理论教育 青少年讲座:质数创吉尼斯纪录

青少年讲座:质数创吉尼斯纪录

时间:2023-12-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:1772年,瑞士数学家莱昂哈德·欧拉证明这个10位数的数字是质数,而这一纪录则一直保持到了1867年。截至2009年,共有一万多人加入这场被称为因特网梅森质数大搜索的项目中。2008年9月6日,德国业余质数猎手汉斯· 迈克尔· 埃文尼奇突然宣布,他的电脑刚刚发现了一个11 185 272位的梅森质数,此刻埃文尼奇一定认为自己中了大奖。对UCLA来说,打破质数纪录不再是新鲜事了。任何一位寻找到新的梅森质数的发现者仍将获得3000美元的奖金。

青少年讲座:质数创吉尼斯纪录

伊利莎白一世时,已知的最大质数是棋盘上前19个方格中大米数量的总和:524 287。而等到纳尔逊子爵参加特拉法加海战时,最大质数的纪录则增加到棋盘中前31个方格中大米数量的总和:2 147 483 647。1772年,瑞士数学家莱昂哈德·欧拉证明这个10位数的数字是质数,而这一纪录则一直保持到了1867年。

2006年9月4日,这个纪录被提升至第32 582 657个方格中大米数量的总和,当然前提是我们能有这么大的棋盘。这个新质数的数位超过980万,如果把该数字大声读出来,需要耗费一个半月的时间。该数字并非由某个巨型计算机发现,而是由一位业余数学家使用从网络上下载的软件时发现的。

当初设计者在设计这款软件时的初衷,是要利用计算机的空闲时间来做一些运算工作。其中所使用的程序采用了一个非常巧妙的策略,该策略能够用来检测梅森数是否全都是质数。检测这个980万位的数字需耗费台式电脑数月的时间,但是,和能够检测这么多数位的任何一个随机数字是否是质数的方法相比,这个策略已经十分高效了。截至2009年,共有一万多人加入这场被称为因特网梅森质数大搜索(GIMPS)的项目中。

但需要注意的是,该研究也并非百无一害。有一位GIMPS项目的参与者在美国的一家电话公司工作,他偷偷利用公司的2585台电脑搜索那些梅森质数。当公司人员发现自己的电脑要花费5分钟而非5秒钟的时间来检索电话号码的时候,他们便起了疑心。FBI最终发现了电脑运行速度变慢的原因,这名员工坦白道:“我实在难以抗拒这么强大的计算能力的诱惑。”尽管如此,这家电话公司对他追求科学的举动并无怜悯之心,最终还是开除了他。

2006年9月以后,数学家都在屏气凝神地等待纪录突破1000万位的大关。这种期待并不只是为了学术上的发展,还有金钱上的理由——首位攻克这一大关的人将获得一笔10万美元的奖励,这笔奖励是由加利福尼亚的一个名叫电子前哨基金会(Electronic Frontier Foundation)的组织提供的,他们致力于鼓励虚拟空间内的协同合作。

两年后,新纪录诞生了,或许是离奇的命运使然,几天之内接连诞生出两个新纪录。2008年9月6日,德国业余质数猎手汉斯· 迈克尔· 埃文尼奇突然宣布,他的电脑刚刚发现了一个11 185 272位的梅森质数,此刻埃文尼奇一定认为自己中了大奖。但当他将这一发现报告给官方后,兴奋转而化为绝望,他被14天前的另一个纪录抢了先机。8月23日,加州大学洛杉矶分校(UCLA)数学系的埃德森·史密斯的电脑发现了一个更大的质数,共有12 978 189位。对UCLA来说,打破质数纪录不再是新鲜事了。该校的数学家拉斐尔·罗宾逊在20世纪50年代便发现了5个梅森质数,而在20世纪60年代初期,亚历克斯·赫尔维茨又发现了另外两个。

GIMPS项目程序的开发人员都认为这笔奖金不应只颁给那个幸运儿,他只是接受任务负责检验某个特定的梅森数字而已。于是,5000美元奖给那个软件的开发者,而自1999年以来打破过纪录的软件使用者则分享20 000美元,还有25 000美元则被捐给慈善组织,剩余的奖金颁给了加州的埃德森·史密斯。

如果你还想通过寻找质数来赚钱,那么也不必因为1000万位的大关已经被打破而担忧了。任何一位寻找到新的梅森质数的发现者仍将获得3000美元的奖金。如果你想获得更大额的奖金,还有1亿和10亿位的大关等着你,若打通这两个关口,你将分别获得15万和20万美元的奖金。多亏了那些伟大的希腊先贤,我们才知道这类关于质数的纪录正在前方等着我们去发现。问题是在打破新纪录之前,通货膨胀将侵蚀掉多少奖金。

如何写下一个12 978 189位的数字(www.daowen.com)

埃德森·史密斯所发现的质数是一个惊人的庞大数字。要写下其全部位数,需要使用本书大小的3000页纸张,幸好,只要通过一点数学运算,我们就可以构建出一个能表示该数字的公式,从而以更简洁的方式描述该数字。

棋盘上前N 个方格中的大米数量总和为:

R = 1+2+4+8+…+2N-2+2N-1

以下是找到表达此数字的公式的一个诀窍。由于R =2 RR 这个公式过于显而易见,初看之下,它简直毫无用处。这样一个一目了然的等式到底如何能帮助我们计算出R 的值呢?在数学上,稍微换一个视角常常能带来意想不到的效果,因为变换角度之后,所有一切都突然间显得完全不同。

首先,我们来计算2 R 的值。这一点只需在等式两边都乘以2即可。但是关键在于,如果你把一个方格中的米粒数量加倍,那么,这个方格中的大米数量就等同于原先下一个方格中的大米数量。于是:

2 R = 2+4+8+16+…+2N-1+2N

下一步便是减掉一个 R 。结果,等式右侧除最后一项外均被抵消掉:

因此,棋盘上前N格中大米数量的总和便为2N-1,这便是寻找尝试打破质数纪录的公式。通过足够次数的加倍,然后在此基础上减去1,便会得出一个有可能的梅森质数(使用该公式所发现的质数称为梅森质数)。而要得到埃德森·史密斯那个12 978 189位的质数,只需将公式中的N 设为43 112 609即可。

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