Что такое непростое число
Простые и составные числа, определения, примеры, таблица простых чисел, решето Эратосфена
В статье рассматриваются понятия простых и составных чисел. Даются определения таких чисел с примерами. Приводим доказательство того, что количество простых чисел неограниченно и произведем запись в таблицу простых чисел при помощи метода Эратосфена. Будут приведены доказательства того, является ли число простым или составным.
Простые и составные числа – определения и примеры
Простые и составные числа относят к целым положительным. Они обязательно должны быть больше единицы. Делители также подразделяют на простые и составные. Чтобы понимать понятие составных чисел, необходимо предварительно изучить понятия делителей и кратных.
Составными числами называют целые числа, которые больше единицы и имеют хотя бы три положительных делителя.
Единица не является ни простым ни составным числом. Она имеет только один положительный делитель, поэтому отличается от всех других положительных чисел. Все целые положительные числа называют натуральными, то есть используемые при счете.
Простые числа – это натуральные числа, имеющие только два положительных делителя.
Составное число – это натуральное число, имеющее более двух положительных делителей.
Натуральные числа, которые не являются простыми, называют составными.
Таблица простых чисел
Для того, чтобы было проще использовать простые числа, необходимо использовать таблицу:
Рассмотрим теорему, которая объясняет последнее утверждение.
Наименьший положительный и отличный от 1 делитель натурального числа, большего единицы, является простым числом.
Простых чисел бесконечно много.
Видно, что может быть найдено любое простое число среди любого количества заданных простых чисел. Отсюда следует, что простых чисел бесконечно много.
Решето Эратосфена
Данный способ неудобный и долгий. Таблицу составить можно, но придется потратить большое количество времени. Необходимо использовать признаки делимости, которые ускорят процесс нахождения делителей.
Перейдем к формулировке теоремы.
Данное число простое или составное?
Перед решением необходимо выяснять, является ли число простым или составным. Зачастую используются признаки делимости. Рассмотрим это на ниже приведенных примере.
Доказать что число 898989898989898989 является составным.
Ответ: 11723 является составным числом.
Числа-близнецы
Все простые числа – нечётные, поэтому они никогда не идут друг за другом, то есть два простых числа всегда разделены, по крайней мере, одним числом, которое является чётным. Исключение составляют числа 2 и 3, так как 2 является единственным чётным простым числом.
В первой сотне натуральных чисел мы можем найти следующие пары чисел, отделённых друг от друга одним числом:
(3, 5), (5, 7), (11, 13), (17, 19), (29, 31), (41, 43), (59, 61) и (71, 73).
Такие простые числа называются «числами-близнецами» или «парными». Простые числа-близнецы по мере увеличения встречаются реже и реже. Но компьютерные вычисления показывают, что парные числа продолжают встречаться даже среди необыкновенно больших чисел. Самыми большими известными числами-близнецами (открытыми в 2016 г.) являются числа:
2 996 863 034 895 × 2 1290000 +1
Поиск простых чисел всегда занимал умы великих математиков. Самый первый и самый простой метод приписывают древнегреческому математику Эратосфену (273–194 до н.э.). Метод называется «решето Эратосфена».
Эратосфен
Греческий математик, астроном, географ, филолог и поэт. Основатель научной хронологии, автор работ по измерению окружности Земли.
На примере чисел от 1 до 100 покажем, как при помощи этого метода «просеиваются» простые числа.
Невычеркнутыми остались простые числа.
Таким образом, главной особенностью простых чисел, которая привлекала и привлекает математиков, является отсутствие правила, которое предсказывало бы их появление в последовательности натуральных чисел. Простые числа появляются абсолютно непредсказуемо. Между двумя соседними простыми числами может находиться всего лишь одно составное число, а могут находиться миллионы и миллиарды составных чисел. Рассмотрим оба случая.
В первой тысяче натуральных чисел находится всего 168 простых чисел. Можно предположить, что в каждой следующей тысяче количество простых чисел не будет сильно изменяться. Но это далеко не так. Например, среди чисел в промежутке между числами 10 100 и 10 100 +1000 существует только два простых числа. Более того, существуют еще бóльшие пробелы, например, 20 000 идущих подряд чисел, среди которых нет ни одного простого числа. Как такое возможно?
Множество натуральных чисел бесконечно, поэтому в нём встречаются сколь угодно длинные последовательности чисел, не содержащие ни одного простого числа.
Доказательство. Рассмотрим произведение первых пяти натуральных чисел:
1×2×3×4×5 =120
Примечание. Выражение 1x2x3x4x5 удобнее записать следующим образом — 5!, которое в математике называется «фaкториaл числа пять».Очевидно, что 5! это составное число.
Ясно также, что число 5! + 2 = 122 также не является простым. Оно делится на 2, так как оба слагаемых содержат множитель 2. Аналогично, число
5! + 3 =123
не является простым, оно делится на 3.
5! + 4 =124 и 5! + 5 =125
также не являются простыми,
так как делятся на 4 и 5 соответственно.
Итак, мы получили четыре последовательных числа — 122, 123, 124, 125, которые не являются простыми числами.
Аналогично можно составить ряд из ста (миллиона, триллиона) последовательных чисел, не содержащих простых чисел. А это значит, что по мере продвижения по ряду натуральных чисел, простые числа встречаются всё реже и реже.
Означает ли то, что простые числа встречаются всё реже и реже, то, что может наступить момент, когда простые числа больше не появятся? Нет, не означает. Античный математик Евклид очень элегантно и остроумно доказал, что множество простых чисел бесконечно.
Евклид
Множество простых чисел бесконечно, и каким бы длинным не был ряд составных чисел, в конце концов появится простое число.
Доказательство. Предположим, что нам известны только следующие простые числа:
Перемножим их и добавим к результату единицу:
2×3×5 + 1 =31
Ясно, что число 31 не делится ни на одно простое число (2, 3, 5). А это означает, что мы нашли новое простое число.
Если взять ряд последовательных простых чисел, перемножить их и добавить единицу, то полученное число не будет делиться ни на одно из исходных простых чисел.
Возьмём теперь следующий ряд простых чисел:
Перемножим их и добавим единицу:
2×3×5×7×11×13 + 1 = 30 031
Полученное число также не будет делиться ни на одно из исходных простых чисел. Но это ещё не значит, что оно простое.
Согласно «Основной теореме арифметики», которую сформулировал Евклид, «любое натуральное число может быть единственным образом разложено в произведение простых множителей».
Действительно, число 30 031 может быть разложено в произведение двух других простых чисел:
30 031 = 59 × 509
В этом случае мы также нашли два новых простых числа —
59 и 509
Каким бы ни был первоначальный ряд простых чисел, при их перемножении и добавлении единицы получится:
К сожалению, этот метод не позволяет найти все простые числа.
Непростые простые числа
Разделение натуральных чисел на простые и составные приписывают древнегреческому математику Пифагору. И если следовать Пифагору, то множество натуральных чисел можно разбить на три класса: <1>– множество, состоящее из одного числа – единицы; <2, 3, 5, 7, 11, 13, >– множество простых чисел; <4, 6, 8, 9, 10, 12, 14, 15, >– множество составных чисел.
Много различных загадок таит второе множество. Но сначала, давайте разберемся, что такое есть простое число. Открываем «Математический энциклопедический словарь» (Ю. В. Прохоров, издательство «Советская энциклопедия», 1988) и читаем:
«Простое число – целое положительное число, большее единицы, не имеющее других делителей, кроме самого себя и единицы: 2,3,5,7,11,13,
Для нахождения простых чисел от 1 до х служит известный с 3 в. до н. э. метод решета Эратосфена. Рассмотрение последовательности (*) простых чисел от 1 до х показывает, что с увеличением х она становится в среднем более редкой. Существуют сколь угодно длинные отрезки ряда натуральных чисел, среди которых нет ни одного простого числа (Теорема 4). В то же время встречаются такие простые числа, разность между которыми равна 2 (т. н. близнецы). До сих пор (1987) неизвестно, конечно или бесконечно множество таких близнецов. Таблицы простых чисел, лежащих в пределах первых 11 миллионов натуральных чисел, показывают наличие весьма больших близнецов (например, 10 006 427 и 10 006 429).
Он же доказал, что при
, где суммирование проводится по всем натуральным числам, а произведение берется по всем простым. Это тождество и его обобщения играют фундаментальную роль в теории распределения простых чисел. Исходя из этого, Л. Эйлер доказал, что ряд и произведение по простым р расходятся. Более того, Л. Эйлер установил, что простых чисел «много», ибо
, и в то же время, почти все натуральные числа являются составными, так как при.
Далее значительного успеха достиг П. Л. Чебышев, который в 1851-52 годах доказал, что имеются такие две постоянные а и А, что
Здесь имеет смысл привести доказательство некоторых теорем, приведенных в статье.
Лемма 1. Если НОД(a, b)=1, то существуют целые числа x, y такие, что.
Поскольку мы предположили, что d – наименьшее число в J, получили противоречие. Значит, а делится на d.
Точно также докажем, что b делится на d. Значит, d=1. Лемма доказана.
Теорема 1. Если числа а и b взаимно просты и произведение bx делится на а, то х делится на а.
Доказательство1. Мы должны доказать, что ах делится на b и НОД(a,b)=1, то х делится на b.
Доказательство 2. Рассмотрим множество J всех натуральных чисел z таких, что zc делится на b. Пусть d – наименьшее число в J. Легко видеть, что. Аналогично доказательству леммы 1 доказывается, что а делится на d и b делится на d
Лемма 2. Если числа q,p1,p2,,pn – простые и произведение делится на q, то одно из чисел pi равно q.
Точно также от n=3 мы можем перейти n=4, затем к n=5, и вообще, предполагая, что n=k утверждение леммы доказано, мы можем легко доказать его для n=k+1. Это убеждает нас, что лемма верна для всех n.
Основная теорема арифметики. Каждое натуральное число разлагается на простые множители единственным образом.
Доказательство. Предположим, что имеется два разложения числа а на простые множители:
Так как правая часть делится на q1, то и левая часть равенства должна делиться на q1. Согласно лемме 2, одно из чисел равно q1. Сократим обе части равенства на q1.
Проведем такое же рассуждение для q2, затем для q3,, для qi. В конце концов, справа сократятся все множители и останется 1. Естественно, и слева не останется ничего, кроме единицы. Отсюда мы заключаем, что два разложения и могут различаться только порядком сомножителей. Теорема доказана.
Теорема Евклида. Ряд простых чисел бесконечен.
Доказательство. Предположим, что ряд простых чисел конечен, и обозначим последнее простое число буквой N. Составим произведение
Прибавим к нему 1. Получим:
Теорема 4. Участки составных чисел между простыми бывают любой длины. Мы сейчас докажем, что ряд состоит из n последовательных составных чисел.
Числа эти идут непосредственно друг за другом в натуральном ряду, так как каждое следующее на 1 больше предыдущего. Остается доказать, что все они составные.
Второе число состоит из двух слагаемых, каждое из которых кратно 3. Значит, это число составное.
Подобным же образом устанавливаем, что следующее число кратно 4 и т. д. Иначе говоря, каждое число нашего ряда содержит множитель, отличный от единицы и его самого; оно является, следовательно, составным. Теорема доказана.
Изучив доказательства теорем, продолжим рассмотрение статьи. В ее тексте был упомянут метод решета Эратосфена как способ нахождения простых чисел. Прочтем об этом методе из того же словаря:
«Эратосфена решето – метод, разработанный Эратосфеном и позволяющий отсеивать составные числа из натурального ряда. Сущность решета Эратосфена заключается в следующем. Зачеркивается единица. Число два – простое. Зачеркиваются все натуральные числа, делящиеся на 2. Число 3 – первое незачеркнутое число будет простым. Далее зачеркиваются все натуральные числа, которые делятся на 3. Число 5 – следующее незачеркнутое число – будет простым. Продолжая аналогичные вычисления, можно найти сколь угодно длинный отрезок последовательности простых чисел. Решето Эратосфена как теоретический метод исследования теории чисел развит В. Бруном (1919).
Вот наибольшее число, о котором в настоящее время известно, что оно просто:
Это число имеет около семисот десятичных знаков. Вычисления, с помощью которых было установлено, что это число является простым, проводилось на современных вычислительных машинах.
Далее в статье Математического энциклопедического словаря кратко сказано о Дзета-функции. Найдем там же статью об этой функции:
При σ>1 справедливо представление в виде произведения Эйлера:
(2) где р пробегает все простые числа.
Тождественность ряда (1) и произведения (2) представляет собой одно из основных свойств дзета-функции. Оно позволяет получить различные соотношения, связывающие дзета-функцию с важнейшими теоретико-числовыми функциями. Поэтому дзета-функция играет большую роль в теории чисел.
Дзета-функция была введена как функция действительного переменного Л. Эйлером (1737, опубл. 1744), который указал ее расположение в произведение (2). Затем дзета-функция рассматривалась П. Дирихле и особенно успешно П. Л. Чебышевым в связи с изучением закона распределения простых чисел. Однако наиболее глубокие свойства дзета-функции были обнаружены после работ Б. Римана, впервые в 1859 рассмотревшего дзета-функцию как функцию комплексного переменного, им же введено название «дзета-функция» и обозначение «»».
Но возникает вопрос: какое практическое применение существует для всех этих работ о простых числах? Действительно, почти никакого применения для них нет, но существует одна область, где простые числа и их свойства применяются по сей день. Это – криптография. Здесь простые числа применяются в шифровальных системах без передачи ключей.
К сожалению, это все, что известно о простых числах. Также остается еще множество загадок. Например, неизвестно, бесконечно ли множество простых чисел, представимых как два квадрата.
«НЕПРОСТЫЕ ПРОСТЫЕ ЧИСЛА».
1. 168 мест первой тысячи натуральных чисел занимают простые числа. Из них 16 чисел – палиндромические – каждое равно обращенному:11, 101, 131, 151, 181, 191, 313, 353, 373, 383, 727, 757, 787, 797, 919, 929.
Четырехзначных простых чисел всего 1061, и ни одно из них не является палиндромическим.
Заметим, что автор в этой статье допустил ошибку. Числа вида и не могут быть простыми, так как по признаку делимости все числа, у которых сумма цифр делится на 3, сами делятся на 3.
Видно, что сумма цифр чисел и делится на 3, следовательно эти числа сами тоже делятся на 3.
2. В первой тысяче чисел есть пять «квартетов», состоящих из подряд идущих простых чисел, последние цифры которых образуют последовательность 1, 3, 7, 9: (11, 13, 17, 19), (101, 103, 107, 109), (191, 193, 197, 199), (211, 223, 227, 229), (821, 823, 827, 829).
Сколько же таких квартетов есть среди n-значных простых чисел при n›3?
С помощью написанной мною программы был найден квартет, пропущенный авторами: (479, 467, 463, 461) и квартеты для n = 4, 5, 6. При n = 4 существуют 11 квартетов
3. Стайка из девяти простых чисел: 199, 409, 619, 829, 1039, 1249, 1459, 1669, 1879 – привлекательна не только тем, что она представляет собой арифметическую прогрессию с разностью 210, но и способностью разместиться в девяти клетках так, что образуется магический квадрат с константой, равной разности двух простых чисел: 3119 – 2:
Следующий, десятый член рассматриваемой прогрессии 2089 – также простое число. Если удалить из стайки число 199, но включить 2089, то и в этом составе стайка может образовать магический квадрат – тема для поиска.
Следует отметить, что существуют и другие магические квадраты, состоящие из простых чисел :
1847 6257 6197 3677 1307 1877 2687
2267 1427 5987 5927 1667 2027 4547
2897 947 2357 4517 3347 5867 3917
3557 4157 4397 3407 2417 2657 3257
4337 5717 3467 2297 4457 1097 2477
4817 4767 827 887 5147 5387 1997
4127 557 617 3137 5507 4937 4967
Предлагаемый квадрат любопытен поскольку
1. Он является магическим квадратом 7х7;
2. Он содержит в себе магический квадрат 5х5;
3. Магический квадрат 5х5 содержит в себе магический квадрат 3х3;
4. Все эти квадраты имеют одно общее центральное число – 3407;
5. Все 49 чисел, входящие в квадрат 7х7, оканчиваются цифрой 7;
7. Каждое из 49 чисел, входящих в квадрат 7х7, представимо в виде 30n + 17.
Использованные программы были написаны мной на языке программирования Dev-С++ и их тексты я привожу в приложении (см. файлы с расширением. срр). Кроме всего перечисленного, я написал программу, раскладывающую последовательные натуральные числа на простые множители (см. Делители 1. срр) и программу, которая раскладывает на простые множители только введенное число (см. Делители 2. срр). Поскольку эти программы в скомпилированном виде занимают слишком много места, то приведены только их тексты. Однако все желающие могут скомпилировать их при наличии подходящей программы.
БИОГРАФИИ УЧЕНЫХ, ЗАНИМАВШИХСЯ ПРОБЛЕМОЙ ПРОСТЫХ ЧИСЕЛ
(около 330 до н. э. – около 272 до н. э. )
О жизни самого знаменитого математика Античности сохранилось очень мало достоверных сведений. Полагают, что он учился в Афинах, чем и объясняется его блестящее владение геометрией, разработанной школой Платона. Однако, судя по всему, он не был знаком с трудами Аристотеля. Преподавал в Александрии, где заслужил высокую оценку своей педагогической деятельностью во время царствования Птолемея I Сотера. Существует предание о том, что этот царь потребовал открыть ему способ достижения быстрых успехов в математике, на что Евклид ответил, что в геометрии нет царских путей (аналогичную историю, впрочем, также рассказывают про Менхема, которого якобы о том же спросил Александр Великий). Традиция сохранила воспоминание о Евклиде как о благожелательном и скромном человеке. Евклид – автор трактатов на различные темы, но его имя ассоциируется главным образом с одним из трактатов, носящим название «Начала». Речь в нем идет о собрании работ математиков, трудившихся до него (известнейшим из них был Гиппократ из Коса), результаты которых он довел до совершенства благодаря своей способности к обобщению и трудолюбию.
(Базель, Швейцария 1707 – Санкт-Петербург, 1783)
Математик, механик и физик. Родился в семье небогатого пастора Пауля Эйлера. Образование получил сначала у отца, а в 1720–24 в Базельском университете, где слушал лекции по математике И. Бернулли.
В конце 1726 Эйлер был приглашен в Петербургскую АН и в мае 1727 приехал в Петербург. В только что организованной академии Эйлер нашёл благоприятные условия для научной деятельности, что позволило ему сразу же приступить к занятиям математикой и механикой. За 14 лет первого петербургского периода жизни Эйлер подготовил к печати около 80 трудов и опубликовал свыше 50. В Петербурге он изучил русский язык.
Эйлер участвовал во многих направлениях деятельности Петербургской АН. Он читал лекции студентам академического университета, участвовал в различных технических экспертизах, работал над составлением карт России, написал общедоступное «Руководство к арифметике» (1738–40). По специальному поручению академии Эйлер подготовил к печати «Морскую науку» (1749) – фундаментальный труд по теории кораблестроения и кораблевождения.
В 1741 Эйлер принял предложение прусского короля Фридриха II переехать в Берлин, где предстояла реорганизация АН. В Берлинской АН Эйлер занял пост директора класса математики и члена правления, а после смерти её первого президента П. Мопертюи несколько лет (с 1759) фактически руководил академией. За 25 лет жизни в Берлине он подготовил около 300 работ, среди них ряд больших монографий.
Живя в Берлине, Эйлер не переставал интенсивно работать для Петербургской АН, сохраняя звание её почётного члена. Он вёл обширную научную и научно-организационную переписку, в частности переписывался с М. Ломоносовым, которого высоко ценил. Эйлер редактировал математический отдел русского академического научного органа, где опубликовал за это время почти столько же статей, сколько в «Мемуарах» Берлинской АН. Он деятельно участвовал в подготовке русских математиков; в Берлин командировались для занятий под его руководством будущие академики С. Котельников, С. Румовский и М. Софронов. Большую помощь Эйлер оказывал Петербургской АН, приобретая для неё научную литературу и оборудование, ведя переговоры с кандидатами на должности в академии и т. д.
17(28) июля 1766 Эйлер вместе с семьей вернулся в Петербург. Несмотря на преклонный возраст и постигшую его почти полную слепоту, он до конца жизни продуктивно работал. За 17 лет вторичного пребывания в Петербурге им было подготовлено около 400 работ, среди них несколько больших книг. Эйлер продолжал участвовать и в организационной работе академии. В 1776 он был одним из экспертов проекта одноарочного моста через Неву, предложенного И. Кулибиным, и из всей комиссии один оказал широкую поддержку проекту.
Заслуги Эйлера как крупнейшего учёного и организатора научных исследований получили высокую оценку ещё при его жизни. Помимо Петербургской и Берлинской академий, он состоял членом крупнейших научных учреждений: Парижской АН, Лондонского королевского общества и других.
Одна из отличительных сторон творчества Эйлера – его исключительная продуктивность. Только при его жизни было опубликовано около 550 его книг и статей (список трудов Эйлера содержит примерно 850 названий). В 1909 Швейцарское естественнонаучное общество приступило к изданию полного собрания сочинений Эйлера, которое завершено в 1975; оно состоит из 72 томов. Большой интерес представляет и колоссальная научная переписка Эйлера (около 3000 писем), до сих пор опубликована лишь частично.
В «Механике» Эйлер впервые изложил динамику точки при помощи математического анализа: свободное движение точки под действием различных сил как в пустоте, так и в среде, обладающей сопротивлением; движение точки по данной линии или по данной поверхности; движение под действием центральных сил. В 1744 он впервые корректно сформулировал механический принцип наименьшего действия и показал его первые применения. В «Теории движения твёрдого тела» Эйлер разработал кинематику и динамику твёрдого тела и дал уравнения его вращения вокруг неподвижной точки, положив начало теории гироскопов. В своей теории корабля Эйлер внёс ценный вклад в теорию устойчивости. Значительны открытия Эйлера в небесной механике (например, в теории движения Луны), механике сплошных сред (основные уравнения движения идеальной жидкости в форме Эйлера и в т. н. переменных Лагранжа, колебания газа в трубах и пр. ). В оптике Эйлер дал (1747) формулу двояковыпуклой линзы, предложил метод расчёта показателя преломления среды. Эйлер придерживался волновой теории света. Он считал, что различным цветам соответствуют разные длины волн света. Эйлер предложил способы устранения хроматических аберрации линз и дал методы расчёта оптических узлов микроскопа. Обширный цикл работ, начатый в 1748, Эйлер посвятил математической физике: задачам о колебании струны, пластинки, мембраны и др. Все эти исследования стимулировали развитие теории дифференциальных уравнений, приближённых методов анализа, спец. функций, дифференциальной геометрии и т. д. Многие математические открытия Эйлера содержатся именно в этих работах.
Главным делом Эйлера как математика явилась разработка математического анализа. Он заложил основы нескольких математических дисциплин, которые только в зачаточном виде имелись или вовсе отсутствовали в исчислении бесконечно малых И. Ньютона, Г. Лейбница, братьев Бернулли. Так, Эйлер первый ввёл функции комплексного аргумента и исследовал свойства основных элементарных функций комплексного переменного (показательные, логарифмические и тригонометрические функций); в частности, он вывел формулы, связывающие тригонометрические функции с показательной. Работы Эйлера в этом направлении положили начало теории функций комплексного переменного.
Эйлер явился создателем вариационного исчисления, изложенного в работе «Метод нахождения кривых линий, обладающих свойствами максимума, либо минимума. » (1744). Метод, с помощью которого Эйлер в 1744 вывел необходимое условие экстремума функционала – уравнение Эйлера, явился прообразом прямых методов вариационного исчисления XX в. Эйлер создал как самостоятельную дисциплину теорию обыкновенных дифференциальных уравнений и заложил основы теории уравнений с частными производными. Здесь ему принадлежит огромное число открытий: классический способ решения линейных уравнений с постоянными коэффициентами, метод вариации произвольных постоянных, выяснение основных свойств уравнения Риккати, интегрирование линейных уравнений с переменными коэффициентами с помощью бесконечных рядов, критерии особых решений, учение об интегрирующем множителе, различные приближённые методы и ряд приёмов решения уравнений с частными производными. Значительную часть этих результатов Эйлер собрал в своём «Интегральном исчислении».
Эйлер обогатил также дифференциальное и интегральное исчисление в узком смысле слова (например, учение о замене переменных, теорема об однородных функциях, понятие двойного интеграла и вычисление многих специальных интегралов). В «Дифференциальном исчислении» Эйлер высказал и подкрепил примерами убеждение в целесообразности применения расходящихся рядов и предложил методы обобщённого суммирования рядов, предвосхитив идеи современной строгой теории расходящихся рядов, созданной на рубеже XIX и XX вв. Кроме того, Эйлер получил в теории рядов множество конкретных результатов. Он открыл т. н. формулу суммирования Эйлера – Маклорена, предложил преобразование рядов, носящее его имя, определил суммы громадного количества рядов и ввёл в математику новые важные типы рядов (например, тригонометрические ряды). Сюда же примыкают исследования Эйлера по теории непрерывных дробей и других бесконечных процессов.
Эйлер является основоположником теории специальных функций. Он первым начал рассматривать синус и косинус как функции, а не как отрезки в круге. Им получены почти все классического разложения элементарных функций в бесконечные ряды и произведения. В его трудах создана теория γ-функции. Он исследовал свойства эллиптических интегралов, гиперболических и цилиндрических функций, ζ-функции, некоторых θ-функций, интегрального логарифма и важных классов специальных многочленов.
По замечанию П. Чебышева, Эйлер положил начало всем изысканиям, составляющим общую часть теории чисел. Так, Эйлер доказал ряд утверждений, высказанных П. Ферма (например, малая теорема Ферма), разработал основы теории степенных вычетов и теории квадратичных форм, обнаружил (но не доказал) квадратичный закон взаимности и исследовал ряд задач диофантова анализа. В работах о разбиении чисел на слагаемые и по теории простых чисел Эйлер впервые использовал методы анализа, явившись тем самым создателем аналитической теории чисел. В частности, он ввёл ζ-функцию и доказал т. н. тождество Эйлера, связывающее простые числа со всеми натуральными.
Велики заслуги Эйлера и в других областях математики. В алгебре ему принадлежат работы о решении в радикалах уравнений высших степеней и об уравнениях с двумя неизвестными, а также т. н. тождество Эйлера о четырёх квадратах. Эйлер значительно продвинул аналитическую геометрию, особенно учение о поверхностях второго порядка. В дифференциальной геометрии он детально исследовал свойства геодезических линий, впервые применил натуральные уравнения кривых, а главное, заложил основы теории поверхностей. Он ввёл понятие главных направлений в точке поверхности, доказал их ортогональность, вывел формулу для кривизны любого нормального сечения, начал изучение развёртывающихся поверхностей и т. д. ; в одной посмертно опубликованной работе (1862) он частично предварил исследования К. Гаусса по внутренней геометрии поверхностей. Эйлер занимался и отдельными вопросами топологии и доказал, например, важную теорему о выпуклых многогранниках. Эйлера-математика нередко характеризуют как гениального «вычислителя». Действительно, он был непревзойдённым мастером формальных выкладок и преобразований, в его трудах многие математические формулы и символика получили современный вид (например, ему принадлежат обозначения для e и π). Однако Эйлер также внёс в науку ряд глубоких идей, которые ныне строго обоснованы и служат образцом глубины проникновения в предмет исследования.
По выражению П. Лапласа, Эйлер явился учителем математиков второй половины XVIII в.
ДИРИХЛЕ (DIRICHLET) ПЕТЕР ГУСТАВ
(Дюрен, ныне Германия, 1805 – Геттинген, там же, 1859)
Учился в Париже, поддерживал дружеские отношения с выдающимися математиками, в частности с Фурье. По получению ученой степени был профессором университетов Бреслау (1826 – 1828), Берлина (1828 – 1855) и Геттингена, где стал заведовать кафедрой математики после смерти ученого Карла Фридриха Гаусса. Его самый выдающийся вклад в науку касается теории чисел, в первую очередь – изучения серий. Это позволило ему развить теорию серий, предложенную Фурье. Создал собственную версию доказательства теоремы Ферма, использовал аналитические функции для решения арифметических задач и ввел критерии конвергенции применительно к сериям. В области математического анализа улучшил дефиницию и понятие функции, в области теоретической механики сосредоточил внимание на изучение устойчивости систем и на Ньютоновой концепции потенциала.
ЧЕБЫШЕВ ПАФНУТИЙ ЛЬВОВИЧ
Российский математик, создатель петербургской научной школы, академик Петербургской АН (1856). Труды Чебышева положили начало развитию многих новых разделов математики.
Наиболее многочисленны работы Чебышева в области математического анализа. Ему была, в частности, посвящена диссертация на право чтения лекций, в которой Чебышев исследовал интегрируемость некоторых иррациональных выражений в алгебраических функциях и логарифмах. Интегрированию алгебраических функций Чебышев посвятил также ряд других работ. В одной из них (1853) была получена известная теорема об условиях интегрируемости в элементарных функциях дифференциального бинома. Важное направление исследований по математическому анализу составляют его работы по построению общей теории ортогональных многочленов. Поводом к её созданию явилось параболическое интерполирование способом наименьших квадратов. К этому же кругу идей примыкают исследования Чебышева по проблеме моментов и по квадратурным формулам. Имея в виду сокращение вычислений, Чебышев предложил (1873) рассматривать квадратурные формулы с равными коэффициентами (приближённое интегрирование). Исследования по квадратурным формулам и по теории интерполирования были тесно связаны с задачами, которые ставились перед Чебышевым в артиллерийском отделении военно-учёного комитета.
В теории вероятностей Чебышеву принадлежит заслуга систематического введения в рассмотрение случайных величин и создание нового приёма доказательства предельных теорем теории вероятностей – т. н. метода моментов (1845, 1846, 1867, 1887). Им был доказан больших чисел закон в весьма общей форме; при этом его доказательство поражает своей простотой и элементарностью. Исследование условий сходимости функций распределения сумм независимых случайных величин к нормальному закону Чебышев не довёл до полного завершения. Однако посредством некоторого дополнения методов Чебышева это удалось сделать А. А. Маркову. Без строгих выводов Чебышев наметил также возможность уточнений этой предельной теоремы в форме асимптотических разложений функции распределения суммы независимых слагаемых по степеням n¾1/2, где n – число слагаемых. Работы Чебышева по теории вероятностей составляют важный этап в её развитии; кроме того, они явились базой, на которой выросла русская школа теории вероятностей, вначале состоявшая из непосредственных учеников Чебышева.
РИМАН ГЕОРГ ФРИДРИГ БЕРНХАРД
Немецкий математик. В 1846 поступил в Гёттингенский университет: слушал лекции К. Гаусса, многие идеи которого были им развиты позже. В 1847–49 слушал лекции в Берлинском университете; в 1849 вернулся в Гёттинген, где сблизился с сотрудником Гаусса физиком В. Вебером, который пробудил в нём глубокий интерес к вопросам математического естествознания.
В 1851 защитил докторскую диссертацию «Основы общей теории функций одной комплексной переменной». С 1854 приват-доцент, с 1857 профессор Гёттингенского университета.
Работы Римана оказали большое влияние на развитие математики 2-й половины XIX в. и в XX в. В докторской диссертации Риман положил начало геометрическому направлению теории аналитических функций; им введены так называемые римановы поверхности, важные при исследованиях многозначных функций, разработана теория конформных отображений и даны в связи с этим основные идеи топологии, изучены условия существования аналитических функций внутри областей различного вида (так называемый принцип Дирихле) и т. д. Разработанные Риманом методы получили широкое применение в его дальнейших трудах по теории алгебраических функций и интегралов, по аналитической теории дифференциальных уравнений (в частности, уравнений, определяющих гипергеометрические функции), по аналитической теории чисел (например, Риманом указана связь распределения простых чисел со свойствами ζ-функции, в частности с распределением её нулей в комплексной области – так называемая гипотеза Римана, справедливость которой ещё не доказана) и т. д.
В ряде работ Риман исследовал разложимость функций в тригонометрические ряды и в связи с этим определил необходимые и достаточные условия интегрируемости в смысле Римана, что имело значение для теории множеств и функций действительного переменного. Риман также предложил методы интегрирования дифференциальных уравнений с частными производными (например, с помощью так называемых инвариантов Римана и функции Римана).
В знаменитой лекции 1854 «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» (1867) Риман дал общую идею математического пространства (по его словам, «многообразия»), включая функциональные и топологические пространства. Он рассматривал здесь геометрию в широком смысле как учение о непрерывных n-мерных многообразиях, т. е. совокупностях любых однородных объектов и, обобщая результаты Гаусса по внутренней геометрии поверхности, дал общее понятие линейного элемента (дифференциала расстояния между точками многообразия), определив тем самым то, что называется финслеровыми пространствами. Более подробно Риман рассмотрел так называемые римановы пространства, обобщающие пространства геометрий Евклида, Лобачевского и эллиптической геометрии Римана, характеризующиеся специальным видом линейного элемента, и развил учение об их кривизне. Обсуждая применение своих идей к физическому пространству, Риман поставил вопрос о «причинах метрических свойств» его, как бы предваряя то, что было сделано в общей теории относительности.
Предложенные Риманом идеи и методы раскрыли новые пути в развитии математики и нашли применение в механике и общей теории относительности. Ученый умер в 1866 от туберкулёза.