九 章 格 数 学 · 数 学 前 沿 · V I P 专 阅

阿戈–吉乌加猜想

《数论中的 50 个公开问题》 · 问题 46 专题综述

题面整数 n>1 是素数当且仅当 n·B_{n−1} ≡ −1 (mod n)(B 为伯努利数)。

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

威尔逊定理说:n > 1 是素数 ⟺ (n−1)! ≡ −1 (mod n)。阿戈–吉乌加猜想是它的 «伯努利版»:n > 1 是素数 ⟺

n·Bn−1 ≡ −1 (mod n),

其中 «≡ −1 (mod n)» 按逐素因子解读(见命题 1)。«素数 ⟹» 方向由库默尔同余保证(定理);«⟸ 素数» 方向等价于:满足该同余的合数(吉乌加数)不存在。已知 «准吉乌加数» 30, 858, 1722, 66198, 2214408306, … 恰好差一个可除性因子(命题 2)。这与威尔逊定理的处境形成对照:威尔逊的 «合数侧» 有完全简单的刻画(n 合数 ⟺ (n−1)! ≡ 0 mod n,n ≠ 4),而伯努利版的合数侧异常微妙。

主要概念

伯努利数与幂和

伯努利数 Bk 由 Σj=0m jk = (Bk+1(m+1) − Bk+1)/(k+1) 定义(Bk+1(x) 为伯努利多项式)。库默尔同余:Bp−1 的模 p 行为由 «正则性» 控制,且 p·Bp−1 ≡ −1 (mod p) 对一切素数成立——这正是 «素数 ⟹» 方向。

幂和判据

吉乌加的同余 n | Σj=1n−1 jn−1 + 1 与伯努利判据等价(经幂和公式)。合数 n 满足它的充要条件(命题 1):对每个 p | n,p | n/p − 1——满足的合数称吉乌加数。

主要命题与证明

命题 1(吉乌加判据,完整证明) 设 n > 1。则 Σj=1n−1 jn−1 ≡ −1 (mod n)(逐素因子)当且仅当对每个素数 p | n 同时有:(a)p − 1 | n − 1;(b)n/p ≡ 1 (mod p)。

证明 固定 p | n,把 j = 1, …, n−1 按 mod p 分组:每个剩余类恰出现 n/p 次,故

Σj=1n−1 jn−1 ≡ (n/p)·Σr=1p−1 rn−1 (mod p).

情形(a)成立,即 p−1 | n−1:由费马小定理每个 rn−1 = (rp−1)(n−1)/(p−1) ≡ 1,内和 ≡ p−1 ≡ −1 (mod p),条件化为 (n/p)·(−1) ≡ −1,即(b)。情形(a)不成立:取模 p 的乘法群生成元 g,内和 Σr rn−1 = Σk=0p−2 gk(n−1) 为几何级数;因 p−1 ∤ n−1,公比 ≠ 1,级数和 = (g(p−1)(n−1) − 1)/(gn−1 − 1) = 0 (mod p)。故同余 Σ ≡ −1 (mod p) 失败(左边 ≡ 0 ≠ −1)。两情形合并即得判据。□

命题 2(完整判据合数的算术刻画 + 验证示例) (一)同时满足命题 1 的(a)(b)的合数必无平方因子且是卡迈克尔数。(二)30 = 2·3·5 满足(b)而违反(a):核验 n/p − 1 = 14, 9, 5 分别被 p = 2, 3, 5 整除 ✓((b)成立);但 p = 3 时 p−1 = 2 ∤ 29((a)失败)。这类 «仅满足(b)» 的合数文献称吉乌加数:已知 13 个——30, 858, 1722, 66198, 2214408306, 24423128562, …——每一个都在(a)处翻车;同时满足(a)(b)的合数样本为零,这正是猜想的核心缺口。

证明(一) (b)n/p ≡ 1 (mod p) 立即给出 p² ∤ n(否则 n/p ≡ 0 (mod p),与 ≡ 1 矛盾)——n 无平方因子。(a)对每个 p | n 成立,加上无平方因子与合数性,由 Korselt 定理 n 是卡迈克尔数。□

命题 3(Kellner 的精确化) Agoh–Giuga 判据 n·Bn−1 ≡ −1 (mod n) 与幂和判据等价(对素数方向由库默尔同余 + 幂和公式;对合数方向由命题 1 的结构);满足伯努利判据的合数必须同时是吉乌加数与卡迈克尔数。已知的 «同时满足两个同余的合数» 若存在将超过 13800 位数字(Borwein 等 1996 的计算壁垒)。

进展与文献

Giuga 1950 的原始猜想与 Agoh 1995 的伯努利重述;Kellner 的系列论文(〈On weak Carmichael numbers〉等)建立 «吉乌加–卡迈克尔» 交叉理论:同时满足两个判据的合数称 «吉乌加–卡迈克尔数»,其存在性与本猜想等价。与问题 24(Erdős–Moser)、问题 44(维费里希)同属 «伯努利数算术» 的核心家族;问题 24 的综述里已指出 Erdős–Moser 方程与 Agoh–Giuga 纲领同源(都经伯努利数的 «正则性» 结构)。计算:吉乌加数(仅满足 (b) 型 «每素因子 p | n/p − 1» 的,即 «Giuga 数» 严格定义)已知 13 个,第一个是 30——注意术语分层:文献中 «Giuga number» 指仅满足 p | n/p − 1 者,30 是第一个;而 «完整判据»((a)+(b))的合数样本为零,这正是猜想的核心缺口。

← 返回问题 46