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周氏猜測三十年

2022-01-17 14:41    作者:黃麗萍   來源:新加坡國立大學理學院   VIEW:


周氏猜測(圖片源自網路)
 
  今年是周氏猜測正式提出30週年。30年來,這個重要猜測吸引著眾多的數學家和數學愛好者對它進行探究。這一探究至今仍無結果(證明或證否),但人們仍然在堅持、在努力、在奮鬥,希望在不久的將來能夠有所突破。
  周氏猜測是由中國數學家、語言學家周海中提出關於梅森素數分布的重要猜想。他根據已知的梅森素數及其排列,巧妙地運用聯繫觀察法和不完全歸納法,在1992年出版的《中山大學學報》(自然科學版)上提出了這一震驚數學界的猜想。
  梅森素數由梅森數而來。所謂梅森數,是指形如2^p-1的一類數,其中指數p是素數,常記為Mp。如果梅森數是素數,就稱為梅森素數;它是以17世紀法國數學家馬林•梅森命名的一種特殊素數,因為梅森對這種特殊素數曾做過較為系統的探究,加上他當時在歐洲科學界的名氣很大。
  事實上,人們對這種素數的探究已有2000多年的歷史,古希臘數學家歐幾里得曾用反證法證明了素數有無窮多個,並提出少量素數可寫成「2^p-1」的形式。千百年來,許多數學家和數學愛好者對這種特殊素數都做過探究。至今為止,人們已發現51個梅森素數;其中第51個梅森素數2^82589933-1(即2的82589933次方減1)有24862048位,是目前已知的最大素數。如果用普通字號將這個素數列印下來,其長度將超過100公里!
  梅森素數珍奇而迷人,因而被稱為「數海明珠」。它的探究是當今科學的一個重要研究領域,全球目前有近200個國家和地區超過24萬人參加了一個名為「互聯網梅森素數大搜索」(GIMPS)的國際合作項目,並動用了240多萬核中央處理器(CPU)來尋找新的梅森素數——這在數學史上前所未有,在科學史上也極為罕見。
 
中國數學家、語言學家周海中(圖片源自網路)
 
  人們在尋找梅森素數的同時,對這一素數的分布規律也做了探究。例如法國、英國、德國、美國、印度等國的數學家都嘗試過這方面的研究,並以近似表達式給出了猜想,而牠們與梅森素數分布的實際情況的接近程度均未盡如人意。
  一直以來,數學家們都以為梅森素數的分布是隨機的;然而,周海中卻認為該素數的分布雖然複雜,但還是有規律可循的。他經過長期而艱辛的探究,最後以精確表達式給出了梅森素數分布的猜想。後來,這一重大科研成果在國際上被命名為「周氏猜測」。
  周氏猜測的基本內容為:當2^(2^n)<p<2^(2^(n+1))時,Mp有2^(n+1)-1個是素數。周海中並據此做出推論:當p<2^(2^(n+1))時,Mp有2^(n+2)-n-2個是素數(註:p為素數,n為自然數,Mp為梅森數)。
  美籍挪威數論大師、菲爾茨獎和沃爾夫獎得主阿特勒•塞爾伯格認為:周氏猜測具有創新性,開創了富于啟發性的新方法;其創新性還表現在揭示新的規律上。法籍華人數學家李明達在著名雜誌《科學美國人》(中文版)中指出:周氏猜測是梅森素數研究中的一項重大突破。由中國數學家、中科院院士張景中主編的《30年科技成就100例》一書也指出:周氏猜測具有數學之美。
  周氏猜測的表達式貌似簡單,但破解它的難度卻很大。困擾數學界的這一猜測已有30年歷史;不過就目前研究文獻來看,許多數學家和數學愛好者都嘗試過破解它,雖然絞盡腦汁,但仍一無所獲。然而,我們完全可以相信:隨著數學方法和工具的不斷改進,周氏猜測終究有一天會被破解。
  文/黃麗萍(作者單位:新加坡國立大學理學院)
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