Liczby pierwsze - wszystko o liczbach pierwszych

Strona o liczbach pierwszych
wersja 1.2
Ostatnia aktualizacja : 2018-05-05
 
 
Reklama
 
Moje aplikacje

  • Test pierwszości
    zobacz

  • Gęstość liczb pierwszych
    zobacz

  • Generator liczb pierwszych
    zobacz

 
O autorze
 
 
 
Historia wersji

  • wersja 1.0
    2017-10-02

  • wersja 1.1
    2017-10-04

  • wersja 1.2
    2018-04-30

 
O serwisie

  • Serwis powstał w styczniu 2014 roku. Materiały są przeznaczone dla gimnazjalistów, licealistów oraz studentów. Czytelnik na stronie znajdzie garść informacji z dziedziny liczb pierwszych oraz podstawy kryptografii.

 
Książeczka PDF o liczbach pierwszych

  • Zapraszam do pobrania książeczki PDF o liczbach pierwszych :
    lp_v1.pdf w wersji 1.0 : pobierz

 
Spis treści
 
Świat liczb pierwszych 
Wprowadzenie do liczb pierwszych
 
Wiele liczb naturalnych daje się rozłożyć na czynniki mniejsze np. 10=5*2 lub 111=3*37. Jednak istnieją liczby, które nie mogą być rozłożone w taki sposób. Takie liczby nazywamy liczbami pierwszymi.
 
Liczba pierwsza to taka liczba całkowita p większa od jedności, której jedynymi dziennikami są 1 oraz p. Każdą liczbę naturalną większą od jedności, która nie jest liczbą pierwszą, nazywamy liczbą złożoną.
 
Liczba 0 z definicji nie jest ani liczbą pierwszą, ani liczbą złożoną.
 
Liczba 1 z definicji nie jest ani liczbą pierwszą, ani liczbą złożoną.
 
Pierwsze 34 liczby pierwsze to : 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, 101, 103, 107, 109, 113, 127, 131, 137, 139
 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
81 82 83 84 85 86 87 88 89 90
91 92 93 94 95 96 97 98 99 100
Na czerwono zaznaczono liczby pierwsze mniejsze od 100
 
Liczb pierwszych jest nieskończenie wiele. Niech π(n) będzie określało ilość liczb pierwszych nie większych od n. Dla dużych wartości liczby n mamy wzór:
 
 
Oto kilka przykładów : liczb pierwszych mniejszych od 1000 jest 168. Wśród wszystkich liczb 100-cyfrowych w przybliżeniu jedna na każde 300 jest liczbą pierwszą.
 
Problem liczb pierwszych polega na ich rozmieszczeniu wśród liczb naturalnych. Nikt nie opracował dotąd żadnego wzoru pozwalającego na wyszukiwanie kolejnych liczb pierwszych. Istnieją wzory wyszukiwania liczb pierwszych o określonych własciwościach, nie ma jednak wzoru, który by dla każdego argumentu generował by liczbę pierwszą.
drukuj
 

Sito Eratostenesa
 
Najpopularniejszym algorytmem wyznaczania liczb pierwszych jest Sito Eratostenesa. Oto algorytm :

  • Ze zbioru liczb naturalnych z przedziału [2,n] wybieramy najmniejszą liczbę 2 i wykreślamy wszystkie jej wielokrotności większe od niej samej.

  • Z pozostałych liczb wybieramy najmniejszą niewykreśloną liczbę ( jest to liczba 3 ) i usuwamy wszystkie jej wielokrotności większe od niej samej.

  • Wykreślanie powtarzamy do momentu gdy liczba i, której wielokrotność wykreślamy będzie większa niż pierwiastek z liczby n.

  • Wszystkie niewykreślone liczby z przedziału [2,n] są liczbami pierwszymi.

drukuj
 

Gęstość liczb pierwszych
 
Teraz wprowadzamy nowe pojęcie gęstości liczb pierwszych. Niech An oznacza ilość liczb pierwszych wśród liczb naturalnych 1,2,3,...,n. Zatem :

  • A1 = 0

  • A2 = 1

  • A3 = 2

  • A4 = 2

  • A5 = 3

  • ...

Gęstość liczb pierwszych wśród n pierwszych liczb całkowitych jest dana przez stosunek : An / n.
 
Poniżej przedstawiam tabelę zawierającą procent liczb pierwszych w danym przedziale [a,b] :
 
a b procent
2 2 100%
2 4 66,67%
2 8 57,14%
2 16 40%
2 32 35,48%
2 64 28,57%
2 128 24,41%
2 256 21,18%
2 512 18,98%
2 1024 16,81%
2 2048 15,1%
2 4096 13,77%
2 8192 12,55%
2 16384 11,60%
2 32768 10,72%
2 65536 9,98%
2 131072 9,35%
2 262144 8,77%
2 524288 8,28%
2 1048576 7,82%
Procent liczb pierwszych z przedziału [a,..,b]
 
 
Niech π(n) będzie określało ilość liczb pierwszych nie większych od n. Jak już wspomniałem - dla dużych wartości liczby n mamy wzór:
 
 
 
Twierdzenie o liczbach pierwszych mówi nam, że :
 
 
dąży do 1 przy wzroście liczby n. Oto przybliżony wykres funkcji π(n) :
 
 
   
wykresy zapożyczone z serwisu The Primes Pages.
 
drukuj
 

Rodzaje liczb pierwszych
 
Liczby Mersenne'a

  • Niech liczba Mq = 2q - 1

  • Niech q będzie liczbą naturalną.

Wtedy Mq jest liczbą Mersenne'a. Sprośród wszystkich wygenerowanych do tej pory liczb tego typu zaledwie 48 to liczby pierwsze.
 
 
Liczby pierwsze bliźniacze.
Liczby bliźniacze to dwie liczby pierwsze róźniące się o 2.
Na przykład:

  • (3, 5)

  • (5, 7)

  • (59, 61)

  • (1619, 1621)

 
 
Liczby pierwsze czworacze
Liczby czworacze to takie liczby: p , p+2, p+6, p+8, że każda z nich jest liczbą pierwszą.
Na przykład:

  • 5, 7, 11, 13

  • 821, 823, 827, 829

 
 
Liczby pierwsze izolowane
Liczba pierwsza p jest izolowana, jeśli najbliższa liczba pierwsza różni się od niej co najmniej o 4.
Na przykład 89, 157, 173.
 
 
Liczby Sophie Germain
Liczba pierwsza p jest liczbą Sophie Germain, jeśli liczba 2p+1 także jest liczbą pierwszą.
 
 
Liczby pierwsze lustrzane
To pary liczb pierwszych, z których jedna powstaje przez zapisanie cyfr dziesiętnych drugiej w odwrotnej kolejności. Przykłady:

  • 13 i 31

  • 17 i 71

 
Liczby pierwsze palindromiczne
To liczby pierwsze, które nie zmieniają się, gdy ich cyfry dziesiętne zapiszemy w odwrotnej kolejności. Przykłady: 11, 101, 131, 191, 929.
drukuj
 

Wzory na liczby pierwsze
 
Próbowano znaleźć proste wzory arytmetyczne, które dawałyby tylko liczby pierwsze, chociaż niekoniecznie wszystkie liczby pierwsze. Fermat wysunął słynne przypuszczenie, że wszystkie liczby postaci :
 
F(n) = 22n + 1
 
są liczbami pierwszymi. Rzeczywiści dla n=1,2,3,4 otrzymujemy :

  • F(1)=5

  • F(2)=17

  • F(3)=257

  • F(4)=65537

Wszystkie powyższe liczby są pierwsze. Ale w roku 1723 Euler odkrył, że F(5)=641*6700417 nie jest liczbą pierwszą.
 
 
Innym ciekawym wyrażeniem, które daje wiele liczb pierwszych jest
 
F(n) = n2 - n + 41
 
Dla n=1,2,3,...,40 wyrażenie f(n) jest liczbą pierwszą. Natomiast dla n=41 mamy f(n)=412 i jest to liczba złożona.
 
 
Wyrażenie
 
F(n) = n2 - 79n + 1601
 
daje liczby pierwsze przy wszelkich wartościach n aż do 79. Zawodzi jednak dla n=80
drukuj
 

Testy pierwszości
 
Aby sprawdzić, czy liczba naturalna n jest liczbą pierwszą, należy dzielić ją kolejno przez wszystkie liczby większe od 1 i mniejsze równe od floor(n/2). Jeśli przy każdym dzieleniu reszta z dzielenia jest różna od zera, to liczba jest liczbą pierwszą. Natomiast jeżeli choć jedno dzielenie daje resztę równą zero, to sprawdzana liczba naturalna jest liczbą złożoną.
 
 
Oto przykład funkcji sprawdzającej czy dana liczba n jest liczbą pierwszą. Funkcja została napisana w języku PHP
function is_prime($n)
{
$wynik=0;
$i=2;
$g=floor($n/2);
while (($wynik==0) & ($i<=$g))
{
if ($n%$i==0) ++$wynik;
++$i;
}
if ($wynik==0) return(0);
else return(1);
}
 
Jeżeli funkcja zwróci wartość 0 to liczba n jest liczbą pierwszą.
drukuj
 

Spirala Ulama
 
W matematyce spirala Ulama lub spirala liczb pierwszych to graficzna metoda pokazywania pewnych niewyjaśnionych do dziś różnic w rozkładzie liczb pierwszych, zaproponowana przez polskiego matematyka Stanisława Ulama w 1963 roku. Na kwadratowej tablicy zaczynając od 1 w środku spiralnie wypisuje się kolejne liczby naturalne. Na niektórych przekątnych liczby pierwsze częściej grupują się niż na innych. Fakt ten nie został do tej pory wyjaśniony.
 
 
Liczby od 1 do 50 w układzie spirali Ulama
 
 
Liczby pierwsze w tym samym układzie
 
 
Liczby pierwsze w Spirali Ulama w układzie 200x200
 
Ciekawy program do generowania spirali Ulama dostępny jest tutaj.
drukuj
 

Hipotezy
 
Czego nie wiadomo o liczbach pierwszych:
 
Hipoteza 1
Czy istnieje liczba pierwsza między n2 a (n+1)2 dla każdego n>0?
 
Hipoteza 2
Czy istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych postaci n2+1 gdzie n jest liczbą całkowitą?
 
Hipoteza 3
Czy każda liczba parzysta jest sumą dwóch nieparzystych liczb pierwszych?
 
Hipoteza 4
Czy istnieje nieskończenie wiele par liczb pierwszych, takich jak 11,13 albo 17,19 różniących się o 2. Jest to problem bliźniaczych liczb pierwszych.
drukuj
 

Ciekawostki
 
Ciekawostka 1
W 1914 roku amerykański matematyk Derrick Norman Lehmer opublikował po raz pierwszy listę wszystkich 664579 liczb pierwszych mniejszych od 10 milionów. Stworzył on tę listę za pomocą sita Eratostenesa.
 
Ciekawostka 2
Liczba 11111111111111111111111 złożona z 23 jedynek jest liczbą pierwszą.
 
Ciekawostka 3
Liczba 31415926535897932384626433832795028841 zestawiona z początkowych 38 cyfr rozwinięcia dziesiętnego liczby π , jest liczbą pierwszą.
 
Ciekawostka 4
Liczba 73939133 nie tylko jest liczbą pierwszą, ale liczby otrzymane z niej przez kolejne obcinanie cyfr od prawej strony też są liczbami pierwszymi:

  • 7393913 jest liczbą pierwszą

  • 739391 jest liczbą pierwszą

  • 73939 jest liczbą pierwszą

  • 7393 jest liczbą pierwszą

  • 739 jest liczbą pierwszą

  • 73 jest liczbą pierwszą

  • 7 jest liczbą pierwszą

drukuj
 

Największe liczby pierwsze
 
Największa odkryta dotąd liczba pierwsza to 274207281−1, która liczy sobie 22338618 cyfr w zapisie dziesiętnym. Została ona odkryta przez Curtisa Coopera 7 stycznia 2016 roku.
 
Oto lista innych wielkich liczb pierwszych :
 
Liczba pierwsza Liczba cyfr Rok odkrycia
274207281-1 22338618 2016
257885161-1 17425170 2013
257885161-1 17425170 2013
243112609-1 12978189 2008
230402457-1 9152052 2005
23021377-1 909526 1998
22976221-1 895932 1997
21398269-1 420921 1996
21257787-1 378632 1996
2859433-1 258716 1994
2756839-1 227832 1992
2216091-1 65050 1985
2132049-1 39751 1983
2110503-1 33265 1988
286243-1 25962 1982
 
 
Największą liczbą pierwszą sprzed ery komputerów jest liczba, która nosi nazwę odkrywcy - liczba Ferriera i wynosi:
 
20 988 936 657 440 586 486 151 264 256 610 222 593 863 921
 
Jest to 44-cyfrowa liczba znaleziona za pomocą mechanicznego kalkulatora w 1951r.
drukuj
 

Kryptografia
 
Duże liczby pierwsze są często wykorzystywane w kryptografii ze względu na swe specyficzne właściwości. Dla przykładu opiszę kryptosystem RSA. Wykorzystujemy tutaj dwie pary kluczy : klucz publiczny i klucz prywatny.
 
Algorytm RSA:

  • Najpierw generujemy klucz publiczny oraz klucz prywatny:

    • wybieramy losowo dwie liczby pierwsze p i q.

    • obliczamy iloczyn tych liczb n=pq

    • obliczamy wrtość funkcji Eulera dla n : φ(n)=(p-1)(q-1)

    • wybieramy liczbę e z przedziału [1,n] względnie pierwszą z φ(n)

    • znajdujemy liczbę d : d=e-1 mod φ(n)

    • klucz publiczny to para liczb (n,e)

    • klucz prywatny to para liczb (n,d)

  • Szyfrowanie i deszyfrowanie

    • Aby zaszyfrować wiadomość dzielimy ją na bloki mi o wartości nie większej niż n

    • Teraz każdy z bloków szyfrujemy według wzoru : ci = mie mod n

    • Natomiast aby odszyfrować wiadomość musimy każdy z bloków ci odszyfrować według wzoru : mi = cid mod n

drukuj
 

Praktyczne zastosowanie kryptografii
 
Kryptografii używało się w kodowaniu telewizji analogowej. Jednym z systemów kodowania był Syster używany na przykład przez stację telewizyjną Canal+. Więcej o tym systemie kodowania oraz innych metodach szyfrowania dowiecie się na tej stronie.
 
Można zakodować obraz.
 
Zakodowany obraz systemem Syster.
 
lub cały film.
 
Zakodowany film systemem Syster.
drukuj
 

Algorytmy Probabilistyczne
 
Algorytmy probabilistyczne z bardzo dużym prawdopodobieństwem sprawdzają czy dana liczba jest liczbą pierwszą. Ale niestety istnieje niewielkie prawdopodobieństwo pomyłki.
 
Algorytm:

  1. Wprowadź liczbę n

  2. Wybierz losowo liczbę k z przedziału [1,n-1]

  3. Sprawdź czy liczba k świadczy o złożoności liczby n

    1. Jeżeli tak to liczba n nie jest liczbą pierwszą

    2. Jeżeli nie to sprawdź czy sprawdzono już 200 różnych liczb k

      1. Jeżeli nie to wróć do punktu 2

      2. Jeżeli tak to n jest liczbą pierwszą.

W powyższym algorytmie prawdopodobieństwo pomyłki jest mniejsze niż 1/200.
drukuj
 

Funkcja Eulera
 
Dla każdego n>=1 niech φ(n) będzie liczbą takich liczb całkowitych z przedziału 1<=a<=n, że NWD(a,n)=1. Wtedy funkcję φ nazywamy funkcją Eulera.

  • Własność 1
    Nich p będzie liczbą pierwszą. Wtedy φ(p)=p-1

  • Własność 2
    Niech m>=1 oraz n>=1 oraz NWD(m,n)=1. Wtedy φ(mn)=φ(m)φ(n).

  • Własność 3
    Niech p będzie liczbą pierwszą. Wtedy φ(pk)=pk-1(p-1)

  • Małe twierdzenie Fermata
    Jeżeli p jest liczbą pierwszą, nie będącą dzielnikiem liczby całkowitej a to :

    aφ(p) ≡ 1 (mod p)

 
 
Oto przykład algorytmu wyliczającego funkcję Eulera w języku PHP. Użyłem funkcji pomocniczej nwd, która oblicza największy wspólny dzielnik dla dwóch liczb naturalnych większych od 0.
function nwd($a,$b)
{
while($a*$b!=0)
{
if ($a>$b)
{
$a=$a%$b;
}
else
{
$b=$b%$a;
}
}
$wynik=$a+$b;
return($wynik);
}

function euler($n)
{
$wynik=0;
for ($i=1;$i<$n;++$i)
{
$sprawdz=nwd($i,$n);
if ($sprawdz==1) ++$wynik;
}
return($wynik);
}
 
 
 
W poniższej tabeli podałem wartości funkcji Eulera dla kolenych potęg liczby 10.
 
 
n φ(n)
10 4
100 40
1000 400
1000 400
10000 4000
100000 40000
Wartość funkcji Eulera dla kolejnych potęg liczby 10
drukuj
 

Książki o liczbach pierwszych

  • Paulo Ribenboim, Mała księga wielkich liczb pierwszych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1997.

  • Andrzej Szepietowski, Matematyka Dyskretna, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk 2000.

  • Wacław Marzantowicz, Piotr Zarzycki, Elementy Teorii Liczb, Wydawnictwo Naukowe UAM

  • Piotr Zarzycki, Elementarna teoria liczb, PWN, Warszawa 2006.

  • R. Courant, H. Robbins, Co to jest Matematyka, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1959

  • Wacław Sierpiński, Arytmetyka Teoretyczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1968

  • Philip J. Davis, Reuben Hersh, Świat Matematyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994

  • I.N. Bronsztejn, K.A. Siemiendiajew, G. Musiol, H. Muhlig, Nowoczesne Kompendium Matematyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007

  • Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest, Wprowadzenie do algorytmów, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998

  • Marcin Karbowski, Podstawy Kryptografii, Wydawnictwa Helion, Gliwice 2014

  • David Harel, Yishai Feldman, Rzecz o istocie informatyki - Algorytmika, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008

  • Jacek Wojdanowski, Kod liczb pierwszych, Wydawnictwo Poligraf, Brzezia Łąka 2016 ( pobierz fragment książki )

  • Lubina Jan, Zagadka wszechczasów - rozwiązana , Wydawnictwo Poligraf, Brzezia Łąka 2017 ( pobierz fragment książki )

drukuj
 

Ciekawe linki

  • www.matematyka.pisz.pl
    zobacz

  • www.math.edu.pl
    zobacz

  • www.matemaks.pl
    zobacz

  • Kod liczb pierwszych - wydanie pierwsze
    zobacz

  • matfiz24.pl
    zobacz

  • Matematyka dla studenta
    zobacz

  • The primes pages - międzynarodowa strona o liczbach pierwszych
    zobacz

  • Strona domowa Michała Zalewskiego
    zobacz

drukuj
 

Ciekawe filmy
 
Przekleństwo liczb pierwszych. Hipoteza Riemanna
Film zapożyczony z serwisu Pasja Informatyki.
 
 
Twierdzenie o liczbach pierwszych
Film zapożyczony z serwisu Khan Academy.
drukuj
 

Liczby pierwsze w mediach
drukuj
 

Do pobrania

  • primes.pdf - Lista liczb pierwszych w formacie PDF

drukuj
 

Zakończenie
 
To już jest koniec. Sugestie i korekty są mile widziane. Kontakt z autorem pod adresem biuro@jpn.hmcloud.pl lub info@liczbypierwsze.com .
 
Inne moje projekty to:
drukuj
 
 
 
do góry
 
 
 
Copyright © 2014-2018 Jacek Piotr Nowicki