موضوع مقاله: عدد اول | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # عدد اول | مقدمه: این الگوریتم پیش از غربال آتکین، که سریع‌تر و پیچیده‌تر بود، مورد استفاده قرار می‌گرفت. | ## بخش 1: عدد اول | غربال اراتوستن را اراتوستن، ریاضیدان یونان باستان در قرن سوم پیش از میلاد ابداع کرد. عدد اول ، عددی طبیعی بزرگ‌تر از ۱ است که نتوان آن را به‌صورت ضرب دو عدد طبیعی کوچک‌تر نوشت (یعنی جز بر خودشان و یک بر عدد دیگری بخش پذیر نیستند). به عبارت ساده‌تر، اعداد اول، مجموعه‌ای از اعداد طبیعی بزرگ‌تر از ۱ هستند که فقط بر یک و خود عدد بخش‌پذیر هستند. به عنوان مثال، ۷ یک عدد اول است، چون فقط بر یک و ۷ بخش‌پذیر است و تنها روشی که می‌توان آن را به‌صورت ضرب دو عدد طبیعی نوشت به‌صورت یا است که شامل خود ۷ می‌شود (دو عددی که در ضرب می‌آیند باید از خود ۷ کوچک‌تر باشند). اما به عنوان مثال، ۶ یک عدد مرکب است، چرا که می‌توان آن را به‌صورت نوشت که هردوی آن‌ها از ۶ کوچک‌ترند. اعداد اول در نظریهٔ اعداد به دلیل قضیهٔ اساسی حساب نقش محوری دارند، این قضیه می‌گوید: هر عدد طبیعی بزرگ‌تر از ۱، یا اول است یا اگر اول نباشد، می‌توان آن را به ضرب اعداد اول تجزیه کرد، که این تجزیه در حد ترتیب یگانه است. الگوریتم‌های سریع‌تری نیز وجود دارند، مثل آزمون اول بودن میلر-رابین که سریع است، اما احتمال رخ دادن درصدی خطا نیز در آن وجود دارد. آزمون دیگر، آزمون اول بودن AKS است، که همیشه جواب صحیح به‌دست می‌دهد، اما مرتبه زمانی آن چندجمله‌ای است و برای کاربردهای عملی بسیار کُند می‌باشد. روش‌های بسیار سریعی برای آزمون اول بودن اعداد خاصی مثل اعداد مرسن نیز وجود دارد. تا دسامبر ۲۰۱۸ بزرگ‌ترین عدد اول شناخته شده در سیستم ده-دهی ۲۴٬۸۶۲٬۰۴۸ رقم دارد. با این حال، توزیع اعداد اول در میان اعداد طبیعی را می‌توان از نظر آماری مدل‌سازی کرد. اولین نتیجه‌ای که در این جهت حاصل شد قضیه اعداد اول بود که در انتهای قرن نوزدهم به‌دست آمد. این قضیه می‌گوید که احتمال اول بودن یک عدد طبیعی تصادفی با تعداد ارقام آن (یعنی لگاریتم آن عدد) رابطه عکس دارد. این سؤالات شامل حدس گلدباخ می‌شود، این حدس می‌گوید که هر عدد صحیح زوج بزرگ‌تر از ۲ را می‌توان به‌صورت جمع دو عدد اول بیان کرد. یکی دیگر از این سؤالات حدس اعداد اول دوقلو است، که می‌گوید تعداد اعداد اولی که تفاضل‌شان فقط ۲ باشد بی‌نهایت است. چنین سؤالاتی موجب پیشرفت شاخه‌های مختلف نظریهٔ اعداد گشتند که در این مسیر بر روی جنبه‌های تحلیلی و جبری اعداد تمرکز شده است. مثل رمزنگاری کلید عمومی که به سخت بودن تجزیهٔ اعداد بزرگ به عوامل اول‌شان تکیه می‌کند. در جبر مجرد، اشیائی وجود دارند که به صورت تعمیم‌یافته، شبیه اعداد اول عمل می‌کنند. به بیان دیگر، اول است اگر نتوان آن را به بیش از یک گروه با اندازهٔ مساوی تقسیم‌بندی نمود، یا امکان آرایش نقطه به شبکه‌ای از نقاط مستطیل‌گونه که طول و عرضی بزرگ‌تر از یک داشته باشند، امکان‌پذیر نباشد. به عنوان مثال، در میان اعداد ۱ تا ۶، اعداد ۲، ۳ و ۵، اعداد اول می‌باشند، چرا که هیچ عددی آن‌ها را به گونه‌ای تقسیم نمی‌کنند که باقیمانده صفر شود. مقسوم‌علیه‌های یک عدد طبیعی چون ، اعداد طبیعی هستند که را به بخش‌های مساوی تقسیم می‌کنند. این ایده منجر به تعریف متفاوت ولی معادلی برای اعداد اول می‌گردد: آن‌ها اعدادی هستند که دقیقاً دو مقسوم‌علیه دارند، ۱ و خود عدد. هنوز روش دیگری جهت بیان همین مفهوم وجود دارد، این که عدد اول است اگر بزرگ‌تر از یک بوده و بر هیچ‌یک از اعداد بخش‌پذیر نباشد. اولین ۲۵ عدد اول (تمام اعداد اول کوچکتر از ۱۰۰) بدین قرار اند: ۲، ۳، ۵، ۷، ۱۱، ۱۳، ۱۷، ۱۹، ۲۳، ۲۹، ۳۱، ۳۷، ۴۱، ۴۳، ۴۷، ۵۳، ۵۹، ۶۱، ۶۷، ۷۱، ۷۳، ۷۹، ۸۳، ۸۹، ۹۷ . هیچ عدد زوج بزرگ‌تر از ۲ چون اول نیست، چرا که دست کم می‌توان آن را به صورت بیان نمود. به‌طور مشابه، هنگامی که تمام اعداد اول بزرگ‌تر از ۵ را در قالب دستگاه اعداد مبنای ده بنویسیم، رقم آخر آن‌ها (رقم یکان) به یکی از ارقام ۱، ۳، ۷ یا ۹ ختم می‌گردد. | ## بخش 2: عدد اول | اعداد بزرگتر از ۵ی که به سایر ارقام ختم شوند، مرکب‌اند، چرا که اعداد ده-دهی که به ۰، ۲، ۴، ۶، یا ۸ ختم شوند زوج بوده و اعداد ده-دهی که به ۰ یا ۵ ختم شوند بر ۵ بخش‌پذیرند. برخی مواقع، مجموعه تمام اعداد اول را با (حرف بزرگ درشت‌شده P) و برخی از مواقع دیگر با (حرف P بزرگ و درشت تخته‌سیاهی) نمایش می‌دهند. اصول اقلیدس (حدود ۳۰۰ پیش از میلاد)، بی‌نهایت بودن اعداد اول و قضیه اساسی حساب را اثبات کرده و نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از یک عدد اول مرسن، عدد تامی ساخت. غربال اراتوستن، یکی دیگر از اختراعات یونانیان است که هنوز هم جهت ساخت فهرست اعداد اول مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حدود ۱۰۰۰ میلادی، ریاضی‌دان جهان اسلام، ابن هیثم (Alhazen)، قضیه ویلسون را یافت، که اعداد اول را به عنوان اعدادی چون مشخص می‌کند که را می‌شمارند (یعنی اول است ). همچنین او حدس زد که تمام اعداد تام زوج، از ترسیم اقلیدسی با استفاده از اعداد اول می‌آیند، اما قادر به اثبات آن نبود. یکی دیگر از ریاضیدانان جهان اسلام، به نام ابن بنای مراکشی، مشاهده نمود که غربال اراتوستن را می‌توان تنها با آزمودن مقسوم‌علیه‌های کوچکتر مساوی ریشه دوم (ریشه مربعی) بزرگ‌ترین عددی که باید آزموده شود، تسریع نمود. کتاب او با نام Liber Abaci (۱۲۰۲ میلادی)، اولین کتابی بود که آزمون تقسیم را با استفاده از مقسوم‌علیه‌های کوچکتر مساوی رادیکال عدد مورد نظر، جهت آزمودن اول بودن یا نبودن یک عدد صحیح معرفی نمود. در ۱۶۴۰ میلادی، پیر دو فرما، قضیه کوچک فرما را بیان نمود (بدون اثبات)، (بعدها لایبنیتس و اویلر اثباتش نمودند)., 8. 45 همچنین فرما در مورد اول بودن اعداد فرما ، و مارین مرسن در مورد اعداد اول مرسن، یعنی اعداد اولی به فرم که در آن اول است، تحقیق نمودند. کریستین گلدباخ، حدس گلدباخ را فرموله کرد، این حدس بیان می‌دارد که هر عدد زوج به صورت جمع دو عدد اول است، او صورت این حدس را در ۱۷۴۲ میلادی در قالب نامه‌ای به اویلر مطرح نمود. اویلر حدس ابن هیثم (Alhazen) (که اکنون به قضیه اقلیدس-اویلر معروف است) را اثبات نمود، این حدس بیان می‌نمود که تمام اعداد تام زوج را می‌توان از اعداد اول مرسن ساخت. او در اثبات‌هایش در ارتباط با بی‌نهایت بودن اعداد اول و همچنین واگرایی جمع معکوس اعداد اول ، روش‌هایی را از آنالیز ریاضی به این حوزه از ریاضیات معرفی نمود. در ابتدای قرن نوزدهم میلادی، لژاندر و گاوس حدس زدند که با میل پیدا کردن به سمت بی‌نهایت، تعداد اعداد اول کوچکتر مساوی ، مجانب با است که در آن ، لگاریتم طبیعی است. پیامد ضعیف تری از این چگالی بالای اعداد اول، اصل برتراند بود که می‌گفت: برای هر ، عدد اولی بین و وجود دارد، این اصل در ۱۸۵۲ میلادی توسط پافنوتی چبیشف اثبات شد.. 7, pp.15-33, 1854 ایده‌های برنهارت ریمان در مقاله‌اش به سال ۱۸۵۹ میلادی، که در ارتباط با تابع زتا بود، خطوط کلی اثبات حدس لژاندر و گاوس را ترسیم نمود. گرچه که فرضیه ریمان، با وجود ارتباط نزدیک با حدس اخیر، هنوز هم اثبات نشده، ولی خطوط کلی اثبات ریمان در ارتباط با حدس لژاندر و گاوس در ۱۸۹۶ توسط آدامار و دو لا والی پوسین تکمیل شده و نتیجه آن را اکنون به نام قضیه اعداد اول می‌شناسند. یکی دیگر از نتایج مهم قرن نوزدهم میلادی، قضیه دیریکله روی تصاعدهای حسابی بود، این که برخی از تصاعدهای حسابی، بی‌نهایت عدد اول را دربر می‌گیرند. بسیاری از ریاضی‌دانان، برای اعداد بزرگی که اعمال تقسیم معمولی رویشان عملی نباشند (از نظر قدرت محاسبه)، آزمون‌های اول بودن را مورد بررسی قرار داده‌اند. روش‌هایی که به فرم‌های عددی خاصی محدود شده باشند، مثل این موارد: آزمون پپین برای اعداد فرما (۱۸۷۷)، قضیه پروث (حدود ۱۸۷۸ میلادی)، آزمون اول بودن لهمر (نشأت گرفته در ۱۸۵۶ میلادی)، و آزمون اول بودن لوکاس. از ۱۹۵۱میلادی، تمام بزرگ‌ترین اعداد اول شناخته شده را با استفاده از این آزمون‌ها، و با کمک کامپیوترها یافته‌اند. جستجو برای اعداد اول بزرگتر، در خارج از دایره ریاضی‌دانان نیز ایجاد علاقه نموده است، پروژه‌هایی چون «جستجوی بزرگ اینترنتی اعداد اول مرسن» و سایر پروژه‌هایی که با کمک محاسبات توزیع‌شده صورت می‌پذیرند., p. این ایده که اعداد اول کاربردهایی نیز خارج از ریاضیات محض دارد در دهه ۱۹۷۰ میلادی، هنگامی که دستگاه‌های رمزنگاری کلید عمومی و RSA ابداع شدند، درهم شکست، چرا که این الگوریتم‌ها، اعداد اول را مبنای خود قرار می‌دادند. اهمیت عملی فزاینده آزمون اول بودن با کمک کامپیوتر، و همچنین فاکتورگیری، منجر به توسعه روش‌های ارتقاء یافته‌ای شد که قادر بودند به کمک آن‌ها، با اعداد بزرگی با فرم غیر مقید و بدون محدودیت نیز کار کنند. همچنین، با کشف قضیه گرین-تائو (۲۰۰۴ میلادی)، مبنی بر این که تصاعدهای حسابی به میزان دلخواه بلندی از اعداد اول وجود دارند، به علاوه اثبات یتان ژانگ در ۲۰۱۳ میلادی مبنی بر این که بی‌نهایت شکاف اعداد اول با اندازه کراندار موجودند،, pp. همچنین برخی از ریاضی‌دانان مربوط به این دوره، اعداد اول را به عنوان جزئی از اعداد فرد در نظر می‌گرفتند، بنابراین آن‌ها نیز ۲ را به عنوان عدد اول در نظر نمی‌گرفتند. | ## بخش 3: عدد اول | با این حال، اقلیدس و بخش عمده‌ای از سایر ریاضی‌دانان یونانی، ۲ را به عنوان اول در نظر می‌گرفتند. ریاضی‌دانان جهان اسلام در قرون وسطی، عمدتاً از یونانیان طبعیت کرده و ۱ را عدد در نظر نمی‌گرفتند. در قرون وسطی و رنسانس، ریاضی‌دانان کم‌کم ۱ را به عنوان عدد در نظر گرفتند، و برخی از آن‌ها ۱ را به عنوان اولین عدد اول به حساب آوردند., pp. در اواسط قرن هجدهم میلادی، کریستین گلدباخ، ۱ را در مراودات خود با لئونارد اویلر، به عنوان عدد اول در نظر می‌گرفت؛ با این‌حال، خود اویلر ۱ را اول در نظر نمی‌گرفت., p. در قرن نوزدهم میلادی، بسیاری از ریاضی‌دانان هنوز هم ۱ را اول می‌دانستند، و فهرست‌های اعداد اولی که شامل ۱ بودند، هنوز هم تا ۱۹۵۶ میلادی منتشر می‌شدند. اگر در تعریف عدد اول تغییر ایجاد شده به گونه‌ای که ۱ نیز عدد اول محسوب شود، بسیاری از گزاره‌ها در مورد اعداد اول نیاز به بازنویسی خام و ناشیانه‌ای خواهند داشت. به عنوان مثال، قضیه بنیادین حساب را باید به گونه‌ای بازنویسی کرد تا فاکتورگیری برحسب اعداد اول بزرگتر از یک صورت گیرند، چرا که با ظهور تعداد متفاوت و تکراری از عدد ۱ در تجزیه اعداد، فاکتورگیری‌های مختلفی برای هر عدد تولید می‌شوند. به‌طور مشابه، اگر ۱ به عنوان عدد اول در نظر گرفته شود، غربال اراتوستن به خوبی کار نمی‌کند، چرا که تمام مضارب ۱ (یعنی تمام اعداد دیگر) حذف شده و خروجی تنها شامل ۱ خواهد بود. به این اثبات دقت کنید که از برهان خلف استفاده می‌کنیم: فرض خلف : اعداد اول متناهی است. قضیهٔ ۲ (قضیه اساسی حساب): هر عدد طبیعی مرکب بزرگ‌تر از ۱ را می‌توان به شکل حاصل‌ضرب اعدادی اول نوشت. قضیهٔ ۳ (قضیه چبیشف):اگر n عددی طبیعی و بزرگ‌تر از ۳ باشد، حتماً بین n و 2n-۲ عدد اولی وجود دارد. قضیهٔ ۴ (قضیه اردوش (تعمیم قضیه چبیشف : برای هر عدد طبیعی k، وجود دارد یک عدد طبیعی مثل N، که برای هر n>N، بین n و 2n, k عدد اول وجود دارد. قضیهٔ ۵: تنها زمانی مجموع دو عدد اول عددی فرد می‌شود که یکی از آنها عدد ۲ باشد؛ زیرا عدد ۲ تنها عدد اول زوج است و تنها حالتی که مجموع دو عدد فرد می‌شود این است که یکی از عوامل جمع زوج و دیگری فرد باشد. قضیهٔ ۶: عددی اول است که به اعداد اول کوچکتر یا مساوی با جذر خودش بخش پذیر نباشد.(از روش غربال اراتوستن نتیجه می‌شود) قضیهٔ ۷: رقم یکان اعداد اول بزرگ‌تر از ۱۰ فقط ممکن است ارقام ۱، ۳، ۷، و ۹ باشد (اثبات آن به این صورت است که فرض می‌کنیم یکان ارقام دیگر باشند، یعنی ۲٬۴٬۵٬۶٬۸ در این صورت عدد یا بر پنج برای یکان پنج یا بر دو برای یکان‌های زوج بخش پذیر است که تناقض است) تابع شمارش اعداد اول ریاضیات تابع شمارش اعداد اول تابعی است که برای بیان تعداد اعداد اول به کار می‌رود و آن را با نماد نمایش می‌دهند. |- | ۱۰ | ۴ | ۰٫۹۲۱ |- | 102 | ۲۵ | ۱٫۱۵۱ |- | 103 | ۱۶۸ | ۱٫۱۶۱ |- | 104 | ۱٬۲۲۹ | ۱٫۱۳۲ |- | 105 | ۹٬۵۹۲ | ۱٫۱۰۴ |- | 106 | ۷۸٬۴۹۸ | ۱٫۰۸۴ |- | 107 | ۶۶۴٬۵۷۹ | ۱٫۰۷۱ |- | 108 | ۵٬۷۶۱٬۴۵۵ | ۱٫۰۶۱ |- | 109 | ۵۰٬۸۴۷٬۵۳۴ | ۱٫۰۵۴ |- | 1010 | ۴۵۵٬۰۵۲٬۵۱۱ | ۱٫۰۴۸ |- | OEIS | | |} با استفاده از قضیه اعداد اول می‌توان اثبات کرد که: که در آن تابع ، تابع مولد اعداد اول باشد؛ یعنی x امین عدد اول اثبات مطلب بالا به شرح زیر است: می‌دانیم می‌دانیم توابع و معکوس هم هستند؛ یعنی: در نتیجه می‌توان با حل معادله تابع را یافت. اما باید توجه داشت چون به جای از تابع هم ارز آن استفاده شده پس: در نتیجه: قضیه ویلسون قضیه ویلسون راهی برای تشخیص اعداد اول است. این قضیه بیان می‌کند به ازای هر عدد اول مانند داریم این قضیه دوشرطی است بنابراین راهی برای تشخیص اعداد اول از مرکب است یعنی: برای هر عدد صحیح x اگر رابطه زیر برقرار باشد آنگاه x عددی اول است در غیر این صورت x عددی مرکب است. این قضیه تعمیم‌هایی به شکل زیر دارد: تعمیم گاوس: کارل فریدریش گاوس ریاضیدان آلمانی در سال ۱۸۰۰ میلادی ثابت کرده که برای هر عدد طبیعی m>۲ عدد اول p در اینجا عددی صحیح و مثبت است. بزرگ‌ترین عدد اول کشف شده بزرگ‌ترین عدد اول کشف شده تا (۲۰۱۶) برابر دو به توان ۷۴ میلیون و ۲۰۷ هزار و ۲۸۱ منهای یک است. این عدد اول نیز یک عدد مرسن است که در جریان محاسبات در رایانه یک مهندس برق به نام جاناتان پیس در آمریکا در جریان پروژه‌ای برای کشف اعداد اول به نام «تحقیق اینترنتی بزرگ عدد مرسن» (GIMPS) کشف شد. پژوهش‌ها برای یافتن عددهای اول بزرگ دشوار و نیازمند نرم‌افزارهای خاص و همکاری علمی پژوهشگران هستند. الگوهای توزیع اعداد اول یکی از مسائل مورد توجه ریاضی‌دانان، چگونگی توزیع و ترتیب قرارگرفتن اعداد اول درون رشته اعداد طبیعی است. مثلاً اگر به عدد ۵ که عددی اول است، ۶ واحد اضافه کنیم به ۱۱ و اگر به ۱۱، ۶ واحد اضافه کنیم به ۱۷ و اگر دوباره اضافه کنیم، به ۲۳ و ۲۹ می‌رسیم که همگی اعدادی اولند. اما با اضافه کردن ۶ واحد دیگر به ۳۵ می‌رسیم که عددی اول نیست و الگو متوقف می‌گردد. مسئله مورد توجه اینست که در هر الگوی پیشرفت چند عدد اول پیش از رسیدن به اولین عدد غیر اول، بدست می‌آیند؟ | ## جمع‌بندی | اولین عدد اول این رشته ۱۱۴۱۰۳۳۷۸۵۰۵۵۳ بوده که اگر عدد ۴۶۰۹۰۹۸۶۹۴۲۰۰ به آن اضافه شود عدد اول بعدی به‌وجود می‌آید و می‌توان ۲۲ بار عدد مذکور را به اعداد اول مرحله قبل افزود و عدد اولی جدید بدست آورد.