问题
记 Pn = p1p2⋯pn 为前 n 个素数之积,欧几里得数 En = Pn + 1。每项都提供新素数(命题 1),但欧几里得的证明只要「有新素因子」,而这里问的是更强的性质:En 是否总是无平方因子——即不存在素数 p 使 p² | Pn + 1。已知对大量 n(计算已达数千项)无平方因子;但启发式(见命题 3)反而预测平方因子应当无穷多次出现——猜想的「表面内容」与「统计预期」方向相反,这在公开问题中相当罕见。
主要概念
与维费里希现象的血缘
p² | Pn + 1 是一种 «固定的乘积落在模 p² 的特殊剩余类» 事件。问题 44 的维费里希素数是 «ap−1 ≡ 1 (mod p²)»;这里是 «∏q < p q ≡ −1 (mod p²)»。两者都是 «素数在模 p² 上的伪随机游走命中特殊点»,预期频率都约 1/p。
二次互反律的约束
若 p² | Pn + 1(则 p > pn,命题 1),取模 p:∏q|P q ≡ −1,两边平方仍是 1,但直接读:−1 必须写成 ∏(各素因子) 的乘积再自乘——精确的约束是把勒让德符号逐个配平:Pn ≡ −1 (mod p) 蕴含 ∏q ≤ pn (q/p) = (−1/p)。左边的每项由二次互反律转成 mod 4 与 mod 8 的信息——素因子的分布被强加了一层代数结构。
主要命题与证明
命题 1(完整证明) 若 p | Pn + 1,则 p 是「新」素数:p > pn。
证明 对任意 i ≤ n:Pn + 1 ≡ 1 (mod pi),而 p | Pn + 1,若还有 p = pi,则 pi | 1,矛盾。故 p 不在前 n 个素数中,从而 p > pn。□
命题 2(完整证明) 若 p² | Pn + 1,则 ∏q ≤ pn (q/p) = (−1/p);其中 (·/·) 为勒让德符号。特别地,若前 n 个素数在 mod p 下「二次剩余计数」不平衡,则 p² ∤ En。
证明 p² | Pn + 1 蕴含 Pn ≡ −1 (mod p)。两边取勒让德符号(mod p 下乘性):(Pn/p) = (−1/p)。而 (Pn/p) = ∏i(pi/p),即得。由欧拉判据 (−1/p) = (−1)(p−1)/2。□
命题 3(反向启发式) 把 Pn 在模 p² 中当作伪随机:对固定素数 p,事件 «Pn ≡ −1 (mod p²)» 对使 p > pn 的 n 的预期频率为 1/p²。对全体素数求和:Σp 1/p² 收敛,但加权上 «n 的大小必须过 p» 的约束后,兰伯特级数型分析给出预期总数 ≈ Σp (log log p)/p ——此级数发散。故启发式预测:使 p² | En 的对 (n, p) 应当无穷多。第一个平方因子若存在,预期出现在天文数字的 n 处。
进展与文献
计算:Borwein 等(2000 年代)验证了 n ≤ 10⁴ 量级无平方因子;Marek Wolf 等在更大范围搜索仍未发现。理论:此问题被 Mullin 与 Ron Graham 反复讨论:Graham 的〈Euclid 数的平方因子〉未刊笔记与 Guy《Unsolved Problems in Number Theory》A 节的持续更新。按命题 3 的口径,诚实的预期是:第一个平方因子终将出现,但任何现有算力都够不着它。