Гипотеза Гольдбаха — одна из старейших и самых известных нерешённых проблем в теории чисел и всей математике . Она утверждает, что каждое чётное натуральное число, большее 2, является суммой двух простых чисел .
Было показано, что гипотеза верна для всех целых чисел, меньших4 × 1018 , но остается недоказанным, несмотря на значительные усилия.
7 июня 1742 года прусский математик Христиан Гольдбах написал письмо Леонарду Эйлеру (письмо XLIII) [2] , в котором выдвинул следующую гипотезу:
Гольдбах следовал ныне заброшенному соглашению, согласно которому 1 является простым числом , [3] так что сумма единиц будет суммой простых чисел. Затем он предложил вторую гипотезу на полях своего письма, которая подразумевает первую: [4]
... eine jede Zahl, die grösser ist als 2, ein aggregatum trium numerorum primorum sey.
Любое целое число больше 2 можно записать как сумму трёх простых чисел.
Эйлер ответил письмом от 30 июня 1742 года [5] и напомнил Гольдбаху об их более раннем разговоре (« ... so Ew vormals mit mir communicirt haben ... »), в котором Гольдбах заметил, что первая из этих двух гипотез следует из утверждения
Это фактически эквивалентно его второй, маргинальной гипотезе. В письме от 30 июня 1742 года Эйлер заявил: [6] [7]
Дасс ... ein jeder numerus par eine summa duorum primorum sey, останови их для своих ганц-гевисс-теорем, не управь их dasselbe nicht demostriren kann.
То, что... каждое четное целое число есть сумма двух простых чисел, я считаю вполне достоверной теоремой, хотя доказать ее не могу.
Сильная гипотеза Гольдбаха намного сложнее слабой гипотезы Гольдбаха , которая гласит, что каждое целое число (эквивалентно, каждое нечетное целое число), большее 5, является суммой трех простых чисел. Используя метод Виноградова , Николай Чудаков , [8] Иоганнес ван дер Корпут , [9] и Теодор Эстерманн [10] показали (1937–1938), что почти все четные числа можно записать в виде суммы двух простых чисел (в том смысле, что доля четных чисел до некоторого N , которые можно так записать, стремится к 1 по мере увеличения N ). В 1930 году Лев Шнирельман доказал, что любое натуральное число , большее 1, можно записать в виде суммы не более чем C простых чисел, где C — эффективно вычислимая константа; см. плотность Шнирельмана . [11] [12] Константа Шнирельмана — это наименьшее число C с этим свойством. Сам Шнирельман получил C <800 000. Этот результат впоследствии был улучшен многими авторами, такими как Оливье Рамаре , который в 1995 году показал, что каждое четное число n ≥ 4 на самом деле является суммой не более 6 простых чисел. Самый известный результат в настоящее время вытекает из доказательства слабой гипотезы Гольдбаха Харальдом Хельфготтом , [13] из которого напрямую следует, что каждое четное число n ≥ 4 является суммой не более 4 простых чисел. [14] [15]
В 1924 году Харди и Литтлвуд показали, исходя из обобщенной гипотезы Римана , что число четных чисел до X, нарушающих гипотезу Гольдбаха, намного меньше, чем X 1 ⁄ 2 + c для малых c . [16]
В 1948 году, используя методы теории решета , Альфред Реньи показал, что каждое достаточно большое четное число можно записать в виде суммы простого числа и почти простого числа с не более чем K множителями. [17] В 1973 году Чэнь Цзинжунь показал, используя теорию решета, что каждое достаточно большое четное число можно записать в виде суммы либо двух простых чисел, либо простого числа и полупростого числа (произведения двух простых чисел). [18] Для получения дополнительной информации см. теорему Чэня .
В 1975 году Хью Лоуэлл Монтгомери и Боб Воган показали, что «большинство» четных чисел можно выразить как сумму двух простых чисел. Точнее, они показали, что существуют положительные константы c и C, такие, что для всех достаточно больших чисел N каждое четное число, меньшее N, является суммой двух простых чисел, с максимумом CN 1 − c исключений. В частности, множество четных целых чисел, которые не являются суммой двух простых чисел, имеет нулевую плотность .
В 1951 году Юрий Линник доказал существование константы K, такой что каждое достаточно большое четное число является суммой двух простых чисел и не более K степеней двойки. Янош Пинц и Имре Ружа обнаружили в 2020 году, что K = 8 работает. [19] Если предположить обобщенную гипотезу Римана , K = 7 также работает, как показали Роджер Хит-Браун и Ян-Кристоф Шлаге-Пухта в 2002 году. [20]
Доказательство слабой гипотезы было представлено в 2013 году Харальдом Хельфготтом в серию Annals of Mathematics Studies . Хотя статья была принята, Хельфготт решил внести основные изменения, предложенные рецензентом. Несмотря на несколько исправлений, доказательство Хельфготта до сих пор не появилось в рецензируемой публикации. [21] [22] [23] Слабая гипотеза следует из сильной гипотезы, как если n − 3 является суммой двух простых чисел, то n является суммой трех простых чисел. Однако обратная импликация и, следовательно, сильная гипотеза Гольдбаха останутся недоказанными, если доказательство Хельфготта верно.
Для малых значений n сильная гипотеза Гольдбаха (и, следовательно, слабая гипотеза Гольдбаха) может быть проверена напрямую. Например, в 1938 году Нильс Пиппинг кропотливо проверил гипотезу вплоть до n =100 000. [24] С появлением компьютеров было проверено гораздо больше значений n ; Т. Оливейра и Силва провелираспределенный компьютерный поиск, который подтвердил гипотезу для n ≤4 × 10 18 (и дважды проверено до4 × 10 17 ) по состоянию на 2013 год. Одна из записей этого поиска заключается в том, что3 325 581 707 333 960 528 — наименьшее число, которое нельзя записать в виде суммы двух простых чисел, одно из которых меньше 9781. [25]
Калли-Хагилл и Дудек доказывают [26] (частичный и условный) результат гипотезы Римана: существует сумма двух нечетных простых чисел в интервале (x, x + 9696 log^2 x] для всех x ≥ 2.
Гипотеза Гольдбаха ( кит .哥德巴赫猜想) — название биографии китайского математика и специалиста по теории чисел Чэнь Цзинжуня , написанной Сюй Чи .
Гипотеза является центральным моментом в сюжете романа 1992 года « Дядя Петрос и гипотеза Гольдбаха» греческого автора Апостолоса Доксиадиса , в рассказе « Шестьдесят миллионов триллионов комбинаций » Айзека Азимова , а также в детективном романе 2008 года « Никто из вас не знаком » Мишель Ричмонд . [27]
Гипотеза Гольдбаха является частью сюжета испанского фильма 2007 года « Комната Ферма» .
Гипотеза Гольдбаха представлена как главная тема исследования персонажа актрисы Эллы Румпф Маргариты в франко-швейцарском фильме 2023 года «Теорема Маргариты» . [28]
Каждая из трех гипотез имеет естественный аналог в терминах современного определения простого числа, в котором исключается 1. Современная версия первой гипотезы такова:
Современная версия маргинальной гипотезы такова:
А современная версия старой гипотезы Гольдбаха, о которой ему напомнил Эйлер, такова:
Эти современные версии могут быть не полностью эквивалентны соответствующим исходным утверждениям. Например, если бы существовало четное целое число N = p + 1 больше 4, где p — простое число, которое не может быть выражено как сумма двух простых чисел в современном смысле, то это был бы контрпример к современной версии третьей гипотезы (не будучи контрпримером к исходной версии). Таким образом, современная версия, вероятно, сильнее (но для того, чтобы подтвердить это, нужно было бы доказать, что первая версия, свободно примененная к любому положительному четному целому числу n , не могла бы исключить существование такого конкретного контрпримера N ). В любом случае, современные утверждения имеют те же отношения друг с другом, что и более старые утверждения. То есть второе и третье современные утверждения эквивалентны, и любое из них подразумевает первое современное утверждение.
Третье современное утверждение (эквивалентное второму) — это форма, в которой гипотеза обычно выражается сегодня. Она также известна как « сильная », «четная» или «бинарная» гипотеза Гольдбаха. Более слабая форма второго современного утверждения, известная как « слабая гипотеза Гольдбаха », «нечетная гипотеза Гольдбаха» или «троичная гипотеза Гольдбаха», утверждает, что
Статистические соображения, сосредоточенные на вероятностном распределении простых чисел, представляют неформальные доказательства в пользу гипотезы (как в слабой, так и в сильной форме) для достаточно больших целых чисел: чем больше целое число, тем больше существует способов представить это число в виде суммы двух или трех других чисел, и тем более «вероятно», что по крайней мере одно из этих представлений состоит полностью из простых чисел.
Очень грубая версия эвристического вероятностного аргумента (для сильной формы гипотезы Гольдбаха) выглядит следующим образом. Теорема о простых числах утверждает, что целое число m, выбранное случайным образом, имеет примерно 1/лн м шанс быть простым. Таким образом, если n — большое четное целое число, а m — число от 3 до н/2 , то можно было бы ожидать, что вероятность того, что m и n − m одновременно являются простыми числами, будет 1/ln m ln( n − m ) . Если следовать этой эвристике, можно ожидать, что общее количество способов записать большое четное целое число n в виде суммы двух нечетных простых чисел будет примерно равно
Поскольку ln n ≪ √ n , эта величина стремится к бесконечности с ростом n , и можно было бы ожидать, что каждое большое четное целое число имеет не только одно представление в виде суммы двух простых чисел, но на самом деле очень много таких представлений.
Этот эвристический аргумент на самом деле несколько неточен, поскольку он предполагает, что события m и n − m являются простыми числами статистически независимы друг от друга. Например, если m нечетно, то n − m также нечетно, а если m четно, то n − m также четно, нетривиальное отношение, поскольку, помимо числа 2, только нечетные числа могут быть простыми. Аналогично, если n делится на 3, а m уже было простым числом, отличным от 3, то n − m также будет взаимно простым с 3 и, таким образом, будет немного более вероятно, что будет простым числом, чем общее число. Продолжая этот тип анализа более тщательно, Г. Х. Харди и Джон Эденсор Литтлвуд в 1923 году выдвинули гипотезу (как часть их гипотезы Харди–Литтлвуда о простых кортежах ), что для любого фиксированного c ≥ 2 число представлений большого целого числа n в виде суммы c простых чисел n = p 1 + ⋯ + p c с p 1 ≤ ⋯ ≤ p c должно быть асимптотически равно
где произведение берется по всем простым числам p , а γ c , p ( n ) — число решений уравнения n = q 1 + ⋯ + q c mod p в модульной арифметике , с учетом ограничений q 1 , …, q c ≠ 0 mod p . Эта формула была строго доказана как асимптотически верная для c ≥ 3 из работы Ивана Матвеевича Виноградова , но все еще является лишь гипотезой, когда c = 2. [ необходима цитата ] В последнем случае приведенная выше формула упрощается до 0, когда n нечетно, и до
когда n четно, где Π 2 — константа Харди–Литтлвуда, являющаяся простым числом-близнецом
Иногда это называют расширенной гипотезой Гольдбаха . Сильная гипотеза Гольдбаха на самом деле очень похожа на гипотезу о простых числах-близнецах , и считается, что эти две гипотезы имеют примерно сопоставимую сложность.
Функция разбиения Гольдбаха — это функция, которая каждому четному целому числу ставит в соответствие количество способов, которыми оно может быть разложено на сумму двух простых чисел. Ее график похож на комету и поэтому называется кометой Гольдбаха . [29]
Комета Гольдбаха предполагает точные верхние и нижние границы количества представлений четного числа в виде суммы двух простых чисел, а также то, что количество этих представлений сильно зависит от значения числа по модулю 3.
Хотя гипотеза Гольдбаха подразумевает, что каждое положительное целое число, большее единицы, может быть записано как сумма не более трех простых чисел, не всегда возможно найти такую сумму, используя жадный алгоритм , который использует наибольшее возможное простое число на каждом шаге. Последовательность Пиллаи отслеживает числа, требующие наибольшего количества простых чисел в их жадных представлениях. [30]
Существуют проблемы, аналогичные гипотезе Гольдбаха, в которых простые числа заменяются другими конкретными наборами чисел, такими как квадраты:
Гипотеза Гольдбаха используется при изучении сложности вычислений. [36] Связь устанавливается через функцию Busy Beaver , где BB( n ) — максимальное число шагов, предпринимаемых любой машиной Тьюринга с n состояниями , которая останавливается. Существует машина Тьюринга с 27 состояниями, которая останавливается тогда и только тогда, когда гипотеза Гольдбаха ложна. Следовательно, если бы BB(27) было известно, а машина Гольдбаха не остановилась за это число шагов, было бы известно, что она работает вечно, и, следовательно, не существует контрпримеров (что доказывает истинность гипотезы). Это совершенно непрактичный способ доказать гипотезу; вместо этого он используется для предположения, что BB(27) будет очень трудно вычислить, по крайней мере, так же трудно, как доказать гипотезу Гольдбаха.