Beweise zur Unendlichkeit von Primzahlen HAUPTSEMINAR: EINE EINLADUNG IN DIE MATHEMATIK L E I T U N G : P R O F. D R . LU K A C O VA REFERENTIN: SELINA KLEIN D AT U M : 0 2 . 1 1 . 2 0 1 5 Überblick Einleitung Beweis nach Euklid Spezielle Primzahlen Beweis mittels Fermat-Zahlen Beweis mittels Mersenne-Zahlen Beweis nach Euler Fazit und Ausblick Einleitung - Primzahlen Definition (Primzahlen): Eine Zahl p > 1 ∈ ℕ heißt Primzahl, wenn sie genau zwei [natürliche/ echte/ ganzzahlige] Teiler besitzt hat, nämlich 1 und sich selbst. (Bartholomé, A. [u.a.], Wiesbaden 72010, S.81) Fundamentalsatz der Arithmetik: Jeden natürliche Zahl größer 1 lässt sich auf eindeutige Weise [bis auf Reihenfolge] als Produkt von Primzahlen schreiben. (Ribenboim, Paulo, Berlin [u.a.] 22011, S.2) Einleitung - Primzahlen • Verfahren zur Bestimmung von Primzahlen: Sieb des Erathostenes …? • Überprüfung, ob Zahl n prim ist: Teiler suchen (zeitaufwändig bei großem n) Kleiner Satz von Fermat (𝑎𝑝 ≡ 𝑎 𝑚𝑜𝑑 𝑝, 𝑝 𝑝𝑟𝑖𝑚) Lucas-Test Pépin-Test Fermat-Test Miller-Rabin-Test … Beweis nach Euklid Ann: Sei ℙ = 𝑝1 , 𝑝2 , … , 𝑝𝑙 eine beliebig endliche Menge von Primzahlen. .𝑝 .… .𝑝 Betrachte n = 𝑝1 2 𝑙 +1 Sei p Primteiler von n 𝑝 ∉ ℙ = 𝑝1 , … 𝑝𝑙 Euklid von Alexandria 3. Jhdt. v. Chr. ℙ = 𝑝1 , … 𝑝𝑙 ist nicht die Menge aller Primzahlen Es existieren unendlich viele Primzahlen # Beweis nach Kummer – elegante Variante von Euklids Beweis „Dieser Beweis eines bedeutenden Mathematikers gleicht einer Perle: Er ist rund, glanzvoll und schön in seiner Einfachheit.“ Ernst Eduard Kummer 1810 - 1893 Ann.: Es gibt nur endlich viele Primzahlen p1 <p2 < … < pr Sei N > 2, sodass N = p1p2.….pr und N – 1 als natürliche Zahl ein Produkt von Primzahlen. pi gemeinsamer Teiler von N und N - 1 pi | N - (N - 1) =1 pi ∉ p1 <p2 < … < pr Es existieren unendlich viele Primzahlen # Spezielle Primzahlen: 1. Fermat-Zahlen: Eine Primzahl der Form p = 2n + 1 (n ∈ ℕ) heißt Fermat´sche Primzahl. Für 2n + 1 eine Primzahl ⇒ n = 2m mit m ∈ ℕ Umkehrung gilt i.A. nicht! Betracht dazu: m=0: 0 2 2 +1 = 21 +1 = 3 Pierre de Fermat 1607-1665 (Kupferstich von François de Poilly dem Älteren) 3 ist Primzahl (Kramer, Jürg, Wiesbaden 2008, S.27) Spezielle Primzahlen: Aufgabe: Für 2n + 1 eine Primzahl ⇒ n = 2m mit m∈ℕ zzg: Umkehrung gilt i.A. nicht! Betracht dazu: 0 2 m=0: 2 +1 = 21 +1 = 3 Berechne 2𝑚 2 für m = 1,2,3,4 3 ist Primzahl Spezielle Primzahlen: Für 2n + 1 eine Primzahl ⇒ n = 2m mit m ∈ ℕ zzg: Umkehrung gilt i.A. nicht! Betracht dazu: m=0: m=1: m=2: m=3: m=4: 20 2 +1 1 22 +1 22 2 +1 3 2 2 +1 4 2 2 +1 = = = = = 21 +1 22 +1 24 +1 28 +1 21 +1 = = = = = 3 5 17 257 65 537 3 ist Primzahl 5 ist Primzahl 17 ist Primzahl 257 ist Primzahl 65 537 ist Primzahl Spezielle Primzahlen: Für 2n + 1 eine Primzahl ⇒ n = 2m mit m ∈ ℕ zzg: Umkehrung gilt i.A. nicht! (Ribenboim, Paulo, Berlin [u.a.] 22011, S.71) Betracht dazu: m=0: 0 2 2 … ABER! m=5: +1 = 21 +1 = 3 3 ist Primzahl 5 22 +1 = 4 294 967 297 = 641 . 6700417 Fermat glaubt, dass alle Fermat-Zahlen prim sind und versuchte auch deren Primalität zu beweisen Euler konnte aber diesen Teiler ermitteln! Vollständig faktorisierte Fermat-Zahlen F 5 = 641 × 6700417 F 6 = 274177 × 67280421310721 F 7 = 59649589127497217 × 5704689200685129054721 F 8 = 1238926361552897 × P62 von Euler (1732) Faktor 1 von Clausen (unver, 1855), Landry und Le Lasseur (1880) Morrison und Brillhart (1970) Faktor 1 von Brent und Pollard (1980) F 9 = 2424833 × 7455602825647884208337395736200454918783366342657 Faktor 1 Western (1903), × P99 andere Faktoren Lenstra und Manasse (1990) F 10 = 45592577 × 6487031809 Faktor 1 Selfridge (1953), Faktor 2 Brillhart (1962), × 4659775785220018543264560743076778192897 × P252 andere Faktoren Brent (1995) F 11 = 319489 × 974849 × 167988556341760475137 × 3560841906445833920513 × P564 (Ribenboim, Paulo, Berlin [u.a.] 22011, S.73) Faktoren 1 und 2 Cunningham (1899), andere Faktoren Brent (1988), Primalität von Faktor 5 Morain (1988) (Pn bezeichnet eine n-stellige Primzahl) Unvollständig faktorisierte Fermat-Zahlen F 12 = 114689 × 26017793 × 63766529 × 190274191361 × 1256132134125569 × 568630647535356955169033410940867804839360742060818433 × C 1133 F 13 = 2710954639361 × 2663848877152141313 × 3603109844542291969 × 319546020820551643220672513 × C 2391 F 14 = 116928085873074369829035993834596371340386703423373313 × C 4880 F 15 = 1214251009 × 2327042503868417 ×168768817029516972383024127016961 × C 9808 F16 = 825753601 × 188981757975021318420037633 × C 19694 F17 = 31065037602817 × C 39444 F18 = 13631489 × 81274690703860512587777 × C 78884 F19 = 70525124609 × 646730219521 × 37590055514133754286524446080499713 × C 157770 F21 = 4485296422913 × C 631294 F22 = 64658705994591851009055774868504577 × C 1262577 F23 = 167772161 × C 2525215 (Ribenboim, Paulo, Berlin [u.a.] 22011, S.74) Cn bezeichnet eine n-stellige zerlegbare Zahl) Fermat-Zahlen - Interessantes •Zerlegbare Fermat-Zahlen ohne bekannten Faktor F 20 : Buell und Young (1987) F 24 : Mayer, Papadopoulos und Crandall (1999) (Ribenboim, Paulo, Berlin [u.a.] 22011, S.74) • C. F. Gauß zeigte, dass ein regelmäßiges p-Eck (p ∈ ℙ) genau dann mit Zirkel und Lineal konstruierbar ist, wenn p eine Fermat´sche Primzahl ist, d. h. eine Primzahl von der Form p = 2𝑚 + 1 (m ∈ ℕ) ist. (Kramer, Jürg, Wiesbaden 2008, S.27) Spezielle Primzahlen: 2. Mersenne-Zahlen: Eine Primzahl der Form Mp = 2p −1 (p ∈ ℕ ) heißt Mersenne´sche Primzahl. Martin Mersenne 1588 - 1648 Für 2p − 1 eine Primzahl ⇒ p ist Primzahl (Kramer, Jürg, Wiesbaden 2008, S.27) Umkehrung gilt i.A. nicht! Gegenbsp: p = 11: 211 -1 = 2047 = 23 * 89 Nicht jede Zahl der Form 2p -1 ist prim! Spezielle Primzahlen: 2. Mersenne-Zahlen (2p −1): p 2p −1 Entdecker 2,3,5,7 3, 7, 33, 127 - 13 8191 Unbekannt (1461) 17 131.071 Cataldi (1588) 19 524.287 Cataldi (1588) 31 2.147.483.647 Euler (1750) … … … 30.402.457 (9.152.052 Dezimalstellen) Cooper/Boone/u.a. (2005) 32.582.657 (9.808.358 Dezimalstellen) Cooper/Boone/u.a. (2006) … … … [57.885.161 (17425170 Deziamalstellen) Cooper, u. a. (2013)] Spezielle Primzahlen – Exkurs: Eine natürliche Zahl n heißt vollkommen, falls die Summe ihrer Teiler 2n ergibt, d. h. falls 𝑑|𝑛 𝑑 = 2𝑛 gilt. Im 1. Jahrhundert veröffentlichte der griechische Mathematiker Nikomachos die ersten vier vollkommenen Zahlen: 6, 28, 496 und 8128. Das Mysterium der vollkommenen Zahlen zog viele Mathematiker in seinen Bann, u. a. Euklid, Mersenne und Euler. Alle vollkommenen Zahlen, die man bisher fand, sind gerade. Bis heute weiß man nicht, ob es ungerade-vollkommene Zahlen gibt. (Kramer, Jürg, Wiesbaden 2008, S. 28) Beweis mittels Fermat-Zahlen - aus einem Brief von Christian Goldbach an Leonhard Euler 1730 CHRISTIAN GOLDBACH LEONHARD EULER 1690 - 1764 1707 - 1783 2𝑛 Beweis mittels Fermat-Zahlen (2 + 1) Idee: Je zwei Fermat-Zahlen sind relativ prim zueinander. 𝑛−1 Rekursion: F0 = 3 F1 = 5 F2 = 17 F3 = 257 F4 = 65537 F5 = 641 . 6700417 𝐹𝑘 = 𝐹𝑛 − 2 𝑘=0 Definition (Teilerfremd, relativ prim): Gilt für zwei Zahlen a und b, mit a,b ≠ 0; ggT(a,b) = 1, so sind a und b teilerfremd; man sagt auch: relativ prim (Bossert, M., München 32013, S. 33) 2𝑛 Beweis mittels Fermat-Zahlen (2 F0 = 3 F1 = 5 F2 = 17 F3 = 257 F4 = 65537 F5 = 641 . 6700417 + 1) zzg: Je zwei Fermat-Zahlen Fk und Fn sind relativ prim zueinander. Ann.: Sei m| Fk und m|Fn 𝑛−1 𝐹𝑘 = 𝐹𝑛 − 2 → m|2 m=1 (k < n, m ∈ ℕ) oder m = 2 𝑘=0 Unmöglich, da Fermat-Zahlen alle ungerade → Fk und Fn sind teilerfremd, d.h. relativ prim zueinander 2𝑛 Beweis mittels Fermat-Zahlen (2 + 1) - Verifizierung der Rekursion mittels vollständiger Induktion über n: 𝑛−1 𝐹𝑘 = 𝐹𝑛 − 2 Induktionsanfang : 𝑘=0 F0 = 3 F1 = 5 n=1: F1 - 2 = 5 – 2 = 3 = F0 . . . Induktionsschritt: 𝑛 𝑛−1 𝐹𝑘 = 𝑘=0 𝐹𝑘 𝐹𝑛 = 𝐹𝑛 − 2 𝐹𝑛 = 𝑘=0 = 𝑛+1 2 2 −1 𝑛 2 2 −1 = 𝐹𝑛+1 − 2 𝑛 2 2 +1 2𝑛 Beweis mittels Fermat-Zahlen (2 + 1) Je zwei Fermat-Zahlen sind relativ prim zueinander Verifizierung der Rekursion Existenz unendlich vieler Fermat-Zahlen Existenz unendlich vieler Primzahlen # Beweis mittels Mersenne-Zahlen (2𝑝 − 1) Ann.: ℙ ist endlich und p ∈ ℙ die größte Primzahl. Es existiert ein Primteiler q von 2𝑝 − 1 2𝑝 ≡ 1 𝑚𝑜𝑑 𝑞 Definition (Ordnung): Es seien (G, ◦) eine Gruppe mit neutralem Element e und g ∈ G. Die kleinste, von Null verschiedene natürliche Zahl n mit gn = e heißt die Ordnung von g und wird mit ordG(g) bezeichnet. Gibt es kein solches n ∈ ℕ, so definiert man die Ordnung von g als unendlich, d. h. ordG(g) := ∞. (Kramer, Jürg, Wiesbaden 2008, S.56) 𝑝 Beweis mittels Mersenne-Zahlen (2 − 1) Ann.: ℙ ist endlich und p ∈ ℙ die größte Primzahl. Es existiert ein Primteiler q von 2𝑝 − 1 Da p prim ord(2) = p Bemerke: ord(𝑍𝑞 \{0}) = q-1 in der mulipl. Gruppe 𝑍𝑞 \{0} des Körpers 𝑍𝑞 . 𝑝 Beweis mittels Mersenne-Zahlen (2 − 1) Ann.: 𝑃 ist endlich und p ∈ 𝑃 die größte Primzahl q Primteiler von 2𝑝 − 1 2𝑝 ≡ 1 𝑚𝑜𝑑 𝑞 ord(2) = p ord(𝑍𝑞 \{0}) = q-1 Nach Satz von Lagrange: ord(2) | ord(𝑍𝑞 \{0}) p | q-1 p < q Widerspruch zur Annahme! p ist nicht die größte Primzahl, sodass ℙ unendlich ist! # Beweis nach Euler - mit elementarer Analysis Sei 𝜋 𝑥 ≔ # 𝑝 ≤ 𝑥 𝑝 ∈ 𝑃), 𝑥 ∈ ℝ ℙ ≔ {𝑝1 , 𝑝2 , 𝑝3 … } 𝑥 ln(x) = 1 1 𝑑𝑥 𝑡 Leonhard Euler 1707 - 1783 Beweis nach Euler Leonhard Euler Für n ≤ 𝑥 < 𝑛 + 1: 1 2 1 3 ln(x) ≤ 1 + + + ⋯ + ≤ ´ 1 𝑚 1707 - 1783 1 𝑛−1 + 1 𝑛 , 𝑚 ∈ ℕ, wobei m nur Primfaktoren p ≤ x enthält Beweis nach Euler 1 2 ln(x) ≤ 1 + + ≤ = ´ 1 + 3 ⋯+ 1 1 + 𝑛−1 𝑛 Leonhard Euler 1707 - 1783 1 𝑚 ( 𝑝 ∈ ℙ 𝑘 ≥0 𝑝 ≤𝑥 𝑝 𝑘𝑝 𝑚= 𝑝∈ℙ 𝑝≤𝑥 1 ) 𝑘 𝑝 1 ≤ 𝑝∈ℙ 𝑝≤𝑥 1− 1 𝑝 Beweis nach Euler 1 ln(x) ≤ 𝑝∈ℙ 𝑝≤𝑥 = 𝑝∈ℙ 𝑝≤𝑥 𝜋 𝑥 ≤ 𝑘=1 Leonhard Euler 1 1− 𝑝 1707 - 1783 𝜋(𝑥) 𝑝 𝑝−1 = 𝑘+1 𝑘 = 𝜋 𝑥 +1 𝑘=1 𝑝𝑘 𝑝𝑘 − 1 Beweis nach Euler Leonhard Euler ln(x) ≤ 𝜋 𝑥 + 1 1707 - 1783 ln(x) ist unbeschränkt 𝜋 𝑥 ≔ # 𝑝 ≤ 𝑥 𝑝 ∈ 𝑃), 𝑥 ∈ ℝ ist nicht beschränkt Es existieren unendlich viele Primzahlen! # Fazit und Ausblick • Unterschiedlichste Ansätze, die Unendlichkeit der Primzahlen zu beweisen Euklids Beweis als Bereicherung des math. Grundrepertoires alle mathematischen Bereiche: - Zahlentheorie - Analysis - Topologie -… Fazit und Ausblick Primzahlen, Fermat-Zahlen und die Mersenne-Zahlen sind in den vergangenen Jahrhunderten und auch zukünftig Gegenstand des Interesses. offene Fragen: 1. Gibt es unendlich viele Fermat-Zahlen, die Prim bzw. zerlegbar sind? 2. Ist jede Fermat-Zahl quadratfrei (d.h., ohne quadratischen Faktor)? 3. Gibt es unendlich viele Mersenne-Zahlen? 4. Existieren ungerade vollkommene Zahlen? … Fazit und Ausblick • Generierung von Primzahlen: 1. Aus Euklids Beweis für die Unendlichkeit von Primzahlen: Ann: Sei ℙ = 𝑝1 , 𝑝2 , … , 𝑝𝑙 eine beliebig endliche Menge von Primzahlen. Betrachte n = 𝑝1 . 𝑝2 . … . 𝑝𝑙 +1 Sei p Primteiler von n 𝑝 ∉ ℙ = 𝑝1 , … 𝑝𝑙 oder p = n Berechnung neues p ℙ = 𝑝1 , … 𝑝𝑙 ist nicht die Menge aller Primzahlen Es existieren unendlich viele Primzahlen Fazit und Ausblick Generierung von Primzahlen: 2. Modifizierung von Euklids Beweis zur Form 4k +1 (bzw. 4k – 1) 3. Satz von Dirichlet: Seien a,b ∈ ℕ teilerfremd. Dann gibt es unendlich viele Primzahlen der Form ak + b, k ∈ ℕ. Beweis in Frey, G.: Elementare Zahlentheorie, Vieweg Verlag 1984, S.110. (Müller-Stach, S./ Piontkowski, J., Wiesbaden 22011, S.2) Literaturquellen: • Aigner, Martin/ Ziegler, Günter: Das BUCH der Beweise. Berlin [u.a.] 42015. • Bartholomé, A. [u.a.]: Zahlentheorie für Einsteiger. Wiesbaden 72010. • Bossert, Martin: Kanalcodierung, München 32013. • Kramer, Jürg: Zahlen für Einsteiger. Elemente der Algebra und Aufbau der Zahlbereiche. Wiesbaden 2008. • Ribenboim, Paulo: Die Welt der Primzahlen. Geheimnisse und Rekorde. Berlin [u.a.] 22011. • http://www.mathematik.ch/mathematiker/mersenne.php Bildquellen: • http://www.antike-griechische.de/Euklid.html • http://hsm.stackexchange.com/questions/534/question-related-to-the-legitimacy-of-a-certain-portrait-of-christiangoldbach • http://www.mathematik.ch/mathematiker/euler.php • http://exbook.de/wp-content/uploads/2008/03/ln_funktion.png • http://www.uni-graz.at/imawww/thaller/lehre/hm/hm1/hm1454x.png VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT