梅森素?cái)?shù):數(shù)學(xué)海洋中的璀璨明珠
來源:中華讀書報(bào) 文章作者:曉昕 2009-03-05 10:37:04

2008年8月,美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的計(jì)算機(jī)專家史密斯(E.Smith)通過參加了一個(gè)名為“因特網(wǎng)梅森素?cái)?shù)大搜索”(GIMPS)的國(guó)際合作項(xiàng)目,發(fā)現(xiàn)了第46個(gè)也是最大的梅森素?cái)?shù),該素?cái)?shù)也就是2自身相乘43112609次減1,它有12978189位數(shù),如果用普通字號(hào)將這個(gè)巨數(shù)連續(xù)寫下來,它的長(zhǎng)度可超過50公里!最近,這一成就被美國(guó)的《時(shí)代》雜志評(píng)為“2008年度50項(xiàng)最佳發(fā)明”之一,排名在第29位。
由于梅森素?cái)?shù)在正整數(shù)中的分布是時(shí)疏時(shí)密極不規(guī)則的,因此研究梅森素?cái)?shù)的重要性質(zhì)——分布規(guī)律似乎比尋找新的梅森素?cái)?shù)更為困難。數(shù)學(xué)家們?cè)陂L(zhǎng)期的摸索中,提出了一些猜想。英國(guó)數(shù)學(xué)家香克斯、法國(guó)數(shù)學(xué)家伯特蘭和托洛塔、印度數(shù)學(xué)家拉曼紐楊、美國(guó)數(shù)學(xué)家吉里斯和德國(guó)數(shù)學(xué)家伯利哈特等都曾分別給出過關(guān)于梅森素?cái)?shù)分布的猜測(cè),但他們的猜測(cè)有一個(gè)共同點(diǎn),就是都以近似表達(dá)式給出,而與實(shí)際情況的接近程度均難如人意。
中國(guó)數(shù)學(xué)家和語言學(xué)家周海中對(duì)梅森素?cái)?shù)研究多年,他運(yùn)用聯(lián)系觀察法和不完全歸納法,于1992年首先給出了梅森素?cái)?shù)分布的精確表達(dá)式,從而揭示了梅森素?cái)?shù)的重要規(guī)律,為人們探究這一素?cái)?shù)提供了方便。后來這一科研成果被國(guó)際上稱為“周氏猜測(cè)”。
利用網(wǎng)格技術(shù)搜尋梅森素?cái)?shù)
網(wǎng)格(Grid)這一嶄新技術(shù)的出現(xiàn)使梅森素?cái)?shù)的探尋如虎添翼。1996年初,美國(guó)數(shù)學(xué)家和程序設(shè)計(jì)師沃特曼(G.Woltman)編制了一個(gè)梅森素?cái)?shù)計(jì)算程序,并把它放在網(wǎng)頁上供數(shù)學(xué)家和數(shù)學(xué)愛好者免費(fèi)使用,這就是著名的GIMPS項(xiàng)目。該項(xiàng)目采取網(wǎng)格計(jì)算方式,利用大量普通計(jì)算機(jī)的閑置時(shí)間來獲得相當(dāng)于超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。只要人們?nèi)IMPS的主頁下載那個(gè)免費(fèi)程序,就可以立即參加GIMPS項(xiàng)目去搜尋梅森素?cái)?shù)。
12年來,人們通過GIMPS項(xiàng)目找到了12個(gè)梅森素?cái)?shù),其發(fā)現(xiàn)者來自美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和加拿大。目前,世界上有160多個(gè)國(guó)家和地區(qū)近16萬人參加了這一項(xiàng)目,并動(dòng)用了30多萬臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算。該項(xiàng)目的計(jì)算能力已超過當(dāng)今世界上任何一臺(tái)最先進(jìn)的超級(jí)矢量計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,運(yùn)算速度超過每秒350萬億次。
為了激勵(lì)人們尋找梅森素?cái)?shù),設(shè)在美國(guó)的電子新領(lǐng)域基金會(huì)(EFF)不久前向全世界宣布了為通過GIMPS項(xiàng)目來探尋梅森素?cái)?shù)而設(shè)立的獎(jiǎng)金。它規(guī)定向第一個(gè)找到超過1000萬位數(shù)的個(gè)人或機(jī)構(gòu)頒發(fā)10萬美元。后面的獎(jiǎng)金依次為:超過1億位數(shù),15萬美元;超過10億位數(shù),25萬美元。由于史密斯發(fā)現(xiàn)的梅森素?cái)?shù)已超過1000萬位,他將有資格獲得EFF頒發(fā)的10萬美元大獎(jiǎng)。其實(shí),絕大多數(shù)研究者參與該項(xiàng)目并不是為了金錢,而是出于樂趣、榮譽(yù)感和探索精神。
梅森素?cái)?shù)的意義和價(jià)值
梅森素?cái)?shù)在當(dāng)代具有十分豐富的理論意義和實(shí)用價(jià)值。它是發(fā)現(xiàn)已知最大素?cái)?shù)的最有效途徑;它的探究推動(dòng)了數(shù)學(xué)皇后——數(shù)論的研究,促進(jìn)了計(jì)算技術(shù)、程序設(shè)計(jì)技術(shù)、密碼技術(shù)的發(fā)展以及快速傅立葉變換的應(yīng)用。
探尋梅森素?cái)?shù)最新的意義是:它促進(jìn)了網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展。而網(wǎng)格技術(shù)將是一項(xiàng)應(yīng)用非常廣闊、前景十分誘人的技術(shù)。另外,探尋梅森素?cái)?shù)的方法還可用來測(cè)試計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)算是否正確。
由于探尋梅森素?cái)?shù)需要多種學(xué)科和技術(shù)的支持,所以許多科學(xué)家認(rèn)為:梅森素?cái)?shù)的研究成果,在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的科技水平。英國(guó)頂尖科學(xué)家索托伊(M.Sautoy)甚至認(rèn)為它是標(biāo)志科學(xué)發(fā)展的里程碑。可以相信,梅森素?cái)?shù)這顆數(shù)學(xué)海洋中的璀璨明珠正以其獨(dú)特魅力,吸引著更多的有志者去探尋和研究。
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