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Primzahl

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Eine Primzahl ist eine natürliche Zahl mit genau zwei natürlichen Teilern, nämlich 1 und sich selbst. Die Primzahlen sind also 2, 3, 5, 7, 11, … Die fundamentale Bedeutung der Primzahlen für viele Bereiche der Mathematik beruht auf den folgenden drei Konsequenzen aus dieser Definition:

  • Primzahlen lassen sich nicht als Produkt zweier natürlicher Zahlen, die beide größer als eins sind, darstellen.
  • Lemma von Euklid: Ist ein Produkt zweier natürlicher Zahlen durch eine Primzahl teilbar, so ist bereits einer der Faktoren durch sie teilbar.
  • Eindeutigkeit der Primfaktorzerlegung: Jede natürliche Zahl größer als 1 lässt sich als Produkt von Primzahlen schreiben. Diese Produktdarstellung ist bis auf die Reihenfolge der Faktoren eindeutig.

Jede dieser Eigenschaften könnte auch zur Definition der Primzahlen verwendet werden.

Eine natürliche Zahl größer als 1 heißt prim, wenn sie eine Primzahl ist, andernfalls heißt sie zusammengesetzt. Die Zahlen 0 und 1 sind weder prim noch zusammengesetzt.

Bereits die antiken Griechen interessierten sich für die Primzahlen und entdeckten einige ihrer Eigenschaften. Obwohl sie über die Jahrhunderte stets einen großen Reiz auf die Menschen ausübten, sind bis heute viele die Primzahlen betreffende Fragen ungeklärt.

Über zweitausend Jahre lang wusste man keinen praktischen Nutzen aus dem Wissen über die Primzahlen zu ziehen. Dies änderte sich erst mit dem Aufkommen elektronischer Rechenmaschinen, wo die Primzahlen beispielsweise in der Kryptographie eine zentrale Rolle spielen.

Die kleinsten Primzahlen

Die kleinsten Primzahlen sind

2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, ...
Folge A000040 in OEIS

Die Zahl 4 ist die kleinste zusammengesetzte Zahl: Sie hat genau drei positive Teiler (1, 2, 4). Die Zahl 6 ist die nächstgrößere zusammengesetzte Zahl; sie besitzt vier positive Teiler (1, 2, 3, 6). Die Liste der zusammengesetzten Zahlen beginnt mit

4, 6, 8, 9, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 20, 21, 22, 24, 25, ...
Folge A002808 in OEIS

Praktische Anwendung

Eine wichtige Rolle spielen Primzahlen in der Kryptographie: Viele Verschlüsselungssysteme, beispielsweise RSA, basieren darauf, dass man zwar sehr schnell große Primzahlen multiplizieren kann, andererseits aber kein effizientes Faktorisierungsverfahren bekannt ist und allem Anschein nach auch nicht existiert. So ist es innerhalb von Sekunden problemlos möglich, zwei 500-stellige Primzahlen zu finden und miteinander zu multiplizieren. Mit den heutigen Methoden würde die Rückgewinnung der beiden Primfaktoren aus diesem 1000-stelligen Produkt dagegen Millionen von Jahren benötigen.

Primfaktorzerlegung

Es gilt der Fundamentalsatz der Arithmetik: Jede positive ganze Zahl lässt sich bis auf die Reihenfolge eindeutig als Produkt von Primzahlen darstellen (siehe Primfaktorzerlegung). Die in dieser Darstellung auftretenden Primzahlen nennt man die Primfaktoren der Zahl. Die Schwierigkeiten bei der Primfaktorzerlegung bezeichnet man als Faktorisierungsprobleme. Man versucht sie mit geeigneten Faktorisierungsverfahren zu minimieren.

Aufgrund dieses Satzes, also dass sich jede natürliche Zahl durch Multiplikation von Primzahlen eindeutig darstellen lässt, nehmen die Primzahlen eine besondere atomare Stellung in der Mathematik ein. Alexander K. Dewdney bezeichnete diese als den Elementen der Chemie weitgehend ähnlich.

Eigenschaften von Primzahlen

Mit Ausnahme der Zahl 2 sind alle Primzahlen p ungerade, denn alle größeren geraden Zahlen lassen sich außer durch sich selbst und 1 auch noch (mindestens) durch 2 teilen. Damit hat jede Primzahl außer 2 die Form mit einer natürlichen Zahl .

Primzahlen der Form 4k + 1 bzw. 4k + 3

Jede Primzahl hat die Form oder mit einer nichtnegativen ganzen Zahl . Nach dem dirichletschen Primzahlsatz gibt es unendlich viele Primzahlen jeder der beiden Arten.

Jede natürliche Zahl der Form mit einer nichtnegativen ganzen Zahl enthält mindestens einen Primfaktor der Form . Eine entsprechende Aussage über Zahlen der Form oder Primfaktoren der Form ist nicht möglich.

Eine Primzahl lässt sich genau dann in der Form mit ganzen Zahlen schreiben, wenn die Form hat. In diesem Fall ist die Darstellung im wesentlichen eindeutig, d.h. bis auf Reihenfolge und Vorzeichen von . Diese Darstellung entspricht der Primfaktorzerlegung

im Ring der ganzen gaußschen Zahlen.

Die Zahl −1 ist ein quadratischer Rest modulo jeder Primzahl der Form und nichtquadratischer Rest modulo jeder Primzahl der Form .

Primzahlen der Form 6k ± 1

Jede Primzahl hat die Form mit einer natürlichen Zahl . Anders ausgedrückt: Es gilt

oder

(für die Notation siehe Kongruenz (Zahlentheorie)).

Es sei eine Primzahl. Für jede ganze Zahl , die nicht durch teilbar ist, gilt:

Eine äquivalente Formulierung lautet: Für jede ganze Zahl gilt

Es gibt auch Zahlen, die keine Primzahlen sind, sich aber dennoch zu einem Teil der Basen wie Primzahlen verhalten und somit den kleinen Satz von Fermat erfüllen. Solche Nichtprimzahlen nennt man fermatsche Pseudoprimzahlen. Pseudoprimzahlen, die pseudoprim zu allen Basen sind, welche nicht Teiler dieser Pseudoprimzahlen sind, nennt man Carmichael-Zahlen.

Besonders in diesem Zusammenhang zeigt sich die Problematik von Pseudoprimzahlen: sie werden von Algorithmen, die den kleinen Satz von Fermat nutzen, um festzustellen ob eine bestimmte Zahl prim ist, fälschlicherweise für Primzahlen gehalten. Wenn allerdings ein Verschlüsselungsverfahren wie RSA eine zusammengesetzte Zahl statt einer Primzahl verwendet, ist die Verschlüsselung nicht mehr sicher. Deshalb müssen bei solchen Verfahren Primzahltests verwendet werden, die mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit Primzahlen von zusammengesetzten Zahlen unterscheiden können. Diese Wahrscheinlichkeit ist bei Verwendung des kleinen Satzes von Fermat als Basis allein nicht hoch genug, es gibt aber sicherere Primzahltests.

Euler und das Legendre-Symbol

Eine einfache Folge aus dem kleinen Satz von Fermat ist die folgende Aussage: Für jede ungerade Primzahl und jede ganze Zahl , die nicht durch teilbar ist, gilt entweder

oder

Man kann zeigen, dass der erste Fall genau dann eintritt, wenn es eine Quadratzahl gibt, die kongruent zu modulo  ist, siehe Legendre-Symbol.

Für Primzahlen und gilt

zusammen mit dem binomischen Satz folgt daraus

Für ganze Zahlen folgt diese Aussage auch direkt aus dem kleinen fermatschen Satz, aber sie ist beispielsweise auch für Polynome mit ganzzahligen Koeffizienten anwendbar; im allgemeinen Kontext entspricht sie der Tatsache, dass die Abbildung in Ringen der Charakteristik  ein Homomorphismus ist, der so genannte Frobenius-Homomorphismus.

Aus dem Satz von Wilson (p ist genau dann eine Primzahl, wenn ist) folgt, dass für jede Primzahl p und jede natürliche Zahl n die Kongruenz

erfüllt ist.

Charles Babbage bewies 1819, dass für jede Primzahl p > 2 diese Kongruenz gilt:

Der Mathematiker Joseph Wolstenholme (1829-1891) bewies dann 1862, dass für jede Primzahl p > 3 die folgende Kongruenz gilt:

Giuga

Aus dem kleinen Satz von Fermat folgt, dass für eine Primzahl p gilt:

Beispiel p = 5:

Giuseppe Giuga vermutete, dass auch die umgekehrte Schlussrichtung gilt, dass also eine Zahl mit dieser Eigenschaft stets prim ist. Es ist nicht geklärt, ob diese Vermutung richtig ist. Bekannt ist aber, dass ein Gegenbeispiel mehr als 10.000 Dezimalstellen haben müsste. Im Zusammenhang mit Giugas Vermutung werden die Giuga-Zahlen untersucht.

Lineare Rekursionen

Den kleinen fermatschen Satz kann man auch in der Form lesen: In der Folge ist das -te Folgenglied für eine Primzahl stets durch teilbar. Ähnliche Eigenschaften besitzen auch andere Folgen von exponentiellem Charakter, wie die Lucas-Folge () und die Perrin-Folge (). Für andere lineare Rekursionen gelten analoge, aber kompliziertere Aussagen, beispielsweise für die Fibonacci-Folge : Ist eine Primzahl, so ist durch teilbar; dabei ist

das Legendre-Symbol.

Weiteres

Zwei natürliche Zahlen, deren Summe eine Primzahl ergeben, sind immer teilerfremd. Umgekehrt zeigt jedoch das Gegegenbeispiel , dass die Summe zweier teilerfremder Zahlen nicht zwingend eine Primzahl ergibt.

Verfahren zur Prüfung der Primalität einer Zahl

Wenn man wissen möchte, ob eine Zahl eine Primzahl ist, dann hat man dafür verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, die als Grundlage meist eine der oben genannten Eigenschaften haben. Das bekannteste und älteste ist wohl das Sieb des Eratosthenes. In der Praxis am häufigsten wird der Miller-Rabin-Test verwendet, der eine extrem schnelle Laufzeit hat, allerdings mit kleiner Wahrscheinlichkeit daneben liegen kann. Für Aufsehen hat in den letzten Jahren der AKS-Primzahltest gesorgt, der beweist, dass es möglich ist, Zahlen in polynomialer Laufzeit zu testen (Primes is in P), allerdings in der Praxis deutlich langsamer ist als der Miller-Rabin-Test. Diese Verfahren und weitere Varianten sind unter Primzahltest genauer beschrieben.

Größte bekannte Primzahl

Der Grieche Euklid hat im vierten Jahrhundert vor Christus festgestellt, dass es unendlich viele Primzahlen gibt; diese Aussage wird als Satz von Euklid bezeichnet. Euklid führte einen Widerspruchsbeweis für die Richtigkeit dieses Satzes: ausgehend von der Annahme, dass es nur endlich viele Primzahlen gibt, kann man aus den vorhandenen neue konstruieren, was einen Widerspruch zur Annahme darstellt. Somit kann eine endliche Menge niemals alle Primzahlen enthalten, also gibt es unendlich viele. Heute kennt man eine ganze Reihe von Beweisen für den Satz von Euklid, siehe Beweisarchiv.

Der Satz von Euklid besagt, dass es keine größte Primzahl gibt. Es ist jedoch kein Verfahren bekannt, das effizient beliebig große Primzahlen generiert, so dass es stets eine größte bekannte Primzahl gab, seitdem sich die Menschen mit Primzahlen befassen. Derzeit ist es , eine Zahl mit 9.152.052 (dezimalen) Stellen, gefunden am 15. Dezember 2005 von einem Professorenteam der Central Missouri State University im Rahmen des George Woltmans GIMPS-Projekts (Great Internet Mersenne Prime Search) zur Suche von Mersenne-Primzahlen. Für den ersten Primzahlbeweis einer Zahl mit mehr als 10 Millionen Dezimalstellen hat die Electronic Frontier Foundation einen Preis von 100.000 US-Dollar ausgeschrieben.

Die größte bekannte Primzahl war fast immer eine Mersenne-Primzahl, also von der Form , da in diesem Spezialfall der Lucas-Lehmer-Test angewendet werden kann, ein im Vergleich zur allgemeinen Situation sehr schneller Primzahltest. Bei der Suche nach großen Primzahlen werden deshalb nur Zahlen diesen oder eines ähnlich geeigneten Typs auf Primalität untersucht. Man weiß, dass zwischen der größten und der zweitgrößten bekannten Primzahl (nämlich ) mehr als weitere, unbekannte Primzahlen liegen. Die genaue Identifikation solcher Primzahlen erfreut sich aber eines vergleichsweise geringen Interesses, da sie ungleich aufwendiger ist als beispielsweise das Auffinden einer noch größeren Mersenne-Primzahl.

Verteilung der Primzahlen

Zur Untersuchung der Verteilung der Primzahlen betrachtet man unter anderem die Funktion

,

die die Anzahl der Primzahlen angibt. Zum Beispiel ist

.

Diese Funktion und ihr Wachstumsverhalten ist ein beliebter Forschungsgegenstand in der Zahlentheorie. Mit der Zeit wurden einige Näherungsformeln entwickelt und verbessert.

Der Primzahlsatz besagt, dass

gilt, d.h. dass der Quotient von linker und rechter Seite für gegen 1 strebt.

Der dirichletsche Primzahlsatz dagegen schränkt die Betrachtung auf Restklassen ein: Es sei eine natürliche Zahl. Ist eine ganze Zahl, die zu nicht teilerfremd ist, so kann die arithmetische Folge

höchstens eine Primzahl enthalten, weil alle Folgenglieder durch den größten gemeinsamen Teiler von und teilbar sind. Ist aber teilerfremd zu , so besagt der dirichletsche Primzahlsatz, dass die Folge unendlich viele Primzahlen enthält. Beispielsweise gibt es unendlich viele Primzahlen der Form und unendlich viele der Form ( durchläuft jeweils die nichtnegativen natürlichen Zahlen).

Diese Aussage kann noch in der folgenden Form präzisiert werden: Es gilt

dabei ist die eulersche φ-Funktion. In diesem Sinne liegen also für ein festes in den Restklassen mit jeweils "gleich viele" Primzahlen.

Siehe auch: Ulam-Spirale

Formeln zur Generierung von Primzahlen

Man kennt keine Formel p(n), die beim Einsetzen von n die n-te Primzahl zurückliefert. Es gibt allerdings Formeln, bei denen eine gewisse Wahrscheinlichkeit besteht, dass die erzeugten Zahlen eine Primzahl sein könnten. Nichtsdestotrotz müssen die erzeugten Zahlen auf ihre Eigenschaft als Primzahl getestet werden.

Schon Euler gab die Formeln und an, die für 0 < n < 16 bzw. 0 < n < 41 Primzahlen liefern. Auch für größere Werte von liefern die beiden Formeln viele Primzahlen, weil das Ergebnis nie durch Primzahlen p < 17 bzw. p < 41 ganzzahlig teilbar ist. Allgemein gibt es viele solche Formeln , wodurch sich die auffällige Ulam-Spirale erklärt.

Die beliebteste ist die der Mersenne-Zahl bei der eine Primzahl ist. Durch die besonderen Eigenschaften der Teiler von Mersenne-Zahlen eignen sie sich für die Suche nach möglichst großen Primzahlen.

Fermat vermutete, dass alle Zahlen der Form prim sind; man nennt sie Fermat-Zahlen. Tatsächlich ist aber für keine derartige Primzahl bekannt.

Auch bekannt ist eine Anwendung des Satzes von Euklid, bei der auf das Primorial eine 1 aufaddiert wird:

Hierbei werden alle aufeinanderfolgenden Primzahlen von 2 bis miteinander multipliziert.

ist prim für p = 2, 3, 5, 7, 11, 31, 379, 1019, 1021, ... (Folge A005234 in OEIS)

Weitere Formeln:

  • ist prim für n = 3, 4, 6, 7, 12, 14, 30, 32, 33, 38, 94, 166, ... (Folge A002982 in OEIS)
  • ist prim für n = 1, 2, 3, 11, 27, 37, 41, 73, 77, 116, 154 ... (Folge A002981 in OEIS)
  • Primzahlen der Form kgV(1,...,n)+1 sind: 2, 3, 7, 13, 61, 421, 2521, 232792561, ... (Folge A049536 in OEIS)

Spezielle Primzahlen und Primzahlkonstellationen

Weitere spezielle Arten von Primzahlen finden sich in der Kategorie:Primzahl.

Warum ist die Zahl 1 keine Primzahl?

Die einfachste Antwort auf die Frage, warum die 1 keine Primzahl ist, zitiert die Definition:

  • Eine natürliche Zahl wird dann Primzahl genannt, wenn sie genau zwei natürliche Teiler hat.
    Die Zahl 1 hat nur einen natürlichen Teiler (die 1). Deshalb ist sie per Definition keine Primzahl.

Die folgenden Antworten gehen auf den Zweck dieser Definition ein:

  • Damit man eine eindeutige Primfaktorzerlegung bekommt (man hätte sonst beliebig viele 1-Faktoren mit drin).
  • Weil 1 eine Einheit ist (siehe den Artikel Primelement).
  • Weil man ansonsten bei nahezu allen Aussagen über Primzahlen schreiben müsste: „Für alle Primzahlen mit Ausnahme der 1 gilt...“. Beispielsweise in der Theorie der endlichen Körper.

Ein mathematisches System ist letztendlich willkürlich aus einer unendlichen Anzahl von möglichen Systemen ausgewählt. Seine Relevanz erhält es dadurch, ob es nicht-triviale Eigenschaften hat. Man erzeugt zwei verschiedene Systeme, wobei im ersten 1 eine Primzahl ist, und im zweiten nicht, und stellt dabei fest, dass das erste System sehr langweilig ist, und das zweite (in dem die 1 keine Primzahl ist) so interessant ist, dass es heute einen der wichtigsten Grundbausteine der globalen Wirtschaft bildet (siehe RSA). Man könnte nun natürlich auch ein System definieren, in dem die 2 keine Primzahl ist (oder die 3 oder die 5 ...), doch solange man das herkömmliche System noch nicht völlig verstanden hat, sind diese Systeme nur für Mathematiker interessant.

Siehe hierzu auch: Wikibooks: Warum 1 keine Primzahl ist

Primzahllücken

Die Differenz p2 - p1 zwischen benachbarten Primzahlen p1 < p2 wird Primzahllücke genannt. Paare von Primzahlen mit dem Abstand 2 heißen Primzahlzwillinge, zum Beispiel 5 und 7 oder 11 und 13.

Allgemein schwankt die Anzahl der zusammengesetzten Zahlen zwischen zwei beliebigen aufeinanderfolgenden Primzahlen. Siehe Primzahllücke

Verallgemeinerung

In der Ringtheorie wird das Konzept der Primzahl auf die Elemente eines beliebigen kommutativen unitären Rings verallgemeinert. Die entsprechenden Begriffe sind Primelement und irreduzibles Element.

Die Primzahlen und deren Negative sind dann genau die Primelemente und auch genau die irreduziblen Elemente des Rings der ganzen Zahlen. In faktoriellen Ringen, das sind Ringe mit eindeutiger Primfaktorisierung, fallen die Begriffe Primelement und irreduzibles Element zusammen; im Allgemeinen ist die Menge der Primelemente jedoch nur eine Teilmenge der Menge der irreduziblen Elemente.

Insbesondere im zahlentheoretisch bedeutsamen Fall der Dedekindringe übernehmen Primideale die Rolle der Primzahlen.

Tabellen von Primzahlen

Literatur

  • Paolo Ribenboim: The New Book of Prime Number Records. 3. Aufl., Springer Verlag, New York, 1996, ISBN 0-387-94457-5
  • Marcus du Sautoy: Die Musik der Primzahlen. Auf den Spuren des größten Rätsels der Mathematik. Verlag C.H.Beck, München, 2004, ISBN 3-406-52320-X
  • Władysław Narkiewicz: The Development of Prime Number Theory. Springer-Verlag, Berlin 2000. ISBN 3-540-66289-8
Wiktionary: Primzahl – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikibooks: Fundamentalsatz der Arithmetik – Lern- und Lehrmaterialien