賓亞高夫斯基猜想

其實簡單的一道 f(n) = 2n + 1 當中已存有無限多個素數,首先素數個數是無限,除了 2 以外全是奇數,即奇素數 (Odd Prime) 的個數也是無限的了。

這可是一個簡單的定理,狄利克雷定理 (Dirichlet's Theorm) 的一個特例。該定理指任何等差數列,只要首項和公差互素 (Coprime 或 Relatively Prime),當中便存有無限個素數。現在全體奇數的通項公式中,公差為 2 ,首項的 1 與之互素,當中自有無限個素數來。這定理的證明不易,不作介紹了。

 

現在說到主題了,介紹一個猜想,一個比狄利克雷定理更廣範的測想,這便是賓亞高夫斯基猜想 (Bunyakovsky Conjecture)。這猜想是由俄國數學家賓亞高夫斯基 (Viktor Bunyakovsky 1804-1889) 於 1857 年提出,因而得名。猜想這樣說:「一道次數為二或以上的整系數 (Integral Coefficient) 不可約多項式 (Irreducible Polynomial) ,而其正整數的多項式值,一是存在無限多個數使它們的最大公因子 (Greatest Common Divisor, G.C.D.) 大於 1 ,或是存在無限多個素數。」因而符合上述要求的多項式又稱作賓亞高夫斯基多項式 (Bunyakovsky Polynomial)。

所謂不可約多項式,即該多項式不可以分解為多個更小次數的多項式。如 3x2 + x - 2 便不是一個不可約多項式,因為 3x2 + x - 2 = (3x-2) (x+1)。

還得留意一點賓亞高夫斯基的名字英文拼法多樣:Bunyakovsky、Buniakovsky、Bouniakowsky 亦可。

 

看看一些例子吧:

3x2 - x + 2 正是不可約多項式,而其給出的多項式值,全是 2 的倍數,即存有無限多個多項式的值使它們的最大公因子為 2。

而 x2 + 1亦是不可約多項式,它給出的素數如:

x 1 2 4 6 10 14 16 20 24 26 ...
x2 + 1 2 5 17 37 101 197 257 401 577 677 ...

(OEIS A002496)

到底當中是否存有無限多個素數,還是一個謎,這正是所謂的 第五哈代 - 李特伍德猜想 (Fifth Hardy - Littlewood Conjecture):存有無限多個型如 x2 + 1的素數,其中 x > 1。

 

為何說比狄利克雷定理更廣範呢?因為賓亞高夫斯基猜想亦可視作狄利克雷定理的一個推廣,因為狄利克雷定理中的等差數列可視作一道一次的多項式 (ax + b) 其中首項為 a + b,而公差為 a。

 

這樣又回到老問題之一,原來隨便找一道次數為二或以上的整系數不可約多項式,只要其某些多項式值互素,便存有無限多個素數。那麼多項式的值中誰是素數?誰是合數呢?怎樣的輸入值會得到素數的輸出呢?似乎問題又回到素性 (Primality) 判斷的老問題上了。

 

參考文獻及網址:

Weisstein, E. W. "Bouniakowsky Conjecture." From MathWorld http://mathworld.wolfram.com/BouniakowskyConjecture.html.

 

 

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