Кіріспе

Сан теориясында, Виферихтің алғашқы саны – p² саны 2^(p-1) – 1 санына бөлінетін алғашқы сан, демек бұл алғашқы сандарды Ферманың кішкентай теоремасымен байланыстырады, онда әрбір тақ алғашқы сан p, 2^(p-1) – 1 санына бөлінеді. Виферихтің алғашқы сандарын алғаш рет 1909 жылы Артур Виферих Ферманың соңғы теоремасына қатысты жұмыстарында сипаттады, сол кезде Ферманың екі теоремасы да математиктерге жақсы белгілі болды. Содан бері Виферихтің алғашқы саны мен математикадағы басқа да тақырыптар арасындағы байланыстар табылды, оның ішінде Мерсен және Ферма сандары сияқты басқа сандар мен алғашқы сандар, псевдоалғашқы сандардың нақты түрлері және Виферихтің алғашқы санының бастапқы анықтамасынан туындаған сандардың кейбір түрлері де бар. Уақыт өте келе, ашылған байланыстар белгілі бір алғашқы сандардың қосымша қасиеттерін, сондай-ақ сандық өрістер және abc болжамы сияқты жалпылама тақырыптарды қамтыды. Қазірге дейін белгілі Виферихтің алғашқы сандары – 1093 және 3511.

Теңдес анықтамалар

Ферманың кіші теоремасының күшті нұсқасы, оны Виферихтің алғашқы саны қанағаттандырады, әдетте конгруенция қатынасы ретінде көрсетіледі: 2^(p-1) ≡ 1 (mod p^2). Бұлың санның конгруенция қатынасының анықтамасынан, бұл қасиет бастапқыда берілген анықтамамен тең екендігі шығады. Демек, егер p жай саны осы конгруенцияны қанағаттандырса, онда бұл жай сан Ферма тиесімін бөледі. Келесі екі мысал 11 және 1093 жай сандарында қарастырылады: p = 11 үшін, нәтиже 93 болады, ал 11-ге бөлгенде 5 қалдық қалады, сондықтан 11 Виферихтің жай саны емес. p = 1093 үшін, нәтиже 485439490310852893958515 (түсініктілік үшін 302 аралық сан жіберіліп қалды), ал 1093-қа бөлгенде 0 қалдық қалады, сондықтан 1093 – Виферихтің жай саны. Виферихтің жай сандарын басқа да эквивалентті конгруенциялар арқылы анықтауға болады. Егер p Виферихтің жай саны болса, онда конгруенцияның екі жағын да 2-ге көбейту арқылы 1 = 2^(p-1) ≡ 1 (mod p^2) теңдігінен 1 = 2^p ≡ 2 (mod p^2) теңдігіне жетуге болады. Конгруенцияның екі жағын p дәрежесіне көтеру Виферихтің жай саны 1 = 2^(p^2) ≡ 2^p ≡ 2 (mod p^2) теңдігін қанағаттандыратындығын көрсетеді, демек 1 = 2^(p^k) ≡ 2 (mod p^2) барлық k ≥ 1 үшін де орындалады. Керісі де дұрыс: егер 1 = 2^(p^k) ≡ 2 (mod p^2) болса, онда 2 модулі бойынша p^2-нің көбейту реті (gcd(p^k - 1, φ(p^2)) = p - 1) бөледі, яғни 1 = 2^(p-1) ≡ 1 (mod p^2) және демек p – Виферихтің жай саны. Бұл сондай-ақ Виферихтің жай сандарын p жай саны ретінде анықтауға болады, мұнда 2 модулі бойынша p және p^2 көбейту реті бірдей: ord_p^2(2) = ord_p(2). (Айта кетейік, ord_1093(2) = 364, және ord_3511(2) = 1755). Х.С. Вандивер 1 = 2^(p-1) ≡ 1 (mod p^3) егер және тек егер… деп дәлелдеді.

Тарих және іздеу жағдайы

1902 жылы Мейер ap − 1 ≡ 1 (mod pr) конгруенциясының шешімдері туралы теореманы дәлелдеді. Сол онжылдықта Артур Виферих Ферманың соңғы теоремасының бірінші жағдайында тақ жай сан көрсеткіште шешімдері болса, онда бұл жай сан a = 2 және r = 2 үшін конгруенцияны қанағаттандыруы керек екенін көрсетті. Басқаша айтқанда, егер xp + yp + zp = 0 толық сандары x, y, z және p — xyz-ға бөлінбейтін тақ жай сан болса, онда p 2p − 1 ≡ 1 (mod p2) теңдігі орындалады. 1913 жылы Бахман қалдықтарды зерттеді. Ол бұл қалдық қашан нөлге теңеледі деген сұрақ қойды және осы сұраққа жауап беру үшін өрнектер табуға тырысты. 1093 саны 1913 жылы lt=W. Мейснер анықтаған Виферих жай саны екені және 2000-дан төменгі жалғыз осындай жай сан екені расталды. Ол барлық p < 2000 жай сандары үшін ең кіші қалдықты есептеп, бұл қалдық t = 364 және p = 1093 үшін нөлге тең екенін тапты, осылайша Виферих конгруенциясының мүмкін еместігі туралы Гравтың болжамына қарсы мысал келтірді. lt=E. Хаентшель кейіннен Мейснердің конгруенциясының дұрыстығын тек элементарлы есептеулер арқылы тексеруді тапсырды. Эйлердің бұрынғы еңбегінен шабыттанған ол 10932 | (2182 + 1) екенін көрсету арқылы Мейснердің дәлелін жеңілдетіп, (2182 + 1) саны (2364 − 1) санының көбейткіші екенін атап өтті. Мейснердің әдісіне қайшы, 1093 Виферих жай саны екенін комплекс сандарды қолданбай дәлелдеуге болады, бірақ Мейснердің өзі мұндай дәлелдің бар екенін білгенін айтқан. Ал 1965 жылы Гай Виферих жай саны екенін дәлелдеді. 1960 жылы Кравиц lt=Fröberg белгілеген бұрынғы рекордты екі есе арттырды, ал 1961 жылы Рисел BESK көмегімен іздеуді 500000-ға дейін кеңейтті. 1980 жылдары Лехмер 6 іздеу шегіне жетті. Бұл шек 2006 жылы 2,5-тен асты. 2007–2016 жылдары Wieferich@Home жобасы арқылы Виферих жай сандарын іздеу жүргізілді. 2011–2017 жылдары PrimeGrid жобасы да іздеу жұмыстарын жүргізді, бірақ кейіннен бұл жобада жасалған жұмыс бекер кеткені мәлім болды. Бұл жобалардың ешқайсысы 1-ден жоғары іздеу шегіне жеткенімен, тұрақты нәтижелер туралы хабарламады. 2020 жылы PrimeGrid Виферих және Валл–Сун–Сун жай сандарын бір уақытта іздейтін жаңа жобаны бастады. Жаңа жоба әр субинтервалдың тәуелсіз екі рет тексеруін қамтамасыз ету үшін тексеру сомаларын қолданады, осылайша ақаулы жабдықтардың салдарынан мысалдарды жіберіп алу қаупін азайтады. Жоба 2022 жылдың желтоқсанында аяқталды, үшінші Виферих жай саны 264-тен (шамамен 18-ден) асып түсуі керек екенін нақты дәлелдеді. (Уилсон жай сандары сияқты) шексіз көп Виферих жай сандары бар және x-тен төмен Виферих жай сандарының саны шамамен log(log(x)) тең деген болжам бар, бұл жай сан p үшін 1/(p − 1) дәрежелі біртінделік түбірлері p2 модулі бойынша көбейту тобында біркелкі таратылған деген сенімді болжамнан туындайды. Сондай-ақ, FLTI жай сан p үшін сәтсіз болады, егер Ферма теңдеуіне сол p үшін шешімдер болса, әйтпесе FLTI жай сан p үшін орындалады. 1910 жылы Мириманов теореманы кеңейтіп, егер теореманың алғышарттары кейбір жай сан p үшін орындалса, онда p2 сонымен қатар 1 ≡ 3^(p − 1) (mod p2) теңдігін бөледі. Гранвилл мен Монаган бұдан әрі p2 әр m ≤ 89 үшін 1 ≡ m^(p − 1) (mod p2) теңдігін бөледі екенін дәлелдеді. Судзуки дәлелді барлық m ≤ 113 жай сандарына дейін кеңейтті. Hp — 1-дің ең үлкен ортақ бөлгіші ретінде 1 бар бүтін сандар жұбының жиынтығы, p — x, y және x + y-ге жай сан, (x + y)^(p − 1) ≡ 1 (mod p2), (x + ξy) — K идеалының p-ші дәрежесі, мұнда ξ = cos 2π/p + i sin 2π/p. K = Q(ξ) — алгебралық сан ξ-тің барлық полиномдарын рационалдық сандар өрісіне қосу арқылы алынған өрістің кеңейтілуі (мұндай кеңейту сан өрісі деп аталады немесе осы жағдайда, ξ — біртінделік түбірі болғандықтан, циклотомдық сан өрісі). Ол abc болжамы тек α-ға байланысты тұрақтының бар екенін білдіретінін көрсетті, яғни p ≤ X жай сандарының саны α негізінде Виферих емес жай сандары log(X)-тен үлкен, X шексізге жақындағанда. Сандық дәлелдер белгілі бір аралықтағы жай сандардың өте аз бөлігі Виферих жай сандары екенін көрсетеді. Виферих жай сандарының жиыны мен Виферих емес жай сандарының жиыны, кейде сәйкесінше W2 және W2c деп белгіленеді, бір-бірін толықтыратын жиындар, сондықтан егер олардың біреуі шекті болып көрсетілсе, екіншісі шексіз болуы керек. Кейіннен шексіз көп Виферих емес жай сандарының бар екендігі ABC (k, ε) болжамы деп аталатын abc болжамының әлсіз нұсқасынан туындайтындығы көрсетілді. Сондай-ақ, шексіз көп Виферих емес жай сандарының болуы шексіз көп квадратты еркін Мерсен сандарының бар екендігінен де туындайды, сондай-ақ нақты сан ξ-тің бар екендігінен де туындайды, онда {n ∈ N : λ(2n − 1) < 2 − ξ} жиынының тығыздығы 1-ге тең, мұнда n бүтін санының құрамының көрсеткіші λ(n) келесідей анықталады: және , яғни n-нің барлық жай көбейткіштерінің көбейтіндісін береді. Осылайша, Мерсен жай саны Виферих жай саны бола алмайды. Маңызды шешілмеген мәселе — барлық Мерсен сандарының жай көрсеткіштері квадратты еркін екенін анықтау. Егер q жай сан болса және Мерсен саны Mq квадратты еркін болмаса, яғни p2 Mq-ны бөлетін жай сан p болса, онда p Виферих жай саны болады. Сондықтан, егер Виферих жай сандары шекті болса, онда жай көрсеткіштері квадратты еркін емес Мерсен сандары да шекті болады. Роткович байланысты нәтижені көрсетті: егер шексіз көп квадратты еркін Мерсен сандары болса, онда шексіз көп Виферих емес жай сандары болады. Сол сияқты, егер p жай сан болса және p2 кейбір Ферма саны Fn = 2^(2^n) + 1-ді бөлетін болса, онда p Виферих жай саны болуы керек. Шындығында, p2 (мұндағы Φn — n-ші циклотомдық полином) бөлетін жай сан p және натурал сан n бар, егер және тек қана p Виферих жай саны болса. Мысалы, 10932 Φ364-ті бөледі, 35112 Φ1755-ті бөледі. Мерсен және Ферма сандары — осының ерекше жағдайлары. Осылайша, егер 1093 және 3511 — жалғыз Виферих жай сандары болса, онда барлық Φn квадратты еркін, тек Φ364 және Φ1755 емес (Шындығында, егер p2 кейбір Φn-ді бөлетін жай сан болса, онда ол Виферих жай саны болады); және егер n жай сан болса, онда ол Виферих жай саны бола алмайды. (Кез келген тақ жай сан p тек бір Φn-ді бөледі және n p − 1-ді бөледі, және егер және тек қана 1/p-нің екілік жүйедегі периоды n болса, онда p бөледі). Сонымен қатар, егер және тек қана p Виферих жай саны болса, онда 1/p және 1/p2-нің екілік жүйедегі периодтары бірдей (әйтпесе, ол p еселенген). 1093 және 3511 жай сандары үшін олардың ешқайсысы да жай көрсеткіштері квадратты еркін емес Мерсен санының немесе Ферма санының бөлгіші емес екені көрсетілді, өйткені 364 және 1755 жай сан немесе 2-нің дәрежесі емес.

Басқа теңдеулермен байланыс

Скотт пен Стайер px – 2y = d теңдеуінің оң бүтін сандар (x, y) бойынша ең көп дегенде бір шешімі бар екенін көрсетті, егер p4 | 2ordp 2 – 1 болса, егер p ≢ 65 (mod 192) болса немесе p2 | 2ordp 2 – 1 болса, мұнда ordp 2 – 2-нің p модуль бойынша көбейту ретін білдіреді. Олар сондай-ақ ±ax1 ± 2y1 = ±ax2 ± 2y2 = c теңдеуінің шешімі белгілі бір теңдеулер жиынтығынан шығуы керек екенін көрсетті, бірақ егер a 1.25 x 1015-тен үлкен Виферихтің алғашқы саны болса, онда бұл орындалмайды.

P - 1 бинарлық кезеңділігі

Джонсон екі белгілі Виферих алғашқы санының периодты екілік өрнектемедегі сандардан бірге үлкен екенін байқады (1092 = 0100010001002 = 44416; 3510 = 1101101101102 = 66668). Wieferich@Home жобасы Виферих алғашқы сандарын кезеңдік екілік өрнектемесі бар сандардан бірге үлкен сандарды тексеру арқылы іздеді, бірақ сынақтан өткен екілік сандардың 3500 "биттік псевдо ұзындығына" дейін, 24 биттік ұзындығы бар биттік тізбектердің комбинациясымен жасалғандардың арасында жаңа Виферих алғашқы саны табылған жоқ.

P - 1 санының көптігі

Белгілі болғандай, белгілі Виферихтің жай сандары өзара достық сандардан бірге үлкен (олардың ортақ молдық көрсеткіші 112/39-ға тең).

Псевдопримдермен байланыс

Белгілі екі Виферих алғашқы саны 2-ге дейінгі барлық квадрат емес бос негізді Фермат псевдопримдерінің квадрат факторлары болып табылатыны байқалды. Кейінгі есептеулер 1012-ге дейінгі псевдопримдердің қайталанатын бірден-бір көбейткіштері 1093 және 3511 екенін көрсетті. Сонымен қатар, келесі байланыс бар: n негізіндегі 2 псевдопримі және p n-нің алғашқы бөлгіші болсын. Егер , онда да болады. Барлық тақ алғашқы сандар үшін 1=L(p^(n+1)) = p · L(p^(n)) немесе 1=L(p^(n+1)) = L(p^(n)) екені көрсетілді. Бұдан басқа, келесі нәтиже алынды: q – тақ алғашқы сан, k және p – алғашқы сандар, мұндағы 1=p = 2k + 1, k ≡ 3 (mod 4), p ≡ −1 (mod q), p ≢ −1 (mod q^(3)) және q модулі k бойынша реті болып табылады. Егер q h+ -ді бөлсе, онда q – Виферих алғашқы саны. h+ – нақты циклотомиялық өрістің сыныптық саны, бұл циклотомиялық өріс бірліктің p-ші түбірі мен оның керісін рационалдық сандар өрісіне қосу арқылы алынады. Бұл сондай-ақ, егер p ≡ −1 (mod q) және p ≢ −1 (mod q^(3)) шарттары p ≡ −3 (mod q) және p ≢ −3 (mod q^(3)) шарттарымен ауыстырылса, ал p ≡ −1 (mod q) шарты p ≡ −5 (mod q) шартымен ауыстырылса (бұл жағдайда q – Wall–Sun–Sun алғашқы саны) және сәйкессіздік шарты p ≢ −5 (mod q^(3)) шартымен ауыстырылса да орындалады.

Виферих сандары

Виферих саны — 2<sup>φ(n)</sup> ≡ 1 (mod n<sup>2</sup>) конгруенциясын қанағаттандыратын n тақ табиғи сан, мұнда φ(n) — Эйлердің тотиент функциясы (Эйлер теоремасы бойынша, 2<sup>φ(n)</sup> ≡ 1 (mod n) кез келген тақ табиғи n саны үшін). Егер Виферих саны n жай сан болса, онда ол Виферихтің жай саны деп аталады. Алғашқы бірнеше Виферих сандары: 1, 1093, 3279, 3511, 7651, 10533, 14209, 17555, 22953, 31599, 42627, 45643, 52665, 68859, 94797, 99463.

Егер Виферихтің жай сандарының саны шекті болса, онда Виферих сандарының саны да шекті екенін көрсетуге болады. Атап айтқанда, егер Виферихтің жай сандары тек 1093 және 3511 болса, онда дәл 104 Виферих саны бар, бұл қазіргі кезде белгілі Виферих сандарының санына сәйкес келеді. Тағы бір анықтама бойынша Виферих саны — n және φ(n) өзара жай болмайтын n тақ табиғи саны, мұнда m — 2-нің n модуль бойынша көбейту реті. Бұл сандардың алғашқылары: 21, 39, 55, 57, 105, 111, 147, 155, 165, 171, 183, 195, 201, 203, 205, 219, 231, 237, 253, 273, 285, 291, 301, 305, 309, 327, 333, 355, 357, 385, 399.

Жоғарыда айтылғандай, егер Виферих саны q жай сан болса, онда ол Виферихтің жай саны.

Лукас-Виферих алғашқы сандары

P және Q бүтін сандар болсын. (P, Q) жұбымен байланысты бірінші түрдегі Лукас тізбегі былай анықталады:

әрбір (P, Q) жұбымен байланысты Лукас-Виферихтік жай сан – бұл p жай саны, онда Up−ε(P, Q) ≡ 0 (mod p2) теңдігі орындалады, мұнда ε – Лежандр символы. Барлық Виферих жай сандары (3, 2) жұбымен байланысты Лукас-Виферих жай сандары болып табылады.