“数学王冠上的明珠”

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  摘 要:文章编制了五位数内的“全因维数表”,解决了十位数内的分解质因数问题,并且以“全因维数表”的系统理论破解了“哥德巴赫猜想”“1+1”的难度证明,同时以颠覆性创新理论一举破解了“1+2”“1+3”“2+2”“2+3”...“a+b”(a≥1,b≥1)的难度证明等问题。
  关键词:“1+1”的难度;维数密率;数对递加;连孪质数;孪生高因二维数
  一、引言
  目前人们对质数的认识只停留在概念上,也就是人们只认识什么叫做质数,而对于任意给出一个非“5”尾的奇数(如2×3×5×7×11×13×17×19×23×29+1=6469693231),这个数是质数还是合数,如果是合数,质因数又有哪些,人们就很难得出答案了。这是本文要解决的主要问题。
  小学五年级数学下册在“你知道吗?”一栏目中举例说明“分解质因数” (如4=2×2、15=3×5、30=2×3×5),
  这些数非常简单,一看就知道质因数是什么,不需要费脑去寻求,这就说明仅仅是一种概念的认识。然而对于一些较大的数就无从着手了。例如,《高中数学选修2—2》(2005年版)第111页习题B组第一题:
  “观察
  2×3+1=7
  2×3×5+1=31
  2×3×5×7+1=211
  2×3×5×7×11+1=2311
  2×3×5×7×11×13+1=30031
  2×3×5×7×11×13×17+1=510511
  ……
  由此可以发现什么规律,利用这个规律,用反证法证明‘质数的个数’是无限的。”
  显然,命题者认为这个“规律”的结论是前面连续n个质数的积加上1,结果也是一个质数。这个命题犯有严重的逻辑性错误,因为前面连续n个质数的积加上1,其和只能说明前面n个质数中的任何一个除这个和,结果都余1,并不能说明后面的质数除这个和,结果都存在余数。因此命题者的错误不仅有:
  2×3×5×7×11×13+1=30031=59× 509;
  2×3×5×7×11×13×17+1=510511=19×97×277;
  而且还有:
  2×3×5×7×11×13×17×19+1=9699691=347×27953;
  2×3×5×7×11×13×17×19×23+1=223092871=317×703763;
  2×3×5×7×11×13×17×19×23×29+1=6469693231=331×571×34231。
  ……
  恐怕后面已經很难找到质数了。犯有这一错误的主要原因是前面四个数7、31、211、2311可以靠观察来发现它们都是质数,但后面的数还能观察吗?如果这是一个质数表达式,则需要一个完整的理论证明。命题者就犯有这样一个没有理论证明就下结论的错误!
  二、研究问题
  (1)质数的个数和编写五位数内的“全因维数表”“质数表”。
  (2)分解质因数和质数的判定。
  (3)“哥德巴赫猜想”“1+1”的难度破解。
  多少年来,世界各国的数学家对解决这些问题无从着手,而将这些问题视为难题。其中世界著名数学难题“哥德巴赫猜想”“1+1”的证明难度之大,被称为 “数学王冠上的明珠”,我国数学家陈景润在这一领域取得了举世瞩目的成果,他证明了其中的“一个大偶数=
  质数+质数×质数(即‘1+2’)”,而“一个大偶数=质数+质数(即‘1+1’)”还未得到证明。由于一个大偶数可以无限大,其证明的难度也就可想而知了。因其难度之大,据说世界数学奥委会悬赏一千万美金吸引人破解呢。
  三、研究方法
  (1)查表累计法。
  (2)查表法、最少次数搜索法。
  (3)维数密率法、数对递加法、多项和的完全平方公式法。
  要想解决以上三个问题,这三个研究方法必须一一对应用上。
  四、研究结果
  1.质数的个数和编写五位数内的“全因维数表”“质数表”
  (1)质数的定义和合数的定义。在数的分类中,如果按倍数来分,就有质数和合数之分。一个数按倍数来分有以下积的各种表达形式:
  A.3=3×1,7=7×1,23=23×1
  B.14=2×7,21=3×7,49=72
  C.42=2×3×7,63=32×7,27=33
  D.462=2×3×7×11,36=22× 32,54=2×33,81=34
  E.1=12+13=...=1n
  A中的数叫做一维数(即我们常说的质数),它的定义是只能表达成它自身和“1”相乘的数;B中的数叫做二维数,它的定义是可以表达成不含有它自身的两个因数的积的数;C中的数叫做三维数,它的定义是可以表达成不含有它自身的三个因数的积的数;D中的数叫做四维数,它的定义是可以表达成不含有它自身的四个因数的积的数;E中的“1”叫做任意维数。它的定义是可以表达成任意次自身相乘的数。这样定义质数和合数,语言更加精练准确。教科书上只有质数和合数之分,没有提及维数。本文提及维数,就是能更好地将合数进行分类。“维数”是数学上的新名词。
  (2)质数的个数、维数的密率。任意给出一个不大于100000的偶数,不大于这个偶数的质数有多少个?它们分别是什么数?目前在数学上都弄不清楚。为了解决这个问题,笔者编写了一本五位数内的“全因维数表”(编写方法:从3开始,每3个格就有一个因数3;从5开始,每5个格就有一个因数5;从7开始,每7个格就有一个因数7;依此类推,是乘方数从高次方编起,电脑编程很快),在表中累计不大于100000的质数一共有9591个,它们如后表所记。有了“维数表”和“质数表”,对解决以下问题就不难了。质数的密率=质数的个数÷(奇数的个数-1)。由“维数表”可知,当2n=106或2n=118时,质数的密率是1∶2;当2n=1016时,质数的密率是1∶3;当2n=8402时,质数的密率是1∶4;当2n=64512时,质数的密率是1∶5。由此可见,随着2n的不断增大,质数的密率就不断减少而接近于零。可见质数存在无穷多,同时也存在无穷大。   2.分解质因数和质数的判定
  (1)查表法。在十位数内,对任意给出一个非“5”尾的奇数,这个数是质数还是合数?目前数学上很难解决,现在有了“维数表”和“质数表”,对解决这个问题就容易了。对于小于100000的所有奇数,可查“维数表”就能直接得到答案。如96497在“维数表”内是空格(96497可以分为09、64、97,在左上角查09,在上行查64,在左列查97,64和97的交叉点是空格),则这个数就是质数;又如96499在“维数表”内是132×571,则96499=132×571。这个数的质因数也就直接查出来了。
  (2)搜索法。对于大于100000而小于10000000000的所有奇数,就必须除以小于某个奇数最大不足平方根的所有质数,才能判断其是质数还是合数。如2×3×5×7×11×13×17×19×23×29+1=6469693231,其最大不足平方根为√6469693231=80434+,大于29而小于80434的所有质数有7863个。如果6469693231不能被这7863个质数之一整除,则这个数是质数,否则是合数。事实上当除到第57个质数331时就整除了(即6469693231=331×19545901),接下来将19545901重复除以331直到不能整除为止(如能整除就出现331的乘方数)。而19545901的最大不足平方根为√19545901=4421+,大于331而小于4421的所有质数有534个,如果19545901不能被这534个质数之一整除,则这个数是质数,否则是合数。事实上当除到第37个质数571时就整除了(即19545901=571×34231),接下来将34231重复除以571直到不能整除为止。而34231的最大不足平方根为√34231=185+,但185<571,故34231是质数。所以有6469693231=331×571×34231。又如99980827、99980829这两个数,它们最大不足平方根都为9999+,大于1而小于9999”的质数有1228个,它们都被这1228个质数之一整除(即99990827=3557×28111,99990829=9311×10739),它们是孪生高因二维数。再如99982241、99982243、99982247、99982249,这四个数的最大不足平方根也都为9999+,但这四个数都不能被这1228个质数之一整除,所以这四个数都是质数,它们是连孪质数(这两组数寻找很难,要编“缺因维数表”才能找到,此表也能满足应用需求,但人工编写容易产生错漏)。尽管这个方法也很烦琐,但搜索的次数是最少的。如果将相应程序输入电脑,很快就能得出答案。
  3.“哥德巴赫猜想”“1+1”的难度破解
  20世纪60年代,我国数学家陈景润证明了“哥德巴赫猜想” 中的“1+2” , 直到1973年发表,轰动了整个世界,时至今日,半个世纪过去了, “1+1” 的证明还未取得任何进展。现在笔者来论证“1+1”。
  已知:一个偶数=2n(n≥3的自然数),
  求证:存在两两成对的质数,使得每对质数都能满足(质+质)=2n。
  证明:两个奇数之和等于2n,可以有下面四种表达方式:
  质+合=2n
  质+质=2n
  合+合=2n
  1 +质或合=2n
  第四个表达式一定存在并且只有一个。由“维数表”可得下面数据:当2n=2000时,质数的个数=301(个),合数的个数=998-301=697(个),
  质数的密率=—,合数的密率=
  —。(质+质)的密率=(—)2,
  (合+质)和(质+合)的密率=2×
  —×—,(合+合)的密率=(—)2,
  并且三者密率之和等于1。
  三者密率之和就是(質数的密率+合数的密率)2 的展开式。
  由于给出的2n无论多大。质数的个数总是有限的。所以一定存在以上密率,并且三者密率之和都等于1。由此可见当2n达到一定大时(2n≥64时), (质+质)、(质+合)、(合+合)
  三者相互并存,缺一不可;而当2n<64时,要缺的只有(合+合),不会是(质+
  质)和(质+合)。所以无论2n多大,一定存在(质+质)=2n。
  由于质数分布很不均匀,理论数据和实际数据存在一定误差。为了弄清这个误差,由维数表可得以下数据:
  质数的密率=—=0.3016032;
  (质+质)的理论密率=0.30160322=
  0.090964;
  (质+质)的理论个数=0.090964×
  499=45(个);
  (质+质)的实际个数=37(个);
  (质+质)的实际密率=—= 0.74148;
  密率差=0.091569-0.074148= 0.017421;
  同理可得以下数据表。
  由下表数据可知:①A1和B1、A2和B2、A3和B3...的 密率差不断减小,也就说明(质+质)的实际数对个数比率从小到大不断接近理论数对个数比率;②C1C2C3...的密率差出现负值,并且绝对值也不断减小,这就说明(质+质)的实际数对个数比率从大到小不断接近理论数对个数比率;③A1A2A3...、B1B2B3...、C1C2C3...中,(质+质)的实际数对都随着2n的不断增大而增多(即数对递加)。由①②③可知,无论2n多大,(质+质)的数对一定存在。不过这里2n的间隔是2000,如果间隔较小而小至2的话,就会出现或多或少或平的波状曲线上升。不管怎么说,(质+
  质)的理论数对总是存在的,实际数对总是紧靠着理论数对左右摆动。如果还不足以说明问题的话,那么我们就求(质+质)的实际数对不能再小值。当2n=2000时,(质+合)和(合+合)的理论数对和实际数对分别为221个、225个和243个、237个,那么(质+质)的实际数对最少都有(499-243-225)=31个(都减去其中最大的,如是估算,这个数对不能再少了)。同理可证无论2n多大,(质+质)的实际数对都存在不能再小值,并且都随着2n的不断增大而呈波状曲线增大。这一点最有说服力。至此 “哥德巴赫猜想”“1+1”的理论证明应该已经画上句号。   C1C2C3...中,(质+质)的实际数对比理论数对多,主要是含有因数3的合数对加,出现了(合+合)的数对过多所致。其他质数也有这种情况。
  五、讨论
  我研究“哥德巴赫猜想”“1+1”不是主题,我的主题是分解质因数,因为分解质因数的教育价值要远比“1+1”大得多。教科书上只是给人一种概念的认识,没有给人一种理性思维而解决实际问题。对此,我编写了一本五位数内的“全因维数表”,解决了十位数内的分解质因数问题。有了“全因维数表”,“1+1”无攻自破。因为随着2n的不断增大,“1+1” 的实际数对就或多或少或平地呈波状曲线上升(即数对递加),也就是说2n越大,“1+1”的实际数对就相对越多。仅这一点就足以说明无论2n多大,“1+1”的数对一定存在。
  “全因维数表”不仅解决了“1+1”问题,还可以解决“1+2”“1+3”“2+2”“2+3”...“a+b”(a≥1、b≥1的自然数)等问题。因为对任意给出的2n无论多大,1维数、2维数、3维数...n维数的个数都是有限的,所以它们都存在密率,并且它们的个数和就是所有奇数,我们应用多项和的完全平方公式展开:
  (1+2+3+...+n+A)2=12+22+32+...+ n2+A2+2×1×2+2×1×3+...+2×1×n+ 2×1×A+2×2×3+...+2×2×n+2×2×A+...+2×3×n+2×3×A+2×n×A,其中12、22、32...n2 、A2 分别表示“1+1” “2+2”“3+3” ...“n+n”“A+A”,2×1×2、2×1×3...2×1×n、2×1×A分别表示“1+2”“1+3” ...“1+n”“1+A”, 2×2×3...2×2×n、2×2×A分别表示“2+3” ...“2+n”“2+A”...2×3×n、2×3×A、2×n×A分别表示...“3+n” “3+A” “n+A”(A为维数大于n的合数)。我们再将1维数、2维数、3维数...n维数、维数大于n的合数A的密率分别代入公式中的各项,就可以求出“a+b”的各种理论密率,再乘以2n内(奇数的个数-2)÷2,就可以求出“a+b”各种理论数对的个数。由于各维数分布都很不均,所以“a+b”各种理论数对和实际数对都存在一定误差,并非“a+b”的各种实际数对不存在。所以当(2n+2K)(K=0、1、2、3、...的自然数)能使a+b=N时的数对连续存在,那么a+b≤N的各种数对都连续存在。当N=2时,只需2n≥6;当N=3时,只需2n≥12;当N=4时,只需2n≥ 64...当N=18时,只需2n≥39+38m(m为一个质数),可见要使“1+1”的数对存在,只需2n≥6(2n=4是非奇质数)即可。
  六、结论
  维数密率、数对递加、多项和的完全平方公式,都能证明“1+1”“1+2”的存在,所以“哥德巴赫猜想”不是难题。而难的是:对于任意给出的2n无论多大,“1+1”“1+2”的数对到底有少个?
  参考文献:
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