小学社会310495 views
いろは3011036 views
教育149515 views
ヒストリア290629 views
高校化学2924523 views
Computer368134 views
高校倫理1440172 views
小学算数1200472 views
りんご209693 views
高校日本史190578 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

素数に最後の 1 個はない〜ユークリッドの論法とエラトステネスのふるい

以下の素数は 25 個、 以下では 168 個、 以下では 1229 個。割合はどんどん薄くなります。

それでも尽きることはありません。素数が有限個だとすると矛盾が出る、という形ではなく、有限個のリストからいつでも新しい素数を作り出せます[1]

ユークリッドの論法

素数を好きなだけ並べます。 としましょう。全部を掛けた数に を足します。

をリストのどの素数で割っても、余りは です。積の部分は割り切れ、足した だけが残るためです。

以上なので、必ず素因数を持ちます。その素因数はリストのどれとも違う。つまりリストは、いつでも完全ではありません[2]

もリストにありません。この操作は何度でもくり返せるので、素数が尽きることはない。

背理法ではない

「素数が有限個だと仮定して矛盾を導く」と説明されることが多いものの、もとの論法は仮定を置いていません[1]

与えられた有限個のリストから、そこに入っていない素数を作る。仮定も矛盾も使わない、直接の作り方です。

ユークリッド自身の書き方も「どんな個数の素数を並べても、それより多くの素数がある」という形でした[2]

例:小さいリストで試す

から始めます。積に を足すと で、これは素数。リストに加えます。

なら なら 。どちらも素数で、そのまま新しい素数になりました。

では 。これも素数です。ここまで 4 回続けて、積に を足した数が素数になっています。

例:積に 1 を足した数が素数とは限らない

まで伸ばすと様子が変わります。 で、 を足すと

です。素数ではありません。それでも はリストの外なので、結論は変わらない。

論法が言っているのは「 が素数だ」ではなく「 の素因数がリストの外にある」ということ。ここをとりちがえると、証明が崩れて見えます。

は素数とは限りません。必要なのはリストの外に素因数があるという一点だけです。

リストのどの素数で割っても余りが なので、 の素因数はどれもリストに属さない。

エラトステネスのふるい

素数を実際に数えるには、合成数を消していく方法が使えます[4]

以上を並べ、 の倍数を消す。次に残った最小の数 の倍数を消す。これをくり返します。

以下では、 の倍数を落とすだけで終わります。残った 25 個が素数です。

平方根まででよい理由

合成数 と書けます。 の両方が より大きいと、積が を超えてしまう。

だから小さいほうは必ず 以下。 以下の素数で落とせば、合成数はすべて消えます[4]

なら なので、 以下の素数 で足りる。 なら 以下の 11 個で足ります。

2 の倍数を落とす

残った最小の数の倍数を落とす

その数の 2 乗が上限を超えたら終わり

例:1000 以下の素数を数える

はおよそ 以下の素数は の 11 個です。

この 11 個の倍数を落とすだけで、 までの合成数がすべて消えます。残るのは 168 個。

までなら で、 以下の素数 25 個を使う。残るのは 1229 個です。

割合は薄くなっていく

個数は増え続けますが、密度は下がります。 以下では 4 個で 4 割、 以下では 25 個で 4 分の 1。

万以下では 9592 個で、割合はおよそ 1 割を切ります。それでも にはならない。

素数が現れない区間もあります。 の次の素数は で、あいだの 13 個はすべて合成数です。

密度

範囲を広げるほど薄くなる。 万までで 1 割を切る

個数

範囲を広げるほど増える。上限はない

別の道:オイラーの証明

素数が有限個なら、素数の逆数を使った無限積が有限の値になります。ところが、それは調和級数と等しい[1,3]

調和級数は発散するので、有限の値には収まりません。ここから素数が無限にあると分かります。

ユークリッドの論法より道具は要るものの、素数の分布の細かさまで踏み込める強みがあります。証明は 200 通り以上あると整理されている[1]

検算のしかた

ふるいの結果は、区間ごとに数えると確かめやすい。 から に 15 個、 から に 10 個で、合わせて 25 個。

小さい素数を落とし忘れていないかも見ます。 は素数に見えやすく、 の段で落ちるはずのものです。

を素数に数えないことも確かめる。 を含めると素因数分解の一意性が崩れます。

以下の素数をエラトステネスのふるいで求めるとき、倍数を落とす必要がある素数はどこまでですか。

  • 7 まで
  • 13 まで
  • 100 まで
__RESULT__

はおよそ なので、 以下の素数、つまり まで落とせば終わります。 までだと が残ってしまう。

つまずきやすいところ

積に を足した数がいつも素数だと考える。 が反例です。
ユークリッドの論法を背理法だと説明する。仮定を置かない直接の作り方です。
ふるいで より大きい素数の倍数まで落とす。すでに消えているので不要です。
を素数に数える。素因数分解の一意性が崩れるので、素数には含めません。
密度が下がることを、いつか尽きる根拠だと考える。個数は増え続けます。
リストの外に素因数があることと、 が素数であることを混同する。
素数が現れない区間を見て、そこで終わったと判断する。 の先にも素数はあります。

有限個のリストを渡されたら、掛けて を足す。それだけで、いつでも外側の素数が 1 つ手に入ります。

参考

Euclid's theorem - Wikipedia
Satz von Euklid - Wikipedia
Théorème d'Euclide sur les nombres premiers - Wikipédia
Sieve of Eratosthenes - Wikipedia
$100$ 以下に 25 個、$1000$ 以下に 168 個、$10$ 万以下に 9592 個。割合は 4 割から 1 割まで薄くなるのに、素数が尽きることはありません。手もとの素数を全部掛けて $1$ を足せば、どの素数で割っても余りが $1$ になる数ができる。その素因数は必ずリストの外にいます。$2 \times 3 \times 5 \times 7 \times 11 \times 13 + 1 = 30031$ が $59 \times 509$ になる例、背理法だと説明されがちな点、ふるいで $\sqrt{n}$ までしか調べなくてよい理由まで扱いました。