咱们来聊聊一个挺有意思的数学问题:是否存在一组连续的三个奇数,它们全都是素数,但排除掉大家都知道的(3, 5, 7)这一组呢?
答案是:不存在。
听起来有点绝对是吧?别急,我这就给你掰扯清楚为啥。
首先,咱们得对“奇数”和“素数”这两样东西有点儿基本概念。
奇数:就是那些不能被2整除的整数,比如 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13……
素数(质数):就是大于1的自然数,并且只能被1和它本身整除,不能被其他正整数整除。像 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19…… 记住,2 是唯一一个偶素数,其他素数都是奇数。
现在,我们要找的是三个连续的奇数。咱们假设这三个连续的奇数是:
第一个奇数:$n$
第二个奇数:$n + 2$
第三个奇数:$n + 4$
为什么是 $n, n+2, n+4$ 呢?因为连续的奇数之间都相差 2。比如,5 之后是 7 (5+2),7 之后是 9 (7+2)。
我们已经知道(3, 5, 7)这一组是符合条件的,它们是连续的三个奇数,而且都是素数。题目说了要排除这一组,所以我们找的这组,第一个奇数 $n$ 肯定要大于 3。
好,接下来就是关键了,我们要看看这三个连续的奇数 $n, n+2, n+4$ (其中 $n > 3$)能不能同时成为素数。
这里,我们得引入一个非常重要的数学工具——同余(或者说,我们可以理解为一种“除以某个数后的余数关系”)。我们主要来看这些数除以 3 的情况。
任何一个整数,当我们用 3 去除它时,它的余数只可能是 0, 1, 或 2。也就是说,任何一个整数,都可以写成以下三种形式之一:
1. $3k$ (可以被 3 整除,余数为 0)
2. $3k + 1$ (除以 3 余 1)
3. $3k + 2$ (除以 3 余 2)
其中 $k$ 是一个整数。
现在,我们把这三种情况分别应用到我们的三个连续奇数 $n, n+2, n+4$ 上。因为 $n$ 是大于 3 的奇数,所以 $n$ 本身不会是 3。
情况一:如果 $n$ 除以 3 的余数是 0。
这意味着 $n$ 可以被 3 整除。由于我们排除了 (3, 5, 7) 这组,所以 $n$ 必须大于 3。如果一个大于 3 的数能被 3 整除,那它肯定不是素数了(因为它除了 1 和它本身之外,还有 3 这个约数)。所以,在这种情况下,$n$ 不是素数,那么这三个数就不可能同时是素数。
情况二:如果 $n$ 除以 3 的余数是 1。
那么 $n$ 可以表示成 $3k + 1$ 的形式。
我们来看看 $n+2$ 和 $n+4$:
$n + 2 = (3k + 1) + 2 = 3k + 3 = 3(k + 1)$
看到了吗?$n+2$ 恰好是 3 的倍数!而且因为 $n > 3$,所以 $n+2$ 肯定也大于 3。一个大于 3 的数如果是 3 的倍数,那么它就不是素数了。
情况三:如果 $n$ 除以 3 的余数是 2。
那么 $n$ 可以表示成 $3k + 2$ 的形式。
我们再来看看 $n+2$ 和 $n+4$:
$n + 2 = (3k + 2) + 2 = 3k + 4 = 3k + 3 + 1 = 3(k + 1) + 1$
这个余数是 1。
$n + 4 = (3k + 2) + 4 = 3k + 6 = 3(k + 2)$
发现了什么?$n+4$ 又成了 3 的倍数!同样,因为 $n > 3$,所以 $n+4$ 也肯定大于 3。一个大于 3 的数如果是 3 的倍数,那它就不是素数了。
总结一下这三种情况:
无论我们选择的第一个奇数 $n$ (且 $n > 3$)除以 3 的余数是 0、1 还是 2,这三个连续的奇数 $n, n+2, n+4$ 中,总有一个数是 3 的倍数,并且这个数一定大于 3。
想想看:
如果 $n$ 是 3 的倍数(且 $n>3$),那么 $n$ 不是素数。
如果 $n$ 除以 3 余 1,那么 $n+2$ 是 3 的倍数(且 $n+2>3$),$n+2$ 不是素数。
如果 $n$ 除以 3 余 2,那么 $n+4$ 是 3 的倍数(且 $n+4>3$),$n+4$ 不是素数。
既然在这三个连续奇数中,总会有一个是大于 3 的 3 的倍数,那么它就不可能是素数了。因此,这三个连续的奇数就不可能同时是素数。
这就是为什么,除了(3, 5, 7)之外,再也找不到其他连续的三个奇数都是素数的情况了。这个性质是基于除以 3 的余数划分而来的一个必然结果,非常巧妙地限制了素数的分布方式。