Этюды для программистов

15. Проще простого, или Поиск узоров из простых чисел

Всякий, кто изучает простые числа, бывает очарован ими и одновременно ощущает собственное бессилие. Определение простых чисел так просто и очевидно; найти очередное простое число так легко; разложение на простые сомножители — такое естественное действие. Почему же тогда простые числа столь упорно сопротивляются нашим попыткам постичь порядок и закономерности их расположения? Может быть, в них вообще нет порядка, или же мы так слепы, что не видим его?

Какой-то порядок в простых числах, несомненно, есть. Простые числа можно отсеять от составных решетом Эратосфена. Начнем с того, что 2 — простое число. Теперь выбросим все большие четные числа (делящиеся на 2). Первое из уцелевших за двойкой чисел, 3, также должно быть простым. Удалим все его кратные; останется 5. После удаления кратных пяти останется 7. Будем продолжать в том же духе; все числа, прошедшие через решето, будут простыми. Эта регулярная, хотя и медленная процедура находит все простые числа. Мы знаем, кроме того, что при n, стремящемся к бесконечности, отношение количества простых чисел к составным среди первых целых чисел приближается к ln n/n[21]. К сожалению, этот предел чисто статистический и не помогает при нахождении простых чисел.

Оказывается, что все известные методы построения таблицы простых чисел — не что иное, как вариации унылого метода решета. Эйлер придумал формулу x² + x + 41; для всех x от нуля до 39 эта формула дает простые числа. Однако никакая полиномиальная формула не может давать подряд бесконечный ряд простых чисел, и функция Эйлера терпит фиаско при х = 40. Другие известные функции дают длинные ряды простых чисел, но ни одна не дает сплошь простые. Исследователи проанализировали множество целочисленных функций, однако до сих пор не удалось увидеть закономерность.

Рисунок 15.1. Числа расположены по спирали против часовой стрелки.

Закономерности проявляются, когда целые числа отображаются на плоскость (или в пространство). Одно из возможных отображений показано на рис. 15.1, где числа располагаются вокруг начальной точки по спирали против часовой стрелки. На рис. 15.2 целые числа заполняют треугольник положительного квадранта. Если достаточно далеко расширить рамки этих рисунков, то станет видно, что простые числа располагаются преимущественно вдоль отдельных прямых (в основном по диагоналям) и совершенно игнорируют другие прямые. Частично этот эффект легко объясним. В обоих расположениях целые числа, попадающие на любую диагональ, даются некоторым квадратичным многочленом. Если многочлен, соответствующий какой-либо прямой, разлагается на рациональные линейные множители, то эта прямая будет содержать одни составные числа. Таким образом, простым числам волей-неволей пришлось облюбовать неприводимые прямые. Однако некоторые неприводимые многочлены изобилуют простыми числами, и изобилие это не оскудевает, несмотря на то что плотность простых чисел среди всех целых медленно стремится к нулю. Иными словами, хотя разложение многочленов объясняет в некоторой степени скученность простых чисел, все же существуют многочлены, более богатые простыми числами, чем предсказывает обычный статистический анализ.

Рисунок 15.2. Числа в треугольнике.

Тема. Напишите программу, которая отображает целые числа на плоскость некоторым регулярным образом и отмечает на рисунке места, где находятся простые числа. Выведите формулы, описывающие прямые линии на вашем рисунке, и напечатайте те из них, которые особенно изобилуют простыми числами; печатайте также долю простых чисел на этих прямых. Обеспечьте высокую эффективность ваших программ проверки целых чисел на простоту, так чтобы вам хватило времени для анализа весьма отдаленных отрезков натурального ряда.

Инструментовка. Для решения этой задачи больше всего подходит алгебраический язык. У вас должна быть возможность управлять эффективностью проверки на простоту.

Длительность исполнения. Одному исполнителю на 2 недели.

Гарднер (Gardner M). Mathematical Games. Scientific American, pp. 120-126, March 1964. [Имеется перевод: Гарднер М. Математические досуги. — М.: Мир, 1972, с. 410.]

Гаусс (Gauss С. F.). Disquisitiones Arithmeticae. Yale University Press, New Haven, CT, 1965.

По теории чисел написаны сотни книг. Но, как это ни странно, одна из первых книг по-прежнему остается одной из лучших. Помимо прочих достоинств она вышла в дешевом издании. Так почему бы не посоветоваться с классиком?

Штейн, Улам, Уэллс (Stein M. L, Ulam S. M., Wells M. В.). A Visual Display of Some Properties of the Distribution of Primes, American Mathematical Monthly, pp. 516–520, May 1964.

Гарднер излагает результаты Штейна, Улама и Уэллса более популярно, тем не менее обе работы легки для чтения. На эту тему почти ничего больше не написано, так что это, вероятно, увлечение Улама. Идея получать с помощью простых чисел красивые картинки позволяет убить лишнее машинное время, и, не исключено, что в этом все же что-то есть.