Кстати, на самом Матпразднике из этой подборки сделали отдельный стенд, и мне кажется, это была исключительно удачная идея: все подходили и смотрели —

(Да, а вот тут коллеги выложили PDF-файл постера)

обновленный постер с задачами Математического праздника в подходящем для печати качестве

Так вот, сегодняшняя байка посвящена простым числам Мерсенна: простым числам вида M(p):=2^p-1, где p простое.
(Я её уже рассказывал год назад, но в непубличном чате; заранее прошу прощения у тех, кто её от меня уже тогда слышал.)

Чуть больше года назад, в декабре 2018-го, нашли очередное простое число Мерсенна, M(82 589 933), ставшее самым большим известным простым числом — что, разумеется, немедленно пробежало по новостям. А если посмотреть на список самых больших известных простых чисел (https://en.wikipedia.org/wiki/Largest_known_prime_number#The_twenty_largest_known_prime_numbers ), то там из первой десятки только одно не-Мерсенновское, да и остальные визуально очень на них похожи. И с 1952-го года только один раз на три года самое большой известное число было не-Мерсенновским: с 1989 по 1992 « царём горы » было 391581×2^{216193}-1.

При этом Мерсенновских чисел очень мало (это же «почти степень двойки») — при том, что вообще-то простых довольно много: доля простых среди первых n чисел это 1/ln n, что, конечно, стремится к 0 — но довольно медленно. Скажем, из 100-значных чисел простым будет примерно каждое 230-е; собственно, ровно так работает поиск простых для RSA-криптографии: тыкаем в случайные большие числа, пока не наткнёмся на простое. И тысяча-другая попыток тут это много, но не смертельно.(А вот если бы простых от 1 до n было бы порядка sqrt{n}, всё было бы совсем по-другому…)

Так почему же самые большие известные простые — Мерсенновские? Потому что « ищем под фонарём », то есть — потому что именно для них есть очень быстрый алгоритм проверки на простоту, тест Люка-Лемера. И с ним очень интересно разобраться.

Его "замкнутая" формулировка "в готовом к исполнению" виде выглядит, как совершенно непонятный « чёрный ящик »: ясно, куда подключать провода, но как и почему он работает, загадка.

А именно: строим последовательность вычетов s_n по модулю M, где M=2^p-1 — наш кандидат в простые Мерсенна, по следующему рекуррентному правилу:
- начинаем с s_1=4,
- каждое следующее s_{n+1}=s_n^2-2 (mod M).
Теорема. M простое тогда и только тогда, когда S_{p-1}=0.

(Отсюда — https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%81%D1%82_%D0%9B%D1%8E%D0%BA%D0%B0_%E2%80%94_%D0%9B%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B0#%D0%A4%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83%D0%BB%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0 )

Пример. Возьмём p=5. По модулю M=31 получаем последовательность
4, 14, 194=8 (31), 62=0 (31) — победа.

Чуть-чуть повторяясь — « Куда заливать бензин и как запускать, понятно. А почему же оно всё работает? »

Для начала — давайте мысленно поделим последовательность s_n на 2 (благо, что по нечётному модулю M это проблемы не создаёт; ну или можно сначала делить, она останется целой, а потом уже приводить по модулю).
Для новой последовательности t_n реккурентное соотношение это t_{n+1}=2 t_n^2-1.
И это уже начинает что-то напоминать: P(t)=2 t^2-1 это формула для косинуса двойного угла (она же многочлен Чебышева степени 2).

А косинус двойного угла, если перейти в комплексные числа и рассмотреть там z=cos a + i sin a, это просто возведение в квадрат. А череда из k возведений в квадрат это возведение в степень 2^k. И это уже начинает с числами Мерсенна (M=2^p-1) иметь что-то общее — ещё не формально, но на уровне "это явно кусочек от той же головоломки".

Пытаясь сделать что-то чуть более формально, мы замечаем, что всё начинается с t_1=2, а косинус, равный двум, это немного странно. Но давайте всё равно посмотрим, чему бы равнялось соответствующее комплексное z?
Если z=e^{ia} = cos a + i sin a, то cos a= (z+1/z)/2.
Соответственно, уравнение (z+1/z)/2=2 даёт корни z=2+\sqrt{3} и z=2-\sqrt{3}.

И кстати, сразу видно, что удобнее работать не с косинусом, а с удвоенным косинусом, так нет двойки в знаменателе.
Поэтому с этого момента мы вернёмся к исходной последовательности s_n.
Так вот — для уже вовсе не комплексного z=2+\sqrt{3} мы получаем z+1/z =4. И поэтому члены нашей исходной последовательности s_n до приведения по модулю M получаются как
s_n=(2+\sqrt{3})^{2^{n-1}} + (2-\sqrt{3})^{2^{n-1}}

Осталось понять, при чём же тут всё-таки числа Мерсенна, как будет играть степень двойки, и что нам делать с корнем из 3 при работе с вычетами.

На самом деле — ассоциация с комплексными числами тут очень по делу. Комплексные числа получаются из вещественных, если к ним добавить корень уравнения x^2+1=0, у которого в самом поле вещественных чисел корня нет.
Этот корень мы обозначаем через i; при этом в комплексных числах у этого уравнения есть два равноправных (с точки зрения вещественных чисел) корня, i и -i, и переводя один из них в другой, мы получаем автоморфизм комплексных чисел — комплексное сопряжение.

Точно так же вместо вещественных чисел можно взять, например, поле из 7 элементов — вычеты по модулю 7.
В нём у уравнения x^2+1=0 тоже нет корней (упражнение: проверьте это!). И добавив такой корень — и всё, что добавится из-за этого — мы получим поле из 7^2=49 элементов, элементы которого это комбинации вида a+bx (где x — наш корень). Классический вопрос « для каких простых p по модулю p есть корень из (-1) » имеет столь же классический ответ « для двойки и простых вида 4k+1 ».