จำนวนเฉพาะ

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

ในคณิตศาสตร์ จำนวนเฉพาะ (อังกฤษ : prime number) คือ จำนวนธรรมชาติที่มีตัวหารที่เป็นบวกอยู่ 2 ตัว คือ 1 กับตัวมันเอง ตรงข้ามกับจำนวนประกอบ

ลำดับของจำนวนเฉพาะเริ่มต้นด้วย

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...
(ลำดับ OEISA000040)

ดูบทความ รายชื่อจำนวนเฉพาะ สำหรับจำนวนเฉพาะ 500 จำนวนแรก สำหรับเลข 1 ไม่ถือว่าเป็นจำนวนเฉพาะตามนิยาม

เซตของจำนวนเฉพาะทั้งหมดมักเขียนแทนด้วย \mathbb P เนื่องจาก 2 เป็นจำนวนเฉพาะตัวเดียวที่เป็นเลขคู่ ดังนั้นคำว่า จำนวนเฉพาะคี่ จะถูกใช้เพื่อหมายถึงจำนวนเฉพาะทั้งหมดที่ไม่ใช่ 2

การแทนจำนวนธรรมชาติ ด้วยผลคูณของจำนวนเฉพาะ[แก้]

ทฤษฎีบทมูลฐานของเลขคณิตกล่าวว่า จำนวนเต็มบวกทุกตัวสามาถเขียนได้ในรูปผลคูณของจำนวนเฉพาะ และเขียนได้แบบเดียวเท่านั้น จำนวนเฉพาะเป็นเหมือน "บล็อกก่อสร้าง"ของจำนวนธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น

23244 = 2^2 \times 3 \times 13 \times 149

ไม่ว่าเราจะแยกตัวประกอบของ 23244 แบบใดโดยไม่คำนึงถึงลำดับของตัวประกอบแล้ว มันก็จะไม่ต่างไปจากนี้

มีจำนวนเฉพาะอยู่จำนวนเท่าไร?[แก้]

มีจำนวนเฉพาะอยู่มากเป็นอนันต์ บทพิสูจน์ที่เก่าแก่ที่สุดสำหรับประโยคนี้ คิดขึ้นโดยนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกชื่อ ยุคลิด ในหนังสือ Elements (Book IX, Proposition 20) ยุคลิดกล่าวในหนังสือของเขาว่า "มีจำนวนเฉพาะ มากกว่าจำนวนเฉพาะ[จำนวนจำกัด]ที่กำหนดให้" บทพิสูจน์ของเขาสามารถสรุปย่อๆได้ว่า:

ให้ดูจำนวนเฉพาะมีจำนวนจำกัด ซึ่งเรากำหนดว่ามันเป็นจำนวนเฉพาะที่มีอยู่ทั้งหมด คูณจำนวนทั้งหมดเข้าด้วยกันและ บวก 1 ผลลัพธ์ที่ได้จะไม่สามารถหารด้วยจำนวนเฉพาะใดๆในเซตได้ เพราะว่าไม่ว่าจะหารด้วยตัวใดก็จะเหลือเศษ 1 ดังนั้น มันจะต้องเป็นจำนวนเฉพาะ หรืออาจจะมีจำนวนเฉพาะที่หารมันลงตัวแต่ไม่ได้อยู่ในเซตจำกัดนี้ ดังนั้น เซตนี้ไม่ได้มีจำนวนเฉพาะทั้งหมด

การค้นหาจำนวนเฉพาะ[แก้]

ตะแกรงเอราทอสเทนีส และ ตะแกรงของ Atkin เป็นวิธีที่ใช้สร้างรายการจำนวนเฉพาะทั้งหมดตามจำนวนที่กำหนดอย่างรวดเร็ว

ในทางปฏิบัติ เราต้องการตรวจสอบว่าเลขที่กำหนดให้ว่าเป็นจำนวนเฉพาะหรือไม่ มากกว่าจะสร้างรายการจำนวนเฉพาะทั้งหมดขึ้นมา ซึ่งวิธีที่ทดสอบ จะให้คำตอบด้วยความน่าจะเป็น เราสามารถตรวจสอบเลขที่มีขนาดใหญ่ (มี 1 พันหลักขึ้นไป) ว่าเป็นจำนวนเฉพาะหรือไม่ได้อย่างรวดเร็ว โดยใช้การทดสอบความเป็นจำนวนเฉพาะด้วยความน่าจะเป็น (probabilistic primality tests) ซึ่งวิธีนี้ จะต้องทำการสุ่มตัวเลขขึ้นมาตัวหนึ่ง เรียกว่า "พยาน" (witness) และใช้สูตรที่เกี่ยวข้องกับพยาน และจำนวนเฉพาะ N ทำการทดสอบ หลังจากที่ทดสอบไปหลายรอบ เราจะตอบได้ว่า N เป็น"จำนวนประกอบอย่างแน่นอน" หรือ N "อาจเป็นจำนวนเฉพาะ" วิธีทดสอบไม่สามารถให้คำตอบได้ว่าเป็นจำนวนเฉพาะอย่างแน่นอนหรือไม่ การทดสอบบางครั้ง เมื่อใส่จำนวนประกอบลงไป ก็ให้คำตอบว่า"อาจเป็นจำนวนเฉพาะ"เสมอ ไม่ว่าจะเลือกพยานตัวใดก็ตาม จำนวนเหล่านี้เรียกว่า จำนวนเฉพาะเทียม (pseudoprimes) สำหรับการทดสอบ

สมบัติบางประการของจำนวนเฉพาะ[แก้]

  • ถ้า p เป็นจำนวนเฉพาะ และ p หาร ab ลงตัวแล้ว p หาร a ลงตัว หรือ p หาร b ลงตัว ประพจน์นี้พิสูจน์โดยยุคลิด และมีชื่อเรียกว่า บทตั้งของยุคลิด ใช้ในการพิสูจน์เรื่องการแยกตัวประกอบได้อย่างเดียว
  • ริง (ดูที่เลขคณิตมอดุลาร์) Z/nZ เป็นฟีลด์ ก็ต่อเมื่อ n เป็นจำนวนเฉพาะ
  • ถ้า p เป็นจำนวนเฉพาะ และ a เป็นจำนวนเต็มใดๆแล้ว ap − a หารด้วย p ลงตัว (ทฤษฎีบทน้อยของแฟร์มาต์)
  • จำนวนเต็ม p > 1 เป็นจำนวนเฉพาะ ก็ต่อเมื่อ (p − 1) ! + 1 หารด้วย p ลงตัว (ทฤษฎีบทของวิลสัน). บทกลับ, จำนวนเต็ม n > 4 เป็นจำนวนประกอบ ก็ต่อเมื่อ (n − 1) ! หารด้วย n ลงตัว
  • ถ้า n เป็นจำนวนเต็มบวกแล้ว จะมีจำนวนเฉพาะ p ที่ n < p < 2n (สัจพจน์ของเบอร์แทรนด์)
  • สำหรับจำนวนเฉพาะ p > 2 จะมีจำนวนธรรมชาติ n ที่ทำให้ p = 4n ± 1
  • สำหรับจำนวนเฉพาะ p > 3 จะมีจำนวนธรรมชาติ n ที่ทำให้ p = 6n ± 1

การประยุกต์[แก้]

จำนวนเฉพาะที่มีขนาดใหญ่มาก (ใหญ่กว่า 10100) นำไปใช้ประโยชน์ในขั้นตอนวิธีเข้ารหัสลับแบบกุญแจสาธารณะ นอกจากนี้ยังใช้ในตารางแฮช (hash tables) และเครื่องสุ่มเลขเทียม

ช่องว่างระหว่างจำนวนเฉพาะ[แก้]

ดูบทความหลักที่: ช่องว่างจำนวนเฉพาะ

ให้ pn คือจำนวนเฉพาะตัวที่ n (นั่นคือ p1 = 2, p2 = 3, ...) ช่องว่าง gn ระหว่างจำนวนเฉพาะ pn กับ pn + 1 คือผลต่างของจำนวนเฉพาะสองจำนวนดังกล่าว นั่นคือ

gn = pn + 1pn

เราจะได้ g1 = 3 − 2 = 1, g2 = 5 − 3 = 2, g3 = 7 − 5 = 2, และ g4 = 11 − 7 = 4 ลำดับ gn ของช่องว่างระหว่างจำนวนเฉพาะ เป็นลำดับที่มีการศึกษากันอย่างมาก

สำหรับจำนวนนับ N ใดๆ ที่มากกว่า 1

N! + 2, N! + 3, ..., N! + N

เป็นลำดับของจำนวนประกอบที่ติดกัน N − 1 ตัว ดังนั้น เราสามารถสร้างช่องว่างระหว่างจำนวนเฉพาะให้มีขนาดใหญ่เท่าใดก็ได้ นั่นคือ สำหรับจำนวน N ใดๆ จะมีจำนวนเต็ม n ซึ่ง gn > N (เลือก n ที่ทำให้ pn มีค่ามากที่สุด และน้อยกว่า N! + 2)

ช่องว่างระหว่างจำนวนเฉพาะใดๆ มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับจำนวนเฉพาะ ดังนั้น gn/pn จึงมีค่าเข้าใกล้ 0 เมื่อ n เข้าใกล้อนันต์ ข้อความคาดการณ์จำนวนเฉพาะคู่แฝดกล่าวว่า มี n ที่ทำให้ gn = 2 อยู่ไม่จำกัด

จำนวนเฉพาะที่มากที่สุดเท่าที่มีการค้นพบ[แก้]

จำนวนเฉพาะที่มากที่สุดเท่าที่มีการค้นพบ ธันวาคม พ.ศ. 2549 คือ 243112609 − 1 (ตัวเลขนี้มีความยาว 12,978,189 หลัก) มันเป็นจำนวนเฉพาะแมร์แซนตัวที่ 47 (M43112609) ถูกค้นพบเมื่อวันที่ 23 สิงหาคม พ.ศ. 2551 โดย GIMPS

อ้างอิง[แก้]

แหล่งข้อมูลอื่น[แก้]

คำนวณและสร้างจำนวนเฉพาะ[แก้]