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差が 2 の素数が 3 つ並ぶのは 3、5、7 だけ?余りで候補を消していく

、、 がそろって素数になるのは のときだけです。、、 の 1 組しかありません。

大きい素数を探しても見つからない、という話ではありません。 で割った余りを見た瞬間に、候補が 1 つに決まります。

3 で割った余りで分ける

を で割った余りは 、、 のどれかです。 と の余りも、そこから決まります。

余りが なら の余りは 。余りが なら の余りが になります。

つまり 3 つのうち必ず 1 つが の倍数。 の倍数で素数なのは そのものだけです[3]。

の倍数になった項が 自身であれば、素数として生き残ります。それは の場合だけ。

例:3 つ組を書き下す

なら 、、 ですべて素数。 なら 、、 で、 が素数ではありません。

なら 、、。 が の倍数です。 でも 、 のうち が落ちます。

いくら大きい を試しても同じ。 で割った余りの並びが変わらないためです[1]。

5 以上の素数は 6k ± 1 の形

より大きい素数は、 か のどちらかで書けます[3]。

で割った余りが 、、 なら偶数。 なら の倍数。残るのは と だけです。

以上の素数がすべて に入るので、 を で割った余りも決まります。 なら 。

で、 と の一方は必ず偶数。だから で割り切れ、余りは です。

、、。どれも で割ると 余ります。

例:p と p の 2 乗に 2 を足した数

と がどちらも素数になるのは、 のときだけです。 と 。

が の倍数でなければ、 を で割った余りは 。すると の余りが になります。

は より大きいので、 の倍数なら素数ではありません。残るのは だけ。

の倍数だから素数でない、と言うにはその数が より大きいことも要ります。

のとき で、これは の倍数ではない。余りの議論は が の倍数でない場合の話。

例:2 の n 乗から 1 を引いた数

が素数なら、 も素数でなければなりません[2]。

が合成数で と書けたとすると、次の因数分解が使えます。

も も 以上なので、両方の因数が より大きい。だから は合成数です。

逆は成り立ちません。 は素数ですが で合成数です。

必要条件と十分条件を分けて扱う。ここを混ぜると、証明が一方向だけになります。

例:4 乗に 4 を足した数

が素数になる自然数 を求めます。見た目には手がかりがありません。

平方の差の形を作ると、因数分解できます。

なので、 では 以上。もう一方も 以上なので合成数です。

のときだけ となり素数。答えは の 1 つだけです。

絞り込みの型

素数を求める問題では、無限の候補を有限に落とす一手を探します。

余りで場合分けして、大半を合成数に落とす

因数分解して、因数が 1 になる場合だけ残す

残った少数の候補を直接確かめる

余りを使うか、因数分解を使うか。どちらの型かは、式に文字の 2 乗や高い次数があるかで見当がつきます。

、、 がすべて素数になる はいくつありますか。

  • 無限にある
  • 1 個だけ
  • 2 個
__RESULT__

で割った余りを見ると、、、 の余りは 、、 がそろいます。必ず 1 つが の倍数なので、 のときだけ。、、 がその組です。

余りで大半を落とし、残った数個を手で確かめる。素数の問題は、この 2 段でほとんど片づきます。

出典

Prime triplet - Wikipedia
Mersenne prime - Wikipedia
Primzahl - Wikipedia
$p$、$p+2$、$p+4$ を $3$ で割ると、余りは $0$、$1$、$2$ が必ずそろいます。どれか 1 つが $3$ の倍数になるので、$3$ 自身が混じる $p=3$ 以外は消える。大きい素数を探しても意味がない、と最初の一手で分かります。$5$ 以上の素数が $6k \pm 1$ に限られること、$p$ と $p^2+2$ がともに素数なのは $p=3$ だけであること、$2^n-1$ が素数なら $n$ も素数だが逆は成り立たないこと、$n^4+4$ が因数分解で落ちることまで並べました。