическим провидцем, не испытывал особенно оптимистичных чувств по поводу наших шансов понять эти неуловимые числа: «Математики уже давно тщетно пытаются найти закономерности в последовательности простых чисел, но у меня есть основания полагать, что это тайна, в которую человеческий разум никогда не сможет проникнуть».

Теорема утверждает, что любое натуральное число, отличное от 1, может быть единственным способом выражено в виде произведения простых чисел. Сначала мы должны объяснить, почему единица не считается простым числом.

Существует несколько причин, но наиболее очевидным является тот факт, что для числа 1 теорема не имеет места, так как оно может быть разложено на множители несколькими способами:

1 = 1 х 1 = 1 х 1 х 1 = 1 х 1 х 1 х 1 = …

С этой оговоркой мы можем доказать теорему в два этапа. Сначала покажем, что число может быть представлено в виде произведения, а затем — что это можно сделать единственным способом.

Первую часть докажем методом от противного. Предположим, что n является наименьшим числом, которое не может быть разложено на простые множители. Мы знаем, что это число не 1, потому что мы исключили такую возможность в формулировке теоремы. Не может оно быть и простым числом, так как тогда бы оно раскладывалось только на себя. Таким образом, это число должно быть составным вида n = а х Ь, где а и Ь меньше, чем n. Но так как n — это наименьшее число, которое не может быть разложено на простые множители, значит, а и b могут быть разложены на простые множители, что дает разложение и для n. Таким образом, мы пришли к противоречию.

Вторая часть доказательства опирается на следующий результат.

Если р — простое число, на которое делится произведение множителей, то на р обязательно должен делиться один из этих множителей. (Этот результат может быть доказан с помощью соотношения Безу.) Предположим, что натуральное число, большее 1, может быть разложено на простые множители двумя способами, тогда мы возьмем простое число р из первого разложения. На это число должно обязательно делиться второе разложение и, следовательно, один из его множителей.

А так как этот множитель — тоже простое число, он должен быть равен р. Таким образом, мы нашли два одинаковых множителя в разных разложениях. Повторяя процесс для любого другого простого числа из первого разложения, мы докажем, что оба разложения содержат одинаковый набор простых множителей.

В терминах теории сравнений, как в пятой главе, теорема формулируется так: «Если р — простое число, то для любого натурального числа а, ар 

Докажем теорему с помощью метода индукции. Другими словами, мы предположим, что это верно для некоторого натурального числа а, и затем покажем, что это также верно для числа а + 1.

Начнем с предположения, что ар — а делится на р. Согласно биномиальному разложению Ньютона,

Перенося члены ар и 1 налево, мы получим:

Множитель р содержится во всех слагаемых в правой части, поэтому правая часть уравнения делится на р и, следовательно, левая часть (а + 1)р  — ар — 1 тоже делится на р.

Так как по индукции ар — а делится на р, то и следующая сумма также делится на р:

Эту сумму можно переписать в виде:

Следовательно, делимость на р верна и в случае а + 1, то есть теорема доказана.

Bentley, Р. J., The Book of Numbers, Ontario, Firefly Books, 2008.

Hardy, G. H., A Mathematician’s Apology, Cambridge University Press, 1940.

Hardy, G. H., Ramanujan, London, Cambridge University Press, 1940.

Ifrah, G., The Universal History of Numbers, London, The Harvill Press, 1987.

Kanigel, R., The Man who knew Infinity, New York, Washington Square Press, 1991.

Kline, M., Mathematical Thought (3 Volumes), USA, Oxford University Press, 1990.

Pickover, C. A., Wonders of Numbers, USA, Oxford University Press, 2002.