费马数研究的回顾与现状
如上所述,在对费马数的研究中,费马迈出了第一步。他给出正确的结论:前5个费马数都是素数。然后,他做出猜想:所有的费马数都是素数。
1732年,欧拉给出了F5的素因子分解式为:F5=641×6700417,从而否定了费马的推断。为了得出这一结果,欧拉还研究了费马数的性质,证明了一个重要结论:当n≥2时,费马数F5若有素因子,那么这一因子具有k×2n+1+1的形式。这样在寻找F5的因子时,就可直接排除掉许多不必进一步检验的无关的数值,从而大大减轻的运算量。正是以此为依据,欧拉只对可能的因子进行试除。最终找到了F5的第一个因子641,最终把F5进行了完全分解。
1877年,数学家佩平得出一个重要的判据结果:费马数Fn是素数,当且仅当F5整除。这个结论对于检验费马数的素性是很有效的。
1878年,卢卡斯改进了欧拉的成果,证明费马数Fn若有素因子,那么这一因子具有k×2n+1+1的形式。通过这一加强后的结论寻找Fn的素因子,从而判断它是否是素数就更为简捷了。实际上,正是这一结论奠定了人们寻找大的费马合数的理论基础。
1880年,著名数学家朗道给出F6的素因子分解式:F6=247177×67280421310721。
1905年,莫瑞汉德与韦斯坦证明F7是合数。1908年,这两位数学家利用同样的方法证明F8是合数。证明中使用了上述佩平检验法则。1957年,罗宾逊找到F1945的一个因子:5×21947+1,从而证明它是合数。1977年,威廉姆找到F3310的一个因子:5×3313+1,从而证明它是合数。1980年,人们找到F9948的一个因子:19×29450+1,从而证明它是合数。1980年,哥廷汀证明F17是合数。1987年,杨和布尔证明F20是合数。1980年,开勒证明了F9448是个合数,它有因子19×29450+1。1984年,开勒找到F23471的一个因子:5×223473+1,从而证明它是一个合数。作为最大的费马合数这一纪录保持了近十年。1992年,里德学院的柯兰克拉里和德尼亚斯用计算机证明了F22是合数,这个数的十进制形式有100万位以上。这一证明曾被称为有史以来为获得一个“一位”答案(即“是-否”答案)而进行的最长计算,总共用了1016次计算机运算。
在对费马数的素因子分解方面,进展要缓慢得多。
1971年,布里罕德和莫利逊用连分数法,借助于电子计算机花了一个半小时的机时把F7分解为两个质因子的乘积,这两个质因子一个17位,一个22位。1981年,布瑞特和普拉德利用蒙特卡罗方法花两小时机上时间,对F8进行了分解,求得F8=1238926361552897与一个62位素数的积。1990年美国加州伯克莱分校的林斯特拉等人利用数域筛法(nFS)(并借助计算网络)分解了F9。它是2424833与一个148位数的积。同年,澳大利亚国立大学的布瑞特用ECM算法(椭圆曲线法)分解了F10和F11。迄今为止,F5~F11,是人们已经完成标准素因子分解式的费马合数。n=12、13、15、16、17、18、19、21、23时,对应的费马数已找到部分因子。因此,最小的尚未完全分解的费马数是F12,它还有一个1187位的因子尚需要分解。n=14、20、22、24时已经证明是合数,但还没有找到任何因子。尚未判定是合数还是质数的最小费马数是F33。
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