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第47个梅森素数最近被发现,写下来需要150天

(2009-08-06 10:01:12)
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梅森素数

数学家

梅森数

数学领域

文化

分类: 科普小文

第47个梅森素数最近被发现,写下来需要150天据外电报道,挪威科学家奥德·斯特林德莫通过参加一个名为“因特网梅森素数大搜索”(GIMPS)的国际合作项目,2009年6月15日发现了第47个梅森素数,该素数为 “2的42643801次方减1”。这是一个巨大的数字,它共有一千二百八十三万七千零六十四位数,假设我们用一秒钟写一个数字的话,那么把这个数字写出来,竟然需要连续写近150天才能写完。

从公元前300多年古希腊数学大师欧几里得开始探寻“2的P次方减1”型素数算起,到今天为止,2300年来,人类一共才发现47个梅森素数。

那么,梅森素数为什么这么难寻?

首先我们要弄清梅森素数的概念。

我们都知道,素数是指除了1和本身整除的数,也称为质数 ,例如:2、3、5、7、11等等。素数有无穷多个。其中,我们把可以写成“2的P次方减1”形式的素数(简记为2P—1),称为梅森素数。例如:2P—1=22-1=3、2P—1=23-1=7、2P—1=25-1=31、2P—1=27-1=127……等等(注意:2后面的2、3、5、7相当于P)。

据此,1456年当计算出第五个2P—1形式的素数213-1以后,有人猜测当P是素数时,2P—1也是素数。这个错误直到1536年之后,才由雷吉乌斯推翻,他指出当P=11时,2P—1=2111=2047=23×89,不是素数;后来还有人证明过P=23、37时,2P—1也不是素数,从而推翻了这个猜测。

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。这里面前7个数即P=2、3、5、7、13、17和19是在前人的工作中已经证实的部分。而后面的4个数即P=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。后来证明,梅森的四个猜测个是正确的(M31、M127)、三遗漏和两错误(M67、M257)。这也解释了,为什么在手工计算时代,寻找梅森素数的困难所在。

1772年,瑞士数学家欧拉证明了M31确实是一个素数,这是人们找到的第8个梅森素数,它共有10位数,堪称当时世界上已知的最大素数,欧拉也因此成为第二个在发现者名单上留名的人。特别让人惊叹的是,这是在他双目失明的情况下,全靠心算完成的。这种超人般的毅力与技巧让欧拉获得了“数学英雄”的美誉,也让人赞叹欧拉是那个时代的“计算机”。

100年后,法国数学家鲁卡斯提出了一个用来判别MP是否是素数的重要定理——鲁卡斯定理,这为梅森素数的研究提供了有力的工具。1883年,数学家波佛辛利用鲁卡斯定理证明了M61也是素数——这是梅森漏掉了的。梅森还漏掉另外两个素数:M89和M107,它们分别在1911年与1914年被数学家鲍尔斯发现。后来数学家还验证M67、M257也不是素数。

直到1947年,对于P≤257的梅森素数M的正确结果才被确定,也就是当P=2,3,5,7,13,17,19,31,61,89,107和127时,MP是素数。在手工计算的时代,人们一共找到了12个梅森素数。

随着计算机技术的出现,为寻找更多的梅森素数提供了机遇。1952年,数学家鲁滨逊等人将鲁卡斯-雷默方法编译成计算机程序,使用SWAC型计算机在短短几小时之内,就发现了第13个、第14个,并在当年总共找到了5个梅森素数:M521、M607、M1279、M2203和M2281。其后,M3217在1957年M4253和M4423在1961年被证明是素数。1963年,美国数学家吉里斯证明M9689、M9941和M11213是素数,这已经是第21、22和23个梅森素数。

超级计算机的引入,特别是网格这一崭新技术的出现加快了梅森素数的寻找步,使梅森素数的搜寻研究工作甚至走到了人人可以参与的大众时代。

1996年初,美国数学家和程序设计师沃特曼编制了一个梅森素数的计算程序,并把它放在网页上供数学家和数学爱好者免费使用,这就是闻名世界的因特网梅森素数大搜寻(GIMPS)项目,是全世界第一个基于互联网的分布式计算项目。该项目利用大量普通计算机的闲置时间来获得相当于超级计算机的运算能力,只要你去GIMPS的主页下载为一个名为Prime95的免费程序,就可以立即参加GIMPS项目,一起踏上持续了千年的梅森素数探寻之旅。

 12年来,人们通过GIMPS项目找到了12个梅森素数,其发现者来自美国、英国、法国、德国和加拿大。目前,世界上有160多个国家和地区近16万人参加了这一项目,并动用了30多万台计算机联网来进行网格计算。该项目的计算能力已超过当今世界上任何一台最先进的超级矢量计算机的计算能力,运算速度超过每秒350万亿次!最近第47个梅森素数被发现,就是在这个背景下搜索出来的。

梅森素数的发现和研究工作,对于解决哥德巴赫猜想、计算机技术进步等等都具有很大的推动作用,在其发现和研究过程中所衍生出来的数学新方法、新理论,更是具有重大的科学意义。

因此,我们应当关心这一数学领域的新成果。

注:新发现的第47个梅森素数比以前发现的第46个梅森素数要小。

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