质数公式

**質數公式**，又稱**素數公式**，在數學領域中，表示一種能夠僅產生質數的公式。即是說，這個公式能夠一個不漏地產生所有的質數，並且對每個輸入的值，此公式產生的結果都是質數。由於質數的個數是可數的，因此一般假設輸入的值是自然數集（或整數集及其它可數集）。迄今為止，人們尚未找到**易於計算**且符合上述條件的質數公式，但對於質數公式應該具備的性質已經有了大量的研究。

## 多項式形式的質數公式

可以證明，一個整係數多項式 _P_(_n_)，如果不是常數函數的話，不會是一個質數公式。證明很簡單：假設這樣的一個多項式 _P_(_n_) 存在。那麼 _P_(1) 將是一個質數 _p_。接下來考慮 $P(1+kp)$ 的值。由於 $P(1)\equiv 0{\pmod {p}}$ ，對於任意整數 _k_，我們有 $P(1+kp)\equiv 0{\pmod {p}}$ ，從而 $P(1+kp)$ 是 _p_ 的倍數，但已然假設 $P$ 是質數公式，所以 $P(1+kn)$ 必須是質數，於是它就只能等於 $p$ 。也就是說，對於任意的 _k_， $1+kp$ 都是多項式 _P_(_n_) - _p_ 的一個根。但根據代數基本定理，一個非零的整係數多項式不可能有無窮多個根。故此，_P_(_n_) 只能是常數函數。

應用代數數理論，可以證明更強的結果：不存在能夠對幾乎所有自然數輸入，都能產生質數的非常數的多項式 _P_(_n_)。

歐拉在 1772 年發現，對於小於 40 的所有自然數，多項式

　
: $f(n)=n^{2}+n+41$

的值都是質數。對於前幾個自然數 _n_ = 0, 1, 2, 3...，多項式的值是 41, 43, 47, 53, 61, 71...。當 _n_ 等於 40 時，多項式的值是 1681=41×41，是一個合數。實際上，當 _n_ 能被 41 整除的時候，_P_(_n_) 也能被 41 整除，因而是合數。這個公式和所謂的質數螺旋有關，也和黑格納數 $163=4\cdot 41-1$ 有關。若 $p=2,3,5,11,17$ 時，其對應的多項式也有類似的性質，而 $4\cdot p-1$ 也是黑格納數。

狄利克雷定理證明了，對於互質的 _a_ 和 _b_， 線性函數 $L(n)=an+b$ 能產生無窮多個質數（儘管不是對於所有的自然數 n）。至於是否存在次數大於等於 2 的多項式，滿足對無窮多個整數，都能取到質數值，目前還沒有結論。

此外，格林 - 陶定理證明了另一結論：對於每個正整數 _k_，都存在著整數對 _a_, _b_，使得對於每個 0 與 _k_−1 之間的 _n_， $L(n)=an+b$ 都是質數。然而，對於比較大的 _k_，找出 _a_ 和 _b_ 是很困難的。目前最好的結果是對於 _k_ = 26，

　
: _P_(_n_) = 5283234035979900_n_ + 43142746595714191（ A204189 ）

## 丟番圖方程式形式的質數公式

一個很著名的質數公式是以下的有 26 個未知數的由 14 個方程組成的丟番圖方程式組 Jones et al.（1976）：

　
: $0=wz+h+j-q$

　
: $0=(gk+2g+k+1)(h+j)+h-z$

　
: $0=16(k+1)^{3}(k+2)(n+1)^{2}+1-f^{2}$

　
: $0=2n+p+q+z-e$

　
: $0=e^{3}(e+2)(a+1)^{2}+1-o^{2}$

　
: $0=(a^{2}-1)y^{2}+1-x^{2}$

　
: $0=16r^{2}y^{4}(a^{2}-1)+1-u^{2}$

　
: $0=n+l+v-y$

　
: $0=(a^{2}-1)l^{2}+1-m^{2}$

　
: $0=ai+k+1-l-i$

　
: $0=((a+u^{2}(u^{2}-a))^{2}-1)(n+4dy)^{2}+1-(x+cu)^{2}$

　
: $0=p+l(a-n-1)+b(2an+2a-n^{2}-2n-2)-m$

　
: $0=q+y(a-p-1)+s(2ap+2a-p^{2}-2p-2)-x$

　
: $0=z+pl(a-p)+t(2ap-p^{2}-1)-pm.$

對於這個方程組的所有正整數解：(a,b,...,z)，_k_+ 2 都是質數。可以把這個公式改寫成多項式的形式：將 14 個等式記作 p1，p2，……，p14，那麼可以說，多項式 $(k+2)(1-p_{1}^{2}-p_{2}^{2}-\cdots -p_{14}^{2})$ 的輸入值 (a,b,...,z) 是正整數時，其值域的正值部分就是所有質數。

根據尤里・馬季亞謝維奇的一個定理，如果一個集合能夠被定義成一個丟番圖方程式的解集，那麼就可以被定義為一個只有 9 個未知數的丟番圖方程式的解集。於是，質數集合可以被定義為一個只含 10 個變元的多項式的正值解集。然而，這個多項式的次數極大（在 1045 數量級），另一方面，也存在次數不超過 4 的多項式，未知數個數是 58 個。

## 帶高斯符號的質數公式

利用高斯符號 $[x]$ ，可以建立一些第 _n_ 個質數的表達式：

### Mills 公式

第一個帶高斯函數的質數公式由 W. H. Mills 在 1947 年構造。他證明了存在實數 _A_ 使得數列

　
: $[A^{3^{n}}\;]$

中的每個數都是質數。最小的 _A_ 稱為米爾斯常數，如果黎曼猜想成立，它的值大約為： $A\approx 1.30637788386308069046\ldots $ （ A051021）。
這個質數公式並沒有什麼實際價值，因為人們對 _A_ 的性質所知甚少，甚至不知道 _A_ 是否為有理數。而且，除了用質數值逼近外，沒有其他計算 _A_ 的方法。

### 威爾遜定理的利用

使用威爾遜定理，可以建立一些其他的質數公式。以下的公式也沒有什麼實際價值，大多數的質數測試都比它遠為有效。

我們定義

　
: $\pi (m)=\sum _{j=2}^{m}{\frac {\sin ^{2}({\pi  \over j}(j-1)!^{2})}{\sin ^{2}({\pi  \over j})}}$

或者

　
: $\pi (m)=\sum _{j=2}^{m}\left[{(j-1)!+1 \over j}-\left[{(j-1)! \over j}\right]\right].$

這兩種定義是等價的。π（_m_）就是小於 _m_ 的質數個數。於是，我們可以定義第 _n_ 個質數如下：

　
: $p_{n}=1+\sum _{m=1}^{2^{n}}\left\lbrack \left\lbrack {n \over 1+\pi (m)}\right\rbrack ^{1 \over n}\right\rbrack .$

### 另一個用高斯函數的例子

這個例子沒有用到階乘和威爾遜定理，但也大量應用了高斯函數（S. M. Ruiz 2000）。首先定義：

　
: $\pi (k)=k-1+\sum _{j=2}^{k}\left\lbrack {2 \over j}\left(1+\sum _{s=1}^{\left\lbrack {\sqrt {j}}\right\rbrack }\left(\left\lbrack {j-1 \over s}\right\rbrack -\left\lbrack {j \over s}\right\rbrack \right)\right)\right\rbrack $

然後就有第 _n_ 個質數的表達式：

　
: $p_{n}=1+\sum _{k=1}^{2(\lbrack n\ln(n)\rbrack +1)}\left(1-\left\lbrack {\pi (k) \over n}\right\rbrack \right).$

## 遞迴關係

另外一個質數公式由以下遞迴關係組成的數列，其前後項的差來定義：

　
: $a_{n}=a_{n-1}+\operatorname {gcd} (n,a_{n-1}),\quad a_{1}=7,$

其中 gcd (_x_, _y_) 表示 _x_ 和 _y_ 的最大公因數。這個數列的開始幾項 an+1 - an 是 1, 1, 1, 5, 3, 1, 1, 1, 1, 11, 3, 1, 1 （OEIS 數列 A132199）。Rowlands (2008) 證明了這個數列只含有一和質數。

## 其他公式

### 威爾遜定理衍生公式

　
: $f(n)=2+(2n!\;{\pmod {n+1}})$

其中，質數 2 出現無限多次，其餘的質數恰好出現一次。實際上，當 _n+1_ 是質數 _p_ 的時候，由威爾遜定理， $2n!\;{\pmod {n+1}}$ 等於 _p-2_，於是 $f(n)=p$ ，當 _n+1_ 是合數的時候， $2n!{\pmod {n+1}}$ 等於 0，於是得到 2。

## 參考資料

## 參見

* 質數
* 質數定理
* 哥德巴赫猜想
* 雙生質數
* 埃拉托斯特尼篩法
* 費馬數 $F_{n}=2^{2^{n}}+1$
* X²+1 質數