لقد عرّف العلماء العدد الأولي بأنه أي عدد أكبر من الواحد و عوامله الأولية الموجبة هي الواحد و العدد نفسه ، و عكس هذا هو العدد المركب (Composite ) و هو العدد الذي يمكن تحليله إلى عوامل أصغر منه ، فعلى سبيل المثال ، العدد 10 يمكن تجزئته إلى : 2 × 5 و بالتالي هو عدد مركب و ليس أولي ، و لكن العدد 7 لا يمكن تجزئته و بالتالي هو عدد أولي ، و أول ستة أعداد أولية هي : 2 ، 3 ، 5 ، 7 ، 11 ، 13 .
يعتبر الإغريق هم أول من درس الأعداد الأولية و خصائصها ، حيث كان رياضيو مدرسة فيثاغورس ( 500 ق.م إلى 300 ق.م ) مهتمين بالأعداد و خصائصها السحرية و المنطق العددي ، فقد فهموا فكرة الأولية ، و كانت الأعداد التامة ( Pefect ) ، و الأعداد المتحابة ( Amicable ) موضع اهتمامهم .
لقد أثبت العلماء الإغريق القدامى في حوالي 300 ق.م أن هناك عدد لا نهائي من الأعداد الأولية ، فقد أثبت إقليدس ذلك كما في الكتاب الرابع من العناصر و يعد اثباته هذا من الإثباتات الأولى التي استخدمت البرهنة بالتناقض لإثبات نتيجة ما ، كما أثبت العلماء الإغريق أيضا أن الأعداد الأولية تتوزع بطريقة غير منتظمة ( فمن الممكن أن تجد فراغات مطلقة كبيرة بين أي عددين أوليين متتاليين و من الممكن لا )
و قدم إقليدس أيضا برهان على النظرية الأساسية في الحساب التي تقول : أي عدد صحيح يمكن كتابته كحاصل ضرب أعداد أولية ، أثبت إقليدس أيضا أنه إذا كان العدد أولي فإن العدد يكون تاما ، و قد استطاع الرياضي أويلر( Euler - 1747 ) أن يثبت أن جميع الأعداد التامة الزوجية هي من هذه الصورة أي ، و لا يعرف لحد الآن هل يوجد عدد تام فردي ، و في حوالي (200ق.م) اكتشف الإغريقي إيراتوستين خوارزمية لحساب الأعداد الأولية تسمى غربال إيراتوستين .
بعد ذلك كان هناك فراغ كبير في تاريخ الأعداد الأولية فيما يسمى بالعصور المظلمة ، و لكن التطور الهام التالي تم بواسطة فيرمات مع بداية القرن السابع عشر حيث أثبت ظنية ألبرت جيرالد التي تقول : أن كل عدد أولي من الصورة يمكن كتابته بطريقة واحدة كحاصل جمع مربعين ، و كان بالإمكان اثبات إمكانية كتابة أي عدد كحاصل جمع أربع مربعات ، كما اكتشف طريقة جديدة لتحليل الأعداد الكبيرة و التي أثبتها بتحليل العدد 2027651281=44041×46161 .
كذلك أثبت ما يعرف بمبرهنة فيرمات الصغيرة التي تقول أنه إذا كان p عدد أولي فإنه لأي عدد صحيح a يكون :
p modulo ap = a أو ap-1 º 1 (mod p) .
و قد أثبتت هذه النظرية نصف ما يعرف بالفرضية الصينية التي وضعت قبل 2000 سنة و التي تقول أن أي عدد صحيح n يكون أوليا إذا و فقط إذا كان العدد يقبل القسمة على n. النصف الآخر من هذه الفرضية خاطئ حتى الآن فعلى سبيل المثال العدد: يقبل القسمة على 341 رغم أن العدد 341 مركب ( 341=31×11).
و تعتبر مبرهنة فيرمات الصغيرة هذه هي الأساس لكثير من النتائج في نظرية الأعداد ، و كذلك هي الأساس لعدة طرق لمعرفة الأعداد الأولية و التي ما زالت تستخدم حتى الآن في الحواسيب الإلكترونية .
و قد وافق فيرمات في ما توصل إليه مع رياضيي عصره ، و بالخصوص مع مونك مارين ميرسين ( Mersenne ) ففي أحد رسائله إلى ميرسين تحدث فيرمات عن حدسه في أن العدد يكون أوليا دائما عندما يكون n من قوى العدد 2 ، مثل ( 1 ، 2 ، 4، 8 ، 16 ، ..... ) و قد تحقق من ذلك بالنسبة للأعداد ( n = 1 , 2 , 4 , 8 , 16 ) ، و أوضح بأنه إذا كانت n ليس من قوى 2 فالنتيجة خاطئة .
و الأعداد من هذه الصورة سميت بأعداد فيرمات ، و قد كان فيرمات مخطئا في حدسه هذا و لم يتم إثبات ذلك إلا بعد أكثر من 100 سنة و ذلك عندما أثبت أويلر أن العدد :
= 4294967297 يقبل القسمة على 641 و بالتالي فهو ليس أوليا .
أما بالنسبة للأعداد من الصورة فقد استدعت انتباه الرياضيين لسهولة إثبات أنه إذا لم يكن n عددا أوليا ، فيجب أن يكون العدد مركبا ، و قد سميت هذه الأعداد بأعداد ميرسين لأنه اهتم بها كثيرا و قام بدراستها ، و في الحقيقة أن الأعداد من الصورة عندما يكون n
أوليا ليست دائما تكون أعدادا أولية ، فعلى سبيل المثال العدد
( = 2047 = 23 × 89 عددا مركبا ) .
و سأخصص الفصل القادم لأعداد ميرسين الأولية ، حيث أنها ظلت هذه الصورة لعدة قرون تقدم - و إلى الآن - أكبر الأعداد الأولية المعروفة ، فقد تم إثبات أن العدد M19 أولي بواسطة كاتالدي ( Cataldi ) في 1588 ، و ظل هذا العدد هو أكبر عدد أولي لمدة 200 سنة حتى أثبت
أويلر أن العدد M31 هو أولي ، و قد ظل هذا العدد الأولي الأخير هو الأكبر لقرن آخر حتى أثبت ليوكاس ( Lucas ) أن العدد M127 ( المكون من 39 رقما ) أوليا و هذا العدد ظل هو الأكبر حتى ظهور الحواسيب الإلكترونية ، حيث أثبت روبنسون ( Robinson ) في 1952 و باستخدام الحواسيب الأولى أن الأعداد M521 ، M607 ، M1279 ، M2203 ، M2281 أولية ، و كان حتى 1998 قد تم اكتشاف 37 عددا أوليا من أعداد ميرسين ، و كان أكبرها هو العدد M3021377 و الذي يتكون من 909521 رقما ، و سيأتي ذكره لاحقا .
كان لأعمال أويلر وقع و أثر كبير في نظرية الأعداد بشكل عام و في الأعداد الأولية بشكل خاص ، حيث تمم مبرهنة فيرمات الصغيرة و وسعها ليقدم دالة فاي لأويلر ، و كما أشرنا في الأعلى استطاع تحليل عدد فيرمات الخامس كما وجد في تحليله ذلك 60 زوجا من الأعداد المتحابة ، و وضع ما جاء بعد ذلك ( و لم يستطع اثباته ) و هو ما عرف بقانون التعاكس التربيعي .
و كان أويلر أول من أدرك إمكانية دراسة نظرية الأعداد باستخدام أدوات التحليل و الذي أدى إلى اكتشاف مادة التحليل العددي ، و قد استطاع أويلر إثبات أنه ليست المتسلسلة التوافقية ( Harmonic Series ) فقط متباعدة ( divergent ) بل أن المتسلسلة :
1/2+1/3+1/5+1/7+1/11+... المكونة من مجموع مقلوب الأعداد الأولية أيضا متباعدة ( divergent ) ، و مجموع الحدود n في المتسلسلة التوافقية يبلغ تقريبا log(n) ، بينما المتسلسلة السابقة تتباعد بشكل بطيء إلى log(log(n)) ، و هذا يعني أن مجموع مقلوبات ( reciprocals ) كل الأعداد الأولية التي تم اكتشافها حتى بالحواسيب الفائقة يساوي تقريبا 4 فقط ، لكن مع ذلك المتسلسلة تبقى تتباعد إلى ∞ .
أما بالنسبة لانتشار الأعداد الأولية و كثافتها فمن النظرة الأولى يبدو أن الأعداد الأولية تنتشر بطريقة عشوائية بعض الشيء بين الأعداد الصحيحة ، فعلى سبيل المثال في 100 عدد السابقة لـ 10000000 يوجد 9 أعداد أولية ، بينما في 100 عدد التالية يوجد عددان أوليان فقط .
مهما يكن في الأعداد الأولية الكبيرة فإن الطريقة التي تنتشر فيها الأعداد الأولية هي منتظمة جدا ، فقد قام ليجاندر ( Legendre ) و جاوس ( Gauss ) بإجراء حسابات موسعة في كثافة الأعداد الأولية .
لقد أخبر جاوس صديقه أنه لو حصل على 15 دقيقة و هو غير مشغول فسوف يقضيها في حساب الأعداد الأولية الأطفالية ( أول 1000 عدد أولي ) ، و يذكر جاوس أنه حتى نهاية حياته قد حسب ثلاثة ملايين عدد أولي .
كلا من ليجاندر و جاوس وصلا إلى استنتاج و هو أنه لأي عدد n كبير ، فإن كثافة الأعداد الأولية القريبة من هذه العدد تساوي تقريبا 1/log(n) ، و أعطى ليجاندر تقديرا لـ p(n) ( عدد الأعداد الأولية الأقل من n ) حيث وجد : p(n)=n/(log(n)-1.08366 ، في حين أن جاوس قدم تقديرا على صورة تكامل لوغاريتمي هو :
p(n)=∫(1/log(t))dt حيث أن مدى التكامل من 2 إلى n .
و تسمى العبارة بأن كثافة الأعداد الأولية هي 1 /log(n) بمبرهنة الأعداد الأولية ، و قد كانت هناك عدة محاولات لإثباتها تواصلت خلال القرن التاسع عشر بتقدم ملحوظ بواسطة تشبيتشيف ( Chebyshev ) ، و ريمان ( Riemann ) و هذا الأخير ربط النظرية بما سماه فرضية ريمان ، و ما زال هناك العديد من الأسئلة المفتوحة تتعلق بالأعداد الأولية ، و بعضها ما زال من مئات السنين كمسألة العدد التام الفردي .
4. اكتشاف الأعداد الأولية:
أما بالنسبة لكيفية معرفة و إكتشاف الأعداد الأولية فتوجد طرق كثيرة أقدمها و أسهلها هو ما يعرف بغربال إراتوستين ( Sieve of Eratosthenes ) و طريقة القسمة العادية ( trial division ) ، حيث ما زالتا هاتان الطريقتان هما الأسهل لإيجاد الأعداد الأولية الصغيرة جدا ( الأقل من 1000000 ) .
أما بالنسبة لإيجاد الأعداد الأولية الكبيرة فهناك طرق خاصة تستخدم ، و هذه الطرق هي حالات خاصة من نظرية لاجرانج من نظرية المجموعات .
و نشير هنا إلى مفهوم وضع في 1984 بواسطة صمويل ييت و هو : Titanic Primes ، أي الأعداد الأولية الهائلة ، و عرفها بأنها الأعداد المكونة من 1000 رقم على الأقل ، و كان عدد هذه الأرقام يومها 110 أرقام ، أما الآن ( أي بعد 17 سنة فقط ) فإن عددها يفوق ذلك العدد بأكثر من 1000 مرة ! و مع استمرار تقدم الحواسيب الإلكترونية التي تعطي فرص أكبر للبحث عن أعداد أولية أكبر فإن هذا العدد يتزايد باستمرار، و نتوقع بعد مدة قصيرة رؤية أول عدد أولي ذو 10 ملايين رقم.
5. النظرية الأساسية في الحساب
لقد بينت النظرية الأساسية في الحساب ( أي إن جميع الأعداد الصحيحة الموجبة عبارة عن حاصل ضرب أعداد أولية ، أي إنه يمكن تجزئتها إلى عوامل أولية ، كالعدد 12 حيث يمكن كتابته كحاصل ضرب 2×2×3 .
و تستخدم هذه النظرية في مجالات واسعة في الحساب ، فعلى سبيل المثال في عمليات تبسيط الكسور بين البسط و المقام حيث نبحث عن العوامل الأولية المشتركة للأعداد في البسط و المقام ، و تستخدم هذه النظرية أيضا في إيجاد الجذور التربيعية أو التكعبية بالتحليل على سبيل المثال : لإيجاد الجذر التربيعي للعدد 196 فإننا نحلله إلى : 196 = 2×2×7×7 .
و هناك إثباتات كثيرة على هذه النظرية ، و قد اهتم الرياضيون القدامى بهذه النظرية ، فقد أثبتها إقليدس و غيره ، و كذلك اهتم بها المتأخرون و أثبتوها أيضا و بطرق أخرى .
و تعتبر هذه النظرية هي الأساس لكثير من النظريات في الرياضيات ، و خصوصا في حساب الأعداد الأولية ) أن الأعداد الأولية هي لبنات الأعداد الصحيحة الموجبة بمعنى أن أي عدد موجب هو عبارة عن حاصل ضرب أعداد أولية و بطريقة واحدة باستثناء مضاعفات العوامل .
فعلى سبيل المثال :
24 = 2 × 2 × 2 × 3
42 = 2 × 3 × 7
50 = 2 × 5 × 5 و هكذا ..
و قد جلبت هذه الأعداد الأولية أنظار العلماء منذ القدم ، فدرسوها و حاولوا وضع قوانين لتنظيم معرفتها و لكنهم فشلوا كثيرا في سبيل وضع قانون لها لعدم وجود نسق منتظم لها فدائما هناك أعداد تخرج عن المألوف .
و كانت هذه الأعداد بمثابة دافع للتحدي بينها و بين العقل البشري ، فأثبتوا أولا أنها غير منتهية ، ثم وضعوا صيغا عامة لها ، و حددوا شروطا لهذه الصيغ ، و في ضوء هذه الصيغ استطاعوا أن يعطوا تقديرا للأعداد الأولية الأقل من عدد ما .
موضوع: الاعداد الاولية 
الجمعة 09 يناير 2015, 11:30 pm
