Иэн Стюарт - Величайшие математические задачи

Разобравшись в основах, перейдем к самой известной из нерешенных задач, связанных с простыми числами, – к проблеме Гольдбаха, которой уже 250 лет. В последнее время в работе над ней достигнут колоссальный прогресс, но полностью она пока не решена. А несколько других задач представят нам примеры того, что еще предстоит сделать в этой важной, но трудно поддающейся исследованию области математики.

Простые числа и разложение на множители знакомы нам из школьного курса арифметики, однако большинство интересных свойств простых чисел на этом уровне не рассматривают и никаких доказательств не представляют. Тому есть веские причины: доказательства даже самых очевидных, на первый взгляд, свойств удивительно сложны. Вместо этого школьников учат некоторым простым методикам работы с простыми числами, акцентируя внимание на вычислениях, где цифры относительно невелики. В результате наши первые впечатления от встречи с простыми числами, как правило, обманчивы.

Древние греки были знакомы с некоторыми базовыми свойствами простых чисел и знали, как их доказать. Простые числа и сомножители – основная тема Книги VII евклидовых «Начал», классического труда, посвященного геометрии. В этой книге имеется, в частности, геометрическое представление арифметических действий – деления и умножения. Греки предпочитали работать не с числами как таковыми, а с длинами линий (отрезков), но их результаты несложно переформулировать на языке чисел. Так, Предложение 16 Книги VII доказывает, что при перемножении двух чисел результат не зависит от того, в каком порядке берутся эти числа. Иными словами, ab = ba, фундаментальный закон алгебры.

В школьной арифметике простые делители используют для поиска наибольшего общего делителя двух чисел. К примеру, чтобы найти наибольший общий делитель чисел 135 и 630, мы раскладываем их на простые множители:

Затем берем все простые числа, которые присутствуют в обоих разложениях, в наибольшей общей степени; получаем 32 × 5. Перемножаем, получаем 45. Это и есть наибольший общий делитель. Из этой процедуры создается впечатление, что без разложения на простые множители невозможно найти наибольший общий делитель. На самом деле с точки зрения логики все наоборот. Предложение 2 Книги VII «Начал» представляет метод поиска наибольшего общего делителя двух натуральных чисел без разложения их на простые множители. Метод состоит в последовательном вычитании меньшего числа из большего, а затем остатка из меньшего числа и т. д. до тех пор, пока есть остаток. Для тех же чисел 135 и 630 – это достаточно типичный случай для небольших чисел – процесс выглядит так. Вычитаем 135 из 630 столько раз, сколько сможем:

630 − 135 = 495;

495 − 135 = 360;

360 − 135 = 225;

225 − 135 = 90.

Поскольку 90 < 135, переходим к той же процедуре с участием чисел 90 и 135:

135 − 90 = 45.

Поскольку 45 < 90, продолжаем то же с числами 45 и 90:

90 − 45 = 45;

45 − 45 = 0.

Таким образом, наибольший общий делитель чисел 135 и 630 равен 45.

Эта процедура работает потому, что на каждой стадии происходит замена первоначальной пары чисел более простой парой (одно из чисел уменьшается), которая тем не менее имеет тот же наибольший общий делитель. В конце концов, одно из чисел делится на второе нацело, без остатка, и процесс поиска на этом завершается. В наше время подробное описание вычислительного метода, при помощи которого можно гарантированно найти ответ той или иной задачи, называют алгоритмом. Поэтому и процедура из «Начал» Евклида известна сегодня как евклидов алгоритм. Логически эта процедура первична по отношению к процедуре разложения на простые множители. В самом деле, Евклид использует ее для доказательства основных свойств простых делителей. В современных университетских курсах математики алгоритм Евклида используется с той же целью.

Описанная процедура целиком опирается на евклидово Предложение 30 и была бы невозможна без него. В современных терминах речь в нем идет о том, что если произведение двух чисел – то, что мы получаем при их перемножении – делится на некое простое число, то на это же число должен делиться один из сомножителей. Предложение 32 заключается в том, что любое число либо само является простым, либо имеет простой делитель. Объединив оба утверждения, несложно сделать вывод, что любое число есть результат перемножения простых множителей и что их набор единственный, если не брать во внимание порядок записи. К примеру,

и т. д., но единственный реальный способ получить 60 состоит в том, чтобы взять множители из первого разложения и переставить их местами. Не существует, к примеру, разложения, в котором 60 = 7 × что-нибудь. Существование какого-нибудь разложения следует из Предложения 32. Если число простое – стоп. Если нет, находим простой делитель, делим на него, получая меньшее число, и повторяем процедуру. Уникальность набора делителей следует из Предложения 30. Так, если бы разложение 60 = 7 × что-нибудь существовало, то одно из чисел 2, 3 и 5 должно было бы тоже делиться на 7, но этого не происходит.

Здесь я должен прояснить один небольшой, но важный момент: исключительный статус числа 1. Согласно приведенному выше определению, оно простое: если мы попытаемся разбить его на множители, максимум, что мы получим, будет 1 = 1 × 1, где нет меньших чисел. Однако позже, с развитием теории, такая интерпретация вызывает проблемы, поэтому в последние век-два математики добавили в определение простого числа дополнительное ограничение. Число 1 настолько отличается от всех остальных чисел, что его следует рассматривать как исключение, – это не простое число, но и не составное. Это третья разновидность числа – единица. Одна из причин, по которым мы называем 1 особым случаем, а не относим ее к настоящим простым числам, заключается в том, что если мы согласимся с простотой единицы, то единственность набора множителей нарушится. Вообще-то 1 × 1 = 1 – уже нарушение, а уж 1 × 1 × 1 × 1 × 1 × 1 × 1 × 1 = 1 ни в какие ворота не лезет. Можно было бы изменить определение единственности и сказать «единственный, без учета дополнительных единичных множителей», но это был бы всего лишь другой способ признать, что 1 – число особое.

Много позже, в Предложении 20 Книги IX, Евклид доказывает еще один ключевой факт: «Простых чисел существует больше, чем их насчитывается в любом множестве простых чисел». Иными словами, множество простых чисел бесконечно. Это чудесная теорема и изящное доказательство, но ее появление вызвало множество проблем. Если простые числа уходят в бесконечность, но, судя по всему, расположены без всякой системы, то как можно сказать, на что они похожи?