ทวินไพรม์
จำนวน เฉพาะคู่แฝดคือจำนวนเฉพาะที่น้อยกว่าหรือมากกว่าจำนวนเฉพาะอื่นอยู่ 2 ตัวอย่างเช่น จำนวนเฉพาะคู่แฝด(17, 19)หรือ(41, 43)กล่าวอีกนัยหนึ่ง จำนวนเฉพาะคู่แฝดคือ จำนวนเฉพาะที่มีช่องว่างของจำนวนเฉพาะอยู่ 2 บางครั้งคำว่าจำนวนเฉพาะคู่แฝดถูกใช้สำหรับคู่ของจำนวนเฉพาะคู่แฝด ชื่ออื่นสำหรับสิ่งนี้คือคู่จำนวนเฉพาะหรือคู่จำนวนเฉพาะ[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
จำนวนเฉพาะคู่แฝดจะหายากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อพิจารณาช่วงที่กว้างขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับแนวโน้มทั่วไปของช่องว่างระหว่างจำนวนเฉพาะที่อยู่ติดกันที่จะใหญ่ขึ้นเมื่อตัวเลขนั้นมีขนาดใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดว่ามีจำนวนเฉพาะคู่แฝดอยู่เป็นอนันต์หรือไม่ (ที่เรียกว่าสมมติฐานจำนวนเฉพาะคู่แฝด ) หรือมีคู่ที่ใหญ่ที่สุดหรือไม่ งานวิจัยที่ก้าวล้ำ[ 4 ] ของYitang Zhangในปี 2013 รวมถึงงานของJames Maynard , Terence Taoและคนอื่นๆ ได้มีความก้าวหน้าอย่างมากในการพิสูจน์ว่ามีจำนวนเฉพาะคู่แฝดอยู่เป็นอนันต์ แต่ในปัจจุบันปัญหานี้ยังไม่ได้รับการแก้ไข[ 5 ]
คุณสมบัติ
โดยปกติแล้วคู่(2, 3)จะไม่ถือว่าเป็นคู่ของจำนวนเฉพาะแฝด[ 6 ] เนื่องจาก 2 เป็นจำนวนเฉพาะ คู่ เดียวคู่นี้จึงเป็นคู่ของจำนวนเฉพาะที่แตกต่างกันหนึ่ง ดังนั้นจำนวนเฉพาะแฝดจึงอยู่ใกล้กันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับจำนวนเฉพาะสองจำนวนอื่น ๆ
คู่จำนวนเฉพาะแฝดคู่แรกๆ ได้แก่
- (3, 5), (5, 7), (11, 13), (17, 19), (29, 31), (41, 43), (59, 61), (71 , 73), (101, 103), (107, 109), (137, 139), ... OEIS : A077800
5 เป็นจำนวนเฉพาะเพียงจำนวนเดียวที่อยู่ในสองคู่ เนื่องจากจำนวนเฉพาะคู่แฝดทุกคู่ที่มากกว่า(3, 5)จะอยู่ในรูปแบบสำหรับจำนวนธรรมชาติn บางจำนวน นั่นคือ จำนวนที่อยู่ระหว่างจำนวนเฉพาะสองจำนวนนั้นเป็นพหุคูณของ 6 [ 7 ] ด้วยเหตุนี้ ผลรวมของจำนวนเฉพาะคู่แฝดใดๆ (นอกเหนือจาก 3 และ 5) จึงหารด้วย 12 ลงตัว
ทฤษฎีบทของบรุน
ในปี พ.ศ. 2458 วิกโก บรุนแสดงให้เห็นว่าผลรวมของส่วนกลับของจำนวนเฉพาะแฝดนั้นลู่เข้า[ 8 ] ผลลัพธ์ อันโด่งดังนี้เรียกว่าทฤษฎีบทของบรุนซึ่งเป็นการใช้ตะแกรงของบรุน เป็นครั้งแรก และช่วยริเริ่มการพัฒนาทฤษฎีตะแกรง สมัยใหม่ เวอร์ชันสมัยใหม่ของข้อโต้แย้งของบรุนสามารถใช้เพื่อแสดงว่าจำนวนของจำนวนเฉพาะแฝดที่น้อยกว่าNไม่เกิน
สำหรับค่าคงที่สัมบูรณ์C > 0 บางค่า[ 9 ] ในความเป็นจริง มันถูกจำกัดไว้ด้านบนโดย ที่ไหนคือค่าคงที่ของจำนวนเฉพาะคู่แฝด (น้อยกว่า 2/3 เล็กน้อย) ที่ระบุไว้ด้านล่าง[ 10 ]
สมมติฐานจำนวนเฉพาะคู่
คำถามที่ว่ามีจำนวนเฉพาะคู่แฝดอยู่เป็นอนันต์หรือไม่นั้น เป็นหนึ่งในคำถามเปิดที่ สำคัญ ในทฤษฎีจำนวนมานานหลายปี นี่คือเนื้อหาของสมมติฐานจำนวนเฉพาะคู่แฝดซึ่งระบุว่ามีจำนวนเฉพาะp อยู่เป็นอนันต์ โดยที่p + 2ก็เป็นจำนวนเฉพาะเช่นกัน ในปี ค.ศ. 1849 เดอ โปลิญักได้ตั้งสมมติฐานทั่วไปว่า สำหรับจำนวนธรรมชาติk ทุกจำนวน จะมีจำนวนเฉพาะp อยู่เป็นอนันต์ โดยที่p + 2k ก็เป็นจำนวนเฉพาะเช่นกัน[ 11 ] กรณีk = 1ของสมมติฐานของเดอ โปลิญักคือสมมติฐานจำนวนเฉพาะคู่แฝด
ทฤษฎีบทฮาร์ดี-ลิตเติลวูด ซึ่งเป็นรูปแบบที่แข็งแกร่งกว่าของทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะคู่แฝดกำหนดกฎการกระจายสำหรับจำนวนเฉพาะคู่แฝดที่คล้ายกับทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะ
เมื่อวันที่ 17 เมษายน 2556 Yitang Zhangได้ประกาศการพิสูจน์ว่ามีจำนวนเต็มNที่น้อยกว่า 70 ล้าน ซึ่งมีคู่ของจำนวนเฉพาะที่แตกต่างกันด้วยN อยู่เป็น อนันต์[ 12 ]บทความของ Zhang ได้รับการยอมรับในช่วงต้นเดือนพฤษภาคม2556 [ 13 ] ต่อมา Terence Taoได้เสนอโครงการ Polymath Projectซึ่งเป็นความร่วมมือเพื่อปรับปรุงขอบเขตของ Zhang [ 14 ]
หนึ่งปีหลังจากที่ Zhang ประกาศ ขอบเขตดังกล่าวลดลงเหลือ 246 ซึ่งยังคงอยู่ที่ระดับนี้[ 15 ] ขอบเขตที่ได้รับการปรับปรุงเหล่านี้ถูกค้นพบโดยอิสระโดยJames Maynardและ Terence Tao โดยใช้วิธีการที่แตกต่างออกไปซึ่งง่ายกว่าของ Zhang วิธีการที่สองนี้ยังให้ขอบเขตสำหรับf ( m ) ที่เล็กที่สุด ที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าช่วงเวลาจำนวนอนันต์ที่มีความกว้างf ( m )มีจำนวนเฉพาะอย่างน้อยmตัว ยิ่งไปกว่านั้น (ดูส่วนถัดไปด้วย) เมื่อพิจารณาสมมติฐาน Elliott–Halberstamและรูปแบบทั่วไปของมัน วิกิของ Polymath Project ระบุว่าขอบเขตคือ 12 และ 6 ตามลำดับ[ 15 ]
ทฤษฎีบทอื่นๆ ที่อ่อนกว่าข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับจำนวนเฉพาะคู่แฝด
ในปี ค.ศ. 1940 พอล เออร์โดสแสดงให้เห็นว่ามี ค่า คงที่c < 1และมีจำนวนเฉพาะp ที่เป็นอนันต์ โดยที่p ′ − p < c ln pโดยที่p′แทนจำนวนเฉพาะถัดจากpนั่นหมายความว่าเราสามารถหาช่วงที่ประกอบด้วยจำนวนเฉพาะสองตัว( p , p ′) ได้เป็นอนันต์ ตราบ ใดที่เราปล่อยให้ช่วงเหล่านี้ขยายขนาดอย่างช้าๆ เมื่อเราเปลี่ยนไปใช้จำนวนเฉพาะที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ในที่นี้ "ขยายขนาดอย่างช้าๆ" หมายความว่าความยาวของช่วงเหล่านี้สามารถขยายขนาดแบบลอการิทึมได้ ผลลัพธ์นี้ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ในปี ค.ศ. 1986 เฮลมุต ไมเออร์ แสดงให้เห็นว่า สามารถใช้ค่าคงที่c < 0.25 ได้ ในปี ค.ศ. 2004 แดเนียล โกลด์สตันและเซม ยิลดิริมแสดงให้เห็นว่าค่าคงที่สามารถปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นไปได้เป็นc = 0.085786 ...ในปี พ.ศ. 2548 Goldston , PintzและYıldırımได้พิสูจน์ว่าcสามารถเลือกให้มีค่าเล็กมากได้ตามอำเภอใจ[ 16 ] [ 17 ] กล่าวคือ
ในทางกลับกัน ผลลัพธ์นี้ไม่ได้ตัดความเป็นไปได้ที่ว่าอาจมีช่วงเวลาจำนวนอนันต์ที่ประกอบด้วยจำนวนเฉพาะสองจำนวน หากเราอนุญาตให้ช่วงเวลาเหล่านั้นขยายขนาดได้เพียงเท่า นี้เช่นc ln ln p
โดยการใช้สมมติฐานของเอลเลียต-ฮัลเบอร์สแตมหรือสมมติฐานที่อ่อนกว่าเล็กน้อย พวกเขาสามารถแสดงให้เห็นว่ามีจำนวนnที่เป็นอนันต์ ซึ่งอย่างน้อยสองตัวในn , n + 2 , n + 6 , n + 8 , n + 12 , n + 18หรือn + 20เป็นจำนวนเฉพาะ ภายใต้สมมติฐานที่แข็งแกร่งกว่า พวกเขาแสดงให้เห็นว่าสำหรับจำนวนn ที่เป็นอนันต์ อย่างน้อยสองตัวในn , n + 2 , n + 4และn + 6เป็นจำนวนเฉพาะ
ผลงานของอี้ถังจาง
นับเป็นการปรับปรุงครั้งสำคัญจากผลลัพธ์ของ Goldston–Graham–Pintz–Yıldırım การปรับปรุงขอบเขตของ Zhang โดย Polymath Project และงานของ Maynard ได้ลดขอบเขตลง: ขีดจำกัดที่ต่ำกว่ามีค่าสูงสุดไม่เกิน 246 [ 18 ] [ 19 ]ซึ่งหมายความว่ามีเซตของจำนวนเฉพาะอนันต์ที่จำนวนเฉพาะถัดไปมีค่ามากกว่าไม่เกิน 246 การปรับปรุงขอบเขตให้เป็น 2 จะเป็นการพิสูจน์สมมติฐานจำนวนเฉพาะคู่แฝด
ข้อสันนิษฐาน
ข้อสันนิษฐานแรกของฮาร์ดี้-ลิตเติลวูด
ข้อสันนิฐานฮาร์ดี-ลิตเติลวูดข้อ แรก (ตั้งชื่อตาม จี.เอช. ฮาร์ดีและจอห์น ลิตเติลวูด ) เป็นการขยายความของข้อสันนิฐานจำนวนเฉพาะคู่แฝด โดยเกี่ยวข้องกับการกระจายตัวของกลุ่มจำนวนเฉพาะรวมถึงจำนวนเฉพาะคู่แฝด ในทำนองเดียวกับทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะให้ระบุจำนวนของจำนวนเฉพาะ p ≤ xที่ p + 2ก็เป็นจำนวนเฉพาะเช่นกัน กำหนดค่าคงที่ของจำนวนเฉพาะคู่C เป็น [ 20 ] (ในที่นี้ ผลคูณครอบคลุมจำนวนเฉพาะp ≥ 3 ทั้งหมด ) จากนั้น กรณีพิเศษของการคาดการณ์ข้อแรกของ Hardy–Littlewood คือ ในแง่ที่ว่าผลหารของนิพจน์ทั้งสองมีแนวโน้มเข้าใกล้ 1 เมื่อxเข้าใกล้อนันต์[ 9 ] (เครื่องหมาย ~ ตัวที่สองไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของสมมติฐานและได้รับการพิสูจน์โดยการอินทิเกรตโดยส่วน )
ข้อสันนิษฐานนี้สามารถหาเหตุผลมาสนับสนุนได้ (แต่ยังพิสูจน์ไม่ได้) โดยการสมมติว่าอธิบายถึงฟังก์ชันความหนาแน่นของการแจกแจงจำนวนเฉพาะ สมมติฐานนี้ ซึ่งเสนอแนะโดยทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะ บ่งบอกถึงข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับจำนวนเฉพาะคู่แฝด ดังแสดงในสูตรสำหรับด้านบน
ข้อสันนิษฐานทั่วไปข้อแรกของ Hardy–Littlewood เกี่ยวกับk -tuple ที่เป็นจำนวนเฉพาะ (ไม่ได้แสดงไว้ที่นี่) บ่งชี้ว่า ข้อสันนิษฐานข้อ ที่สองของ Hardy–Littlewoodเป็นเท็จ
ข้อสันนิษฐานนี้ได้รับการขยายความโดยข้อสันนิษฐานของดิกสัน
ข้อสันนิษฐานของโปลิญัก
ข้อสันนิษฐานของ Polignacจากปี 1849 ระบุว่า สำหรับจำนวนเต็มคู่บวกk ทุกจำนวน จะมีคู่จำนวนเฉพาะpและp′ ที่อยู่ติดกันเป็นอนันต์ โดยที่p ′ − p = k (กล่าวคือ มีช่องว่าง จำนวนเฉพาะ ขนาดkเป็นอนันต์) กรณีk = 2คือข้อสันนิษฐานจำนวนเฉพาะคู่แฝดข้อสันนิษฐานนี้ยังไม่ได้รับการพิสูจน์หรือหักล้างสำหรับค่าk ใดๆ โดยเฉพาะ แต่ผลลัพธ์ของ Zhang พิสูจน์ว่ามันเป็นจริงสำหรับค่า kอย่างน้อยหนึ่งค่า (ซึ่งยังไม่ทราบในปัจจุบัน) อันที่จริง หาก ไม่มี k ดังกล่าว อยู่จริง สำหรับจำนวนธรรมชาติคู่บวกN ใดๆ จะมี nอย่างมากที่สุดเพียงจำนวนจำกัดเท่านั้นที่ทำให้สำหรับทุกm < Nและดังนั้นสำหรับnที่มากพอ เราจะมีซึ่งจะขัดแย้งกับผลลัพธ์ของจาง[ 11 ]
จำนวนเฉพาะแฝดขนาดใหญ่
นับตั้งแต่ปี 2007 โครงการประมวลผลแบบกระจายศูนย์ สองโครงการ ได้แก่ Twin Prime SearchและPrimeGridได้สร้างจำนวนเฉพาะคู่ที่ใหญ่ที่สุดเป็นประวัติการณ์หลายรายการณ เดือนมกราคม2025 คู่จำนวนเฉพาะแฝดที่ใหญ่ที่สุดที่รู้จักในปัจจุบันคือ2996863034895 × 2 1290000 ± 1 [ 21 ]โดยมีตัวเลขทศนิยม 388,342 หลัก ค้นพบในเดือนกันยายน พ.ศ. 2559 [ 22 ]
มี คู่จำนวนเฉพาะแฝดที่ต่ำกว่า10 จำนวน 808,675,888,577,436 คู่18 . [ 23 ] [ 24 ]
การวิเคราะห์เชิงประจักษ์ของคู่จำนวนเฉพาะทั้งหมดจนถึง 4.35 × 10สมการ ที่ 15แสดงให้เห็นว่า ถ้าจำนวนคู่ดังกล่าวที่น้อยกว่า xคือ f ( x ) · x /(log x ) ²แล้ว f ( x )จะมีค่าประมาณ 1.7 สำหรับ x ที่มีค่าน้อย และจะลดลงไปอยู่ที่ประมาณ 1.3 เมื่อ xมีค่าเข้าสู่อินฟินิตี้ ค่าลิมิตของ f ( x )คาดว่าจะเท่ากับสองเท่าของค่าคงที่ของจำนวนเฉพาะคู่แฝด ( OEIS : A114907 ) (ไม่ควรสับสนกับค่าคงที่ของ Brun ) ตามสมมติฐานของ Hardy–Littlewood
คุณสมบัติพื้นฐานอื่นๆ
จำนวน คี่ที่สามทุกจำนวนจะหารด้วย 3 ลงตัว ดังนั้น จำนวนคี่สามจำนวนที่เรียงติดกันจึงไม่สามารถเป็นจำนวนเฉพาะได้ เว้นแต่ว่าหนึ่งในนั้นจะเป็น 3 ด้วยเหตุนี้ 5 จึงเป็นจำนวนเฉพาะเพียงจำนวนเดียวที่เป็นส่วนหนึ่งของคู่จำนวนเฉพาะแฝดสองคู่ โดยจำนวนเฉพาะที่มีค่าน้อยกว่าในคู่ดังกล่าว จะเป็นจำนวนเฉพาะของเฉิน ตาม นิยาม
ถ้าm − 4 หรือm + 6 เป็นจำนวนเฉพาะด้วยแล้ว จำนวนเฉพาะทั้งสามจำนวนนี้จะเรียกว่า กลุ่มจำนวนเฉพาะ (prime triplet )
ได้รับการพิสูจน์แล้ว[ 25 ]ว่าคู่ ( m , m + 2) เป็นจำนวนเฉพาะแฝดก็ต่อเมื่อ
สำหรับคู่จำนวนเฉพาะแฝดในรูปแบบ (6n − 1, 6n + 1) สำหรับจำนวนธรรมชาติn > 1 ใดๆ nจะต้องลงท้ายด้วยเลข 0, 2, 3, 5, 7 หรือ 8 ( OEIS : A002822 ) ถ้าnลงท้ายด้วย 1 หรือ 6 6nจะลงท้ายด้วย 6 และ 6n − 1 จะเป็นพหุคูณของ 5 ซึ่งจะไม่ใช่จำนวนเฉพาะเว้นแต่n = 1 ในทำนองเดียวกัน ถ้าnลงท้ายด้วย 4 หรือ 9 6nจะลงท้ายด้วย 4 และ6n + 1 จะเป็นพหุคูณของ 5 กฎเดียวกันนี้ใช้ได้กับจำนวนเฉพาะp ≥ 5 ใดๆ ด้วย: ถ้าn ≡ ±6 − 1 (mod p ) แล้วจำนวนหนึ่งในคู่จะหารด้วยp ลงตัว และจะไม่ใช่คู่จำนวนเฉพาะแฝดเว้นแต่6n = p ± 1 ค่า p = 5 บังเอิญสร้างรูปแบบที่เรียบง่ายเป็นพิเศษในระบบฐาน 10
ไพรม์เดี่ยวที่แยกเดี่ยว
จำนวนเฉพาะโดดเดี่ยว (หรือที่เรียกว่าจำนวนเฉพาะเดี่ยวหรือจำนวนเฉพาะที่ไม่ใช่คู่แฝด ) คือจำนวนเฉพาะpที่ทั้งp − 2 และp + 2 ไม่ใช่จำนวนเฉพาะ กล่าวอีกนัยหนึ่งpไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของคู่จำนวนเฉพาะแฝด ตัวอย่างเช่น 23 เป็นจำนวนเฉพาะโดดเดี่ยว เนื่องจาก 21 และ 25 เป็นจำนวนประกอบ ทั้ง คู่
จำนวนเฉพาะโดดเดี่ยวกลุ่มแรกๆ ได้แก่
จากทฤษฎีบทของบรุน สรุปได้ ว่า จำนวนเฉพาะ เกือบทั้งหมดเป็นจำนวนเฉพาะโดดเดี่ยว ในแง่ที่ว่าอัตราส่วนของจำนวนจำนวนเฉพาะโดดเดี่ยวที่น้อยกว่าค่าเกณฑ์n ที่กำหนด กับจำนวนจำนวนเฉพาะทั้งหมดที่น้อยกว่าnจะมีแนวโน้มเข้าใกล้ 1 เมื่อnมีแนวโน้มเข้าสู่ค่าอนันต์
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
- Sloane, Neil ; Plouffe, Simon (1995). สารานุกรมลำดับจำนวนเต็ม . ซานดิเอโก, แคลิฟอร์เนีย: Academic Press. ISBN 0-12-558630-2.
ลิงก์ภายนอก
- "ฝาแฝด" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press , 2001 [1994]
- 20 อันดับคู่ไพรม์ยอดนิยม จาก Prime Pagesของ Chris Caldwell
- Xavier Gourdon, Pascal Sebah: บทนำเกี่ยวกับจำนวนเฉพาะคู่และค่าคงที่ของ Brun
- "ข่าวประชาสัมพันธ์อย่างเป็นทางการ"เกี่ยวกับสถิติจำนวนเฉพาะคู่ 58711 หลัก
- ไวส์สไตน์, เอริค ดับเบิลยู. "จำนวนเฉพาะคู่แฝด" . แมธเวิลด์ .
- จำนวนเฉพาะแฝด 20,000 ตัวแรก
- ผู้รอบรู้: ช่องว่างที่จำกัดระหว่างจำนวนเฉพาะ
- ความคืบหน้าอย่างฉับพลันในการแก้ปัญหาจำนวนเฉพาะ ทำให้นักคณิตศาสตร์ตื่นเต้นกันยกใหญ่