问题

是否大于等于5的质数都能写成质数+质数+1?

回答
咱们来聊聊这个挺有意思的数学问题:是不是所有大于等于5的质数,都能写成两个质数相加再加1的形式?

这听起来像是个挺简单的问题,对吧?就是说,如果我有一个大于等于5的质数(比如7,11,13,17……),我总能找到两个质数(也包括它自己,当然也可能是别的质数),把它们加起来,再加上1,就能得到我想要的那个质数。

打个比方,比如我们要看质数7。能找到两个质数加起来等于6吗?6本身不是质数,但它可以是2+4(4不是质数),或者3+3(3是质数)。哦,对了,我们要的是质数+质数+1等于7。所以,我们需要找到两个质数相加等于6。3+3=6,而3本身是个质数,所以7 = 3 + 3 + 1。看,7可以写成这样!

再试试质数11。我们需要找到两个质数相加等于10。10可以怎么拆?可以是2+8(8不是质数),3+7(3和7都是质数!)。所以,11 = 3 + 7 + 1。又一个例子成功了!

再来个更大的,质数13。我们需要两个质数相加等于12。12可以拆成2+10(10不是质数),3+9(9不是质数),5+7(5和7都是质数!)。所以,13 = 5 + 7 + 1。又搞定一个!

到目前为止,好像都挺顺的,对吧?这让我有点怀疑是不是所有大于等于5的质数都能这么拆。数学这东西就是这样,一个猜想的产生,往往是从一些例子开始的。咱们现在做的,就是一种“归纳”的思路,不过数学证明可不能光靠几个例子来撑腰。

那么,这个问题背后的数学原理是什么呢?

这个问题实际上和一些著名的数论猜想有着千丝万缕的联系,比如哥德巴赫猜想。哥德巴赫猜想最常被提及的版本是:任何一个大于2的偶数,都可以表示成两个质数之和。 比如4 = 2+2,6 = 3+3,8 = 3+5,10 = 3+7 或 5+5。

咱们刚才的问题是:一个质数 P (P ≥ 5) 能不能写成 p1 + p2 + 1,其中 p1 和 p2 都是质数。
把这个式子稍微变一下,就是 P 1 = p1 + p2。

现在我们来看看 P1 的情况:
如果 P 是一个大于等于5的质数,那么 P 一定是奇数(除了2之外,所有质数都是奇数)。
一个奇数减去1,就变成了一个偶数。

所以,我们原来的问题“大于等于5的质数 P 能否写成质数+质数+1”就等价于“ P1 这个偶数,能否写成两个质数之和?”

而“P1 这个偶数,能否写成两个质数之和?”这个问题,不正是哥德巴赫猜想在讨论的吗?

所以,这个问题能不能成立,其实就“赌”在哥德巴赫猜想的正确性上了。

为什么我们不能轻易下结论说“是的,都能”?

虽然上面我们举了好几个例子都成功了,但数学上,尤其是数论领域,一个猜想的证明往往非常困难。哥德巴赫猜想已经被数学家们研究了几百年了,至今仍未被完全证明。数学家们已经验证了非常非常大的偶数,发现它们都能写成两个质数之和,但要证明对“所有”大于2的偶数都成立,这才是难点所在。

如果哥德巴赫猜想是对的: 那么对于任何大于2的偶数 N,都可以写成两个质数之和(N = p1 + p2)。
如果我们取 P 这样一个大于等于5的质数,那么 P 就是奇数。
P 1 就是一个偶数。
根据哥德巴赫猜想,这个偶数 P 1 可以写成两个质数 p1 和 p2 的和:P 1 = p1 + p2。
移项一下,就是 P = p1 + p2 + 1。
这不就是我们想要的结果吗?而且,这里的 p1 和 p2 都是质数。

那有没有可能 p1 或 p2 就是 2 呢?
如果 P 1 = 2 + p2,那么 P = 3 + p2。
如果 P 1 = p1 + 2,那么 P = p1 + 3。
因为 P ≥ 5,如果 P = 3 + p2,那么 p2 = P 3。当 P=5时,p2=2(质数),5=3+2+1。当P=7时,p2=4(不是质数)。但是P=7也能写成 7 = 3+3+1,这里的p1, p2都是3。
当 P 是大于3的质数时,P1 是一个大于等于4的偶数。根据哥德巴赫猜想,P1 可以写成两个质数之和。如果 P1 = 2 + p2,那么 p2 = P3。当P是大于3的质数时,P是奇数,P3也是偶数。偶数等于2加上一个质数?这也不是绝对不可能,比如 P1=4,4=2+2,那P=5,5=2+2+1。P1=6,6=3+3,那P=7,7=3+3+1。P1=8,8=3+5,那P=9(不是质数)。P1=10,10=3+7,那P=11,11=3+7+1。P1=12,12=5+7,那P=13,13=5+7+1。

我们再仔细看看 p1+p2 = P1。因为 P≥5,P是质数,所以P是奇数。P1是偶数。
如果 P1 = 2 + 2 = 4,那么 P=5。5 = 2+2+1。这里p1=2, p2=2,都是质数。
如果 P1 = 2 + 3 = 5 (这是奇数,不符合 P1 是偶数)。
如果 P1 = 3 + p2。如果 P1 是大于4的偶数,那p2 = P13 = P4。
如果 P1 = 5 + p2。那p2 = P15 = P6。
关键是 P1 这个偶数,无论如何都能表示成两个质数之和(这就是哥德巴赫猜想的威力),而这两个质数之和等于 P1,那么 P = (p1+p2) + 1 就成立了。

特殊情况:p1 或 p2 是不是一定不能是 P 本身?
如果我们想让 P = p1 + p2 + 1,如果其中一个质数 p1 就是 P,那么 P = P + p2 + 1,这就意味着 p2 = 1,1 不是质数,所以不可能。
如果 P = p1 + p2 + 1,而 p1 或 p2 恰好是 P 的某个因数(除了1和P),但 P 是质数,所以它的因数只有1和P。我们已经排除了p1或p2是P的情况。

所以,从理论上讲,如果哥德巴赫猜想被证明是正确的,那么这个说法就是对的。

但是,请注意这里的“如果”!

目前我们还没有完全证明哥德巴赫猜想。所以,尽管我们从大量的例子中看到了这个规律,并且理论上它依赖于一个非常被看好的猜想,但严格来说,我们还不能百分之百地肯定地说“所有大于等于5的质数都能写成质数+质数+1”。

总结一下:

1. 问题转换: 将“大于等于5的质数 P 能否写成质数+质数+1”的问题,等价于“P1 这个偶数能否写成两个质数之和”。
2. 与哥德巴赫猜想的关联: 这个问题与哥德巴赫猜想(任何大于2的偶数都可以表示成两个质数之和)是紧密相关的。
3. 理论支持: 如果哥德巴赫猜想为真,那么对于任何大于等于5的质数 P,P1 是一个偶数,它可以被写成两个质数 p1 和 p2 的和,即 P1 = p1 + p2,从而得出 P = p1 + p2 + 1。
4. 目前的状况: 哥德巴赫猜想尚未被完全证明,虽然已经得到了广泛的验证,但还没有数学上的绝对证明。因此,目前我们只能说“ 很有可能”是这样,或者说“ 根据(未被证明的)哥德巴赫猜想,是的”。

所以,这是一个非常漂亮的数学问题,它展示了不同数学概念之间的联系,以及一个强大猜想的重要性。不过,在数学的严谨世界里,在证明尘埃落定之前,我们总是要留一点“不确定性”的余地。

网友意见

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是哥德巴赫猜想的必要条件,而非充分条件

哥德巴赫猜想:任意大于等于4的偶数均可表示为两个质数之和。

充分必要条件:任意大于等于5的奇数均可表示为两个质数之和加1。

题主给出的命题:任意大于等于5的质数均可表示为两个质数之和加1。

由于任意大于等于5的质数必定是奇数,于是当哥德巴赫猜想成立时,题主给出的命题必定成立;但题主给出的命题成立时,哥德巴赫猜想未必成立。因此,题主给出的命题是哥德巴赫猜想的必要条件。

类似地,弱哥德巴赫猜想(任意大于7的奇数均可表示为三个奇质数之和)也是哥德巴赫猜想的必要条件,前者基本上已经被证明了(2013年有学者给出了完整证明,尽管数学界普遍接受了该证明,但是仍有待详细检查和验证)。

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