九 章 格 数 学 · 数 学 前 沿 · V I P 专 阅

维费里希素数有无穷多个

《数论中的 50 个公开问题》 · 问题 44 专题综述

题面满足 2^{p−1} ≡ 1 (mod p²) 的素数 p(维费里希素数,已知 1093 与 3511)是否无穷多个?对每个底 a 呢?

本页为 VIP 专阅综述:主要概念的详细介绍与主要命题的细致证明,全文见下方专阅区。

问题

费马小定理:p 素数时 p | 2p−1 − 1。什么时候 «平方» 也成立,即 p² | 2p−1 − 1?这样的 p 称为(以 2 为底的)维费里希素数。已知只有两个:1093(迈斯纳 1913)与 3511(贝利–米克 1922),搜索至 6.7×1015 无第三例。对一般底 a:底 3 的最小维费里希素数是 11(3¹⁰ ≡ 1 mod 121)。问题:维费里希素数是否对每个底有无穷多个?概率启发式(命题 3)说 «是,密度 ~ log log»,而连 «是否存在第三个» 都不知道——已知信息全部是 «负向» 的(命题 1)。

主要概念

费马商

qp(a) = (ap−1 − 1)/p 是 «费马商»;维费里希条件即 qp(a) ≡ 0 (mod p)。费马商的算术(米尔曼尼夫商、艾森斯坦和)是 FLT 第一情形理论与库默尔判据的枢纽。

与 FLT 第一情形的生死关系

维费里希 1909 证明:若 FLT 第一情形对 p(即 xp+yp+zp = 0 无 p ∤ xyz 的解)失败,则 p 是以 2 为底的维费里希素数;米尔曼尼夫 1910 加上底 3。故 «维费里希素数有限 + 底 3 维费里希素数有限» 曾是 FLT 第一情形的攻击路线——怀尔斯之后它退役为 «结构问题»,但其中的机制(命题 1)仍是库默尔–艾森斯坦框架的最佳展示。

主要命题与证明

命题 1(维费里希–米尔曼尼夫定理,完整陈述与证明骨架) 若 FLT 第一情形对奇素数 p 失败,则 2p−1 ≡ 1 (mod p²) 且 3p−1 ≡ 1 (mod p²)。

骨架 库默尔的 «理想类数判据»:FLT 第一情形失败 ⇒ p 整除某个伯努利分子(库默尔判据的失败侧)。再经艾森斯坦恒等式:Σj=1(p−1)/2 1/j ≡ −2qp(2) (mod p) 与米尔曼尼夫的同余 Σ 1/j² ≡ 0 (mod p)(对第一情形反例的结构分析),把 «类数整除» 逐级转译为 «费马商 ≡ 0»。□

命题 2(1093 的验算路线,完整演算骨架) 1093 是维费里希素数。

演算 需证 2¹⁰⁹² ≡ 1 (mod 1093²)。路线:2¹⁰⁹² = (2¹⁸²)⁶。用 «半和» 恒等式(命题 1 的艾森斯坦和):对 p = 1093,Σj=15461/j 的奇偶项分离给出 2qp(2) ≡ −Σ 1/j;直接数值路线更快:反复平方计算 2 的 182 次幂模 1093² = 1194649——由 2¹⁸² = 2·(2⁷)²⁶ 起步,模幂约 12 次平方、每次截断到 7 位数,最终得 2¹⁰⁹² ≡ 1 (mod 1194649)(迈斯纳 1913 年的手算即此路线)。□

命题 3(启发式,完整推导) 固定底 a,素数 p ∤ a 是维费里希素数的 «概率» 约为 1/p(ap−1 mod p² 在 «与 1 同余的 p 个剩余类» 中近似均匀,命中 1 的概率 1/p)。故 πW(x) ≈ Σp≤x 1/p ≈ log log x + M——增长极其缓慢:log log(6.7×1015) ≈ 3.5,与 «只见到 2 个» 相容(常数项的随机涨落 ±2 完全正常)。发散性 ⇒ 预测无穷多个,但下一个可能比可观测宇宙的原子数还大。

命题 4(西尔弗曼定理 1988,严格梗概) abc 猜想蕴含:对每个底 a ≥ 2,非维费里希素数(p² ∤ ap−1−1)有无穷多个——且密度为 1。梗概:反设除有限集 S 外全是维费里希素数;对 n = ak − 1 应用 abc 于 1 + (ak−1) = ak:根积受 «ak−1 的素因子至多 «平方出现»» 压制(维费里希假设使新素因子以平方指数进入),导出 rad(ak(ak−1)) 的增长跟不上 ak——与 abc 矛盾。□

进展与文献

维费里希 1909、米尔曼尼夫 1910 的原文是库默尔理论的巅峰应用;西尔弗曼见 Invent. Math. 1988(«Wieferich's criterion and abc»)。计算:PrimeGrid 项目把底 2 搜索推至 6.7×1015(2010s 后仍无第三例);底 3 的第二例 1006003 已知。第二类维费里希素数(费马商 qp(2) ≡ 0 mod p 且 qp(2)² ≡ 0 mod p 的 «二阶» 版本)至今零样本。与问题 33(欧几里得数的平方因子)、46(Agoh–Giuga)同属 «模 p² 的伪随机命中» 家族——三者共享命题 3 的启发式,也共享 «一个样本都没有/只有两个» 的尴尬。

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