Número primo
Número primo é un número natural maior que 1 e que ten exactamente dous divisores positivos distintos: 1 e el mesmo. Se un número natural é maior que 1 e non é primo, dise que é composto. Por convención, os números 0 e 1 non son primos nin compostos.
O concepto de número primo é moi importante na teoría dos números. Un dos resultados da teoría dos números é o Teorema Fundamental da Aritmética, que afirma que calquera número enteiro positivo pode ser escrito univocamente como o produto de varios números primos (chamados "factores primos"). Ao proceso que recibe como argumento un número e devolve os seus factores primos chámase descomposición en factores primos. Antes do desenvolvemento do cálculo automático, a determinación dos factores primos era un proceso traballoso en extremo, mais a finais do século XVIII xa existían, grazas ao labor dalgúns matemáticos, entre os cales estaban Anton Felkel e Jurij Bartolomej Vega, extensas táboas abranguendo o intervalo desde a unidade ata algúns millóns.
Colocando os números primos en orde crecente, temos que os primeiros elementos son:
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...
Exemplos de decomposicións:
- 4 = 2 ⋅ 2
- 6 = 2 ⋅ 3
- 8 = 2 ⋅ 2 ⋅ 2
- 9 = 3 ⋅ 3
- 10 = 2 ⋅ 5
Teoremas dos números primos
editarFactorización única
editar- Artigo principal: Teorema fundamental da aritmética.
Escribir un número como produto de números primos chámase descomposición en factores primos do número. Por exemplo:
Os termos do produto chámanse factores primos. O mesmo factor primo pode ocorrer máis dunha vez; este exemplo ten dúas copias do factor primo Cando un número primo ocorre varias veces, a exponenciación pódese usar para agrupar varias copias do mesmo número primo: por exemplo, na segunda forma de escribir o produto anterior, denota o cadrado ou a segunda potencia de
Algunhas probas da unicidade das factorizacións en primos baséanse no lema de Euclides: se é un número primo e divide un produto de enteiros e , entón divide ou divide (ou ambos os dous)[1] Pola contra, se un número ten a propiedade de que cando divide un produto sempre divide polo menos un factor do produto, entón debe ser primo.[2]
Infinitude
editar- Artigo principal: Teorema de Euclides.
Sábese que, á medida que avanzamos na secuencia dos números enteiros, os primos tórnanse cada vez máis raros. Isto levanta dúas cuestións:
- O conxunto dos números primos sería finito ou infinito?
- Dado un número natural , cal é a proporción de números primos entre os números menores que ?
A resposta a primeira cuestión é que o conxunto dos primos é infinito. Podemos demostralo da seguinte forma:
Supoña, por absurdo, que o número de primos sexa finito e sexan os primos. Sexa o número tal que
= onde denota o produto.
Temos que non é primo (por hipótese), logo existe un número primo tal que . Mais obviamente . Logo existe un novo número primo, o que é unha contradición.
A resposta para a segunda pregunta é que esa proporción se aproximará máis a canto maior sexa n, onde é o logaritmo natural.
Grupos e secuencias de números primos
editar- Artigos principais: Teorema de Dirichlet sobre progresións aritméticas e Teorema de Green–Tao.
Coñécense dous grupos de números primos, dos tipos:
- (4n+1) - pódense sempre escribir como ( ).
- (4n-1), que é o mesmo que (4n+3) - nunca se poden escribir como ( ).
Tratándose de números primos, é perigoso facer unha xeneralización apenas con base nunha observación, non solidamente comprobada matematicamente. Por exemplo, 31, 331, 3 331, 33 331, 333 331, 3 333 331 e 33 333 331 son primos, mais 333 333 331 non é primo (333 333 331 = 17 ⋅ 19 607 843).
Unha progresión aritmética é unha sucesión finita ou infinita de números tal que os números consecutivos da secuencia teñen todos a mesma diferenza.[3] Esta diferenza chámase módulo da progresión.[4] Por exemplo,
- 3, 12, 21, 30, 39, ...,
é unha progresión aritmética infinita con módulo 9. Nunha progresión aritmética, todos os números teñen o mesmo resto cando se dividen polo módulo; neste exemplo, o resto é 3. Como tanto o módulo 9 como o resto 3 son múltiplos de 3, tamén o son todos os elementos da secuencia. Polo tanto, esta progresión contén só un número primo, o propio 3. En xeral, a progresión infinita
pode ter máis dun primo só cando o seu resto e o seu módulo son primos relativos. Se son primos relativos, o teorema de Dirichlet sobre progresións aritméticas afirma que a progresión contén infinitos números primos.[5]
O teorema de Green–Tao mostra que hai progresións aritméticas finitas arbitrariamente longas que consisten só en números primos.[6] [7]
Primalidade e obtención de números primos
editarA propiedade de ser primo chámase primalidade. Un método sinxelo pero lento para comprobar a primalidade dun número determinado , chamado división de proba, proba se é un múltiplo de calquera número enteiro entre 2 e . Os algoritmos máis rápidos inclúen o test de primalidade de Miller–Rabin, que é rápida mais ten unha pequena probabilidade de erro, e o test de primalidade AKS, que sempre produce a resposta correcta en tempo polinómico mais é demasiado lento para ser práctico. Hai métodos especialmente rápidos dispoñíbeis para números de formas especiais, como os números de Mersenne. Desde 2024 o número primo máis grande coñecido é un primo de Mersenne con 41.024.320 díxitos.[8][9]
cribos
editar- Artigo principal: Criba de Eratóstenes.
Antes dos ordenadores, as táboas matemáticas que enumeraban todos os números primos ou factorizacións de primos ata un determinado límite eran moi comúns.[10] O métod máis antigo coñecido para xerar unha lista de números primos chámase criba de Eratóstenes.[11] A animación mostra unha variante optimizada deste método.[12] Outro método de criba asintóticamente máis eficiente para o mesmo problema é o cribo de Atkin.[13] En matemáticas avanzadas, a teoría da criba aplica métodos similares a outros problemas.[14]
Algunhas das probas modernas máis rápidas para determinar se un número dado arbitrario é primo son os algoritmos probabilísticos (ou Algoritmos de Montecarlo), o que significa que teñen unha pequena oportunidade aleatoria de producir unha resposta incorrecta.[15] Por exemplo, o test de primalidade de Sololovay–Strassen para un número dado escolle un número aleatoriamente entre e e usa a exponenciación modular para comprobar se é divisíbel por .[a] En caso afirmativo, responde que si e, en caso contrario, non. Se realmente é primo, sempre responderá si, pero se é composto entón responde que si con probabilidade como máximo 1/2 e non con probabilidade polo menos 1/2.[16] Se este test se repíte veces no mesmo número, a probabilidade de que un número composto poida pasar o test cada vez é como máximo . Debido a que diminúe exponencialmente co número de probas, proporciona unha alta confianza (aínda que non a certeza) de que un número que pasa a proba repetidamente é primo. Por outra banda, se a proba falla algunha vez, entón o número é certamente composto.[17] Un número composto que supera tal proba chámase pseudoprimo.[16]
Test | Desenvolvido en | Tipo | Tempo de execución | Notas | Referencias |
---|---|---|---|---|---|
Test de primalidade AKS | 2002 | determinístico | [18][19] | ||
Test de primalidade de curva elíptica | 1986 | Las Vegas | heuristically | [20] | |
Test de primalidade Baillie–PSW | 1980 | Montecarlo | [21][22] | ||
Test de primalidade Miller–Rabin | 1980 | Montecarlo | probabilidade de erro | [23] | |
Test de primalidade Solovay–Strassen | 1977 | Montecarlo | probabilidade de erro | [23] |
Álxebra abstracta
editarElementos primos en aneis
editar- Artigos principais: Elemento primo e Elemento irredutible.
Un anel conmutativo é unha estrutura alxébrica onde se definen a suma, a resta e a multiplicación. Os números enteiros son un anel, e os números primos dos enteiros xeneralizáronse a aneis de dúas formas diferentes, elementos primos e elementos irredutíbeis. Un elemento dun anel chámase primo se é distinto de cero, non ten inverso multiplicativo (é dicir, non é unha unidade), e cumpre o seguinte requisito: sempre que divide o produto de dous elementos de , tamén divide polo menos un de ou . Un elemento é irredutíbel se non é unha unidade nin o produto doutros dous elementos non unidades. No anel de enteiros, os elementos primos e irredutibles forman o mesmo conxunto,
Nun anel arbitrario, todos os elementos primos son irredutibles. A inversa en xeral non se cumpre, mais si se cumpre para dominios de factorización única.[24]
O teorema fundamental da aritmética segue a cumprirse (por definición) en dominios de factorización única. Un exemplo deste dominio é o dos enteiro gaussianos , o anel de número complexos da forma onde denota a unidade imaxinaria e e son números enteiros arbitrarios. Os seus elementos primos coñécense como primos gaussianos. Non todo número que é primo entre os enteiros permanece primo nos enteiros gaussianos; por exemplo, o número 2 pódese escribir como un produto dos dous números primos gaussianos e .
Os primos racionais (os elementos primos dos enteiros) congruentes con 3 mod 4 son primos gaussianos, pero os primos racionais congruentes con 1 mod 4 non o son.[25] Esta é unha consecuencia do teorema de Fermat sobre a suma de dous cadrados, que afirma que un primo impar é expresable como a suma de dous cadrados, , e polo tanto factorizable como , exactamente cando é 1 mod 4.[26]
Ideais principais
editar- Artigo principal: Ideal principal.
Non todos os anels son un dominio de factorización única. Por exemplo, no anel dos números (para os enteiros e ) o número ten dúas factorizacións , onde en ningunha das dúas os factores pódense reducir aínda máis, polo que non ten unha factorización única.
Para estender a factorización única a unha clase máis grande de aneis, a noción de número pódese substituír pola de ideal, que son un subconxunto dos elementos dun anel que contén todas as sumas dos seus propios elementos e todos os produtos dos seus elementos con elementos de todo o anel.
Os ideais primos, que xeneralizan elementos primos no sentido de que o ideal principal xerado por un elemento primo é un ideal primo, son unha ferramenta importante e obxecto de estudo na álxebra conmutativa, teoría de números alxébrica e xeometría alxébrica. Os ideais primos do anel de enteiros son os ideais (0), (2), (3), (5), (7), (11), ... O teorema fundamental da aritmética xeneralízase ao Teorema de Lasker-Noether, que expresa cada ideal nun noetheriano conmutativo como unha intersección de ideais primarios, que son as xeneralizacións apropiadas das potencias de primos.[27]
O espectro dun anel é un espazo xeométrico cuxos puntos son os ideais primos do anel.[28]
Véxase tamén
editarNotas
editar- ↑ Dudley 1978, Section 2, Lemma 5, p. 15; Higgins, Peter M. (1998). Mathematics for the Curious. Oxford University Press. pp. 77–78. ISBN 978-0-19-150050-3.
- ↑ Rotman, Joseph J. (2000). A First Course in Abstract Algebra (2nd ed.). Prentice Hall. Problem 1.40, p. 56. ISBN 978-0-13-011584-3.
- ↑ Gelfand, Israel M.; Shen, Alexander (2003). Álxebra. Springer. p. 37. ISBN 978-0-8176-3677-7.
- ↑ Mollin, Richard A. (1997). Fundamental Number Theory with Applications. Discrete Mathematics and Its Applications. CRC Press. p. 76. ISBN 978-0-8493-3987-5.
- ↑ Crandall & Pomerance 2005, libros?id=ZXjHKPS1LEAC&pg=PA Teorema 1.1.5, p. 12.
- ↑ Neale 2017, pp. 18, 47.
- ↑ Green, Ben; Tao, Terence (2008). "Os números primos conteñen progresións aritméticas arbitrariamente longas". Anais de Matemáticas 167 (2): 481–547. arXiv:math.NT/0404188. doi:10.4007/annals.2008.167.481.
- ↑ "GIMPS Discovers Largest Known Prime Number: 2136279841 − 1". Mersenne Research, Inc. 21 October 2024. Consultado o 21 October 2024.
- ↑ Sparkes, Matthew (November 2, 2024). "Amateur sleuth finds largest-known prime number". New Scientist: 19.
- ↑ Bullynck, Maarten (2010). "A history of factor tables with notes on the birth of number theory 1657–1817". Revue d'Histoire des Mathématiques 16 (2): 133–216.
- ↑ Wagstaff, Samuel S. Jr. (2013). The Joy of Factoring. Student mathematical library 68. American Mathematical Society. p. 191. ISBN 978-1-4704-1048-3.
- ↑ Crandall, Richard; Pomerance, Carl (2005). Prime Numbers: A Computational Perspective (2nd ed.). Springer. p. 121. ISBN 978-0-387-25282-7.
- ↑ Farach-Colton, Martín; Tsai, Meng-Tsung (2015). Elbassioni, Khaled; Makino, Kazuhisa, eds. "Algorithms and Computation: 26th International Symposium, ISAAC 2015, Nagoya, Japan, December 9-11, 2015, Proceedings". Lecture Notes in Computer Science 9472. Springer: 677–688. ISBN 978-3-662-48970-3. arXiv:1504.05240. doi:10.1007/978-3-662-48971-0_57.
- ↑ Greaves, George (2013). Sieves in Number Theory. Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete (3. Folge) 43. Springer. p. 1. ISBN 978-3-662-04658-6.
- ↑ Hromkovič, Juraj (2001). Algorithmics for Hard Problems. Texts in Theoretical Computer Science. An EATCS Series. Springer-Verlag, Berlin. pp. 383–385. ISBN 978-3-540-66860-2. MR 1843669. doi:10.1007/978-3-662-04616-6.
- ↑ 16,0 16,1 Koblitz, Neal (1987). "Chapter V. Primality and Factoring". A Course in Number Theory and Cryptography. Graduate Texts in Mathematics 114. Springer-Verlag, New York. pp. 112–149. ISBN 978-0-387-96576-5. MR 910297. doi:10.1007/978-1-4684-0310-7_5.
- ↑ Pieprzyk, Josef; Hardjono, Thomas; Seberry, Jennifer (2013). "2.3.9 Probabilistic Computations". Fundamentals of Computer Security. Springer. pp. 51–52. ISBN 978-3-662-07324-7.
- ↑ Tao, Terence (2010). "1.11 The AKS primality test". An epsilon of room, II: Pages from year three of a mathematical blog. Graduate Studies in Mathematics 117. Providence, RI: American Mathematical Society. pp. 82–86. ISBN 978-0-8218-5280-4. MR 2780010. doi:10.1090/gsm/117.
- ↑ Lenstra, H. W. Jr.; Pomerance, Carl (2019). "Primality testing with Gaussian periods" (PDF). Journal of the European Mathematical Society 21 (4): 1229–1269. MR 3941463. doi:10.4171/JEMS/861. hdl:21.11116/0000-0005-717D-0.
- ↑ Morain, F. (2007). "Implementing the asymptotically fast version of the elliptic curve primality proving algorithm". Mathematics of Computation 76 (257): 493–505. Bibcode:2007MaCom..76..493M. MR 2261033. arXiv:math/0502097. doi:10.1090/S0025-5718-06-01890-4.
- ↑ Pomerance, Carl; Selfridge, John L.; Wagstaff, Jr., Samuel S. (July 1980). "The pseudoprimes to 25·109" (PDF). Mathematics of Computation 35 (151): 1003–1026. JSTOR 2006210. doi:10.1090/S0025-5718-1980-0572872-7.
- ↑ Baillie, Robert; Wagstaff, Jr., Samuel S. (October 1980). "Lucas Pseudoprimes" (PDF). Mathematics of Computation 35 (152): 1391–1417. JSTOR 2006406. MR 583518. doi:10.1090/S0025-5718-1980-0583518-6.
- ↑ 23,0 23,1 Monier, Louis (1980). "Evaluation and comparison of two efficient probabilistic primality testing algorithms". Theoretical Computer Science 12 (1): 97–108. MR 582244. doi:10.1016/0304-3975(80)90007-9.
- ↑ Lauritzen, Niels (2003). Concrete Abstract Algebra: From numbers to Gröbner bases. Cambridge: Cambridge University Press. p. 127. ISBN 978-0-521-53410-9. MR 2014325. doi:10.1017/CBO9780511804229.
- ↑ Lauritzen 2003, Corolario 3.5.14, p. 133; Lema 3.5.18, páx. 136.
- ↑ Kraft & Washington 2014, Sección 12.1, Sumas de dous cadrados, páxs. 297–301.
- ↑ Eisenbud, David (1995). Commutative Algebra. Graduate Texts in Mathematics 150. Berlin; New York: Springer-Verlag. Section 3.3. ISBN 978-0-387-94268-1. MR 1322960. doi:10.1007/978-1-4612-5350-1.
- ↑ Shafarevich, Igor R. (2013). "Definition of Spec A</math>". Basic Algebraic Geometry 2: Schemes and Complex Manifolds (3rd ed.). Springer, Heidelberg. p. 5. ISBN 978-3-642-38009-9. MR 3100288. doi:10.1007/978-3-642-38010-5.
- ↑ Nesta proba, en o termo é negativo se é un cadrado módulo do (suposto) primo , e positivo se non. De forma máis xeral, para valores non primos de , o termo é o Símbolo de Jacobi (negado), que se pode calcular mediante a reciprocidade cadrática.
Outros artigos
editarLigazóns externas
editar- As páxinas de primos -- http://www.utm.edu/research/primes/ Arquivado 01 de agosto de 2003 en Wayback Machine.
- Lista dos maiores números probabelmente primos
- The prime puzzles
- Primes de WIMS é un xerador online de números primos.
- 12 digit primes Factores primos coñecidos de 12-díxitos de Googolplex