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周氏猜测三十年

今年是周氏猜测正式提出30周年。30年来,这个重要猜测吸引着众多的数学家和数学爱好者对它进行探究。这一探究至今仍无结果(证明或证否),但人们仍然在坚持、在努力、在奋斗,希望在不久的将来能够有所突破。

周氏猜测是由中国数学家、语言学家周海中提出关于梅森素数分布的重要猜想。他根据已知的梅森素数及其排列,巧妙地运用联系观察法和不完全归纳法,在1992年出版的《中山大学学报》(自然科学版)上提出了这一震惊数学界的猜想。

梅森素数由梅森数而来。所谓梅森数,是指形如2^p-1的一类数,其中指数p是素数,常记为Mp。如果梅森数是素数,就称为梅森素数;它是以17世纪法国数学家马林•梅森命名的一种特殊素数,因为梅森对这种特殊素数曾做过较为系统的探究,加上他当时在欧洲科学界的名气很大。

事实上,人们对这种素数的探究已有2000多年的历史,古希腊数学家欧几里得曾用反证法证明了素数有无穷多个,并提出少量素数可写成“2^p-1”的形式。千百年来,许多数学家和数学爱好者对这种特殊素数都做过探究。至今为止,人们已发现51个梅森素数;其中第51个梅森素数2^82589933-1(即2的82589933次方减1)有24862048位,是目前已知的最大素数。如果用普通字号将这个素数打印下来,其长度将超过100公里!

梅森素数珍奇而迷人,因而被称为“数海明珠”。它的探究是当今科学的一个重要研究领域,全球目前有近200个国家和地区超过24万人参加了一个名为“互联网梅森素数大搜索”(GIMPS)的国际合作项目,并动用了240多万核中央处理器(CPU)来寻找新的梅森素数——这在数学史上前所未有,在科学史上也极为罕见。

人们在寻找梅森素数的同时,对这一素数的分布规律也做了探究。例如法国、英国、德国、美国、印度等国的数学家都尝试过这方面的研究,并以近似表达式给出了猜想,而它们与梅森素数分布的实际情况的接近程度均未尽如人意。

一直以来,数学家们都以为梅森素数的分布是随机的;然而,周海中却认为该素数的分布虽然复杂,但还是有规律可循的。他经过长期而艰辛的探究,最后以精确表达式给出了梅森素数分布的猜想。后来,这一重大科研成果在国际上被命名为“周氏猜测”。

周氏猜测的基本内容为:当2^(2^n)<p<2^(2^(n+1))时,Mp有2^(n+1)-1个是素数。周海中并据此做出推论:当p<2^(2^(n+1))时,Mp有2^(n+2)-n-2个是素数(注:p为素数,n为自然数,Mp为梅森数)。

美籍挪威数论大师、菲尔茨奖和沃尔夫奖得主阿特勒•塞尔伯格认为:周氏猜测具有创新性,开创了富于启发性的新方法;其创新性还表现在揭示新的规律上。法籍华人数学家李明达在著名杂志《科学美国人》(中文版)中指出:周氏猜测是梅森素数研究中的一项重大突破。由中国数学家、中科院院士张景中主编的《30年科技成就100例》一书也指出:周氏猜测具有数学之美。

周氏猜测的表达式貌似简单,但破解它的难度却很大。困扰数学界的这一猜测已有30年历史;不过就目前研究文献来看,许多数学家和数学爱好者都尝试过破解它,虽然绞尽脑汁,但仍一无所获。然而,我们完全可以相信:随着数学方法和工具的不断改进,周氏猜测终究有一天会被破解。

文/黄丽萍(作者单位:新加坡国立大学理学院)

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