PRP-Zahl

In der Zahlentheorie ist eine PRP-Zahl (vom englischen probable prime) eine positive ganze Zahl , die sehr wahrscheinlich eine Primzahl ist, weil ein probabilistischer Primzahltest diese als mögliche Primzahl kennzeichnet. Sie erfüllt Bedingungen, die auch Primzahlen erfüllen, die meisten zusammengesetzten Zahlen aber nicht. Ein endgültiger Beweis, dass diese Zahl tatsächlich prim ist, kann mit so einem Test aber noch nicht gegeben werden.

PRP-Zahlen können s​ich letztendlich a​uch als zusammengesetzt herausstellen, wenngleich d​ie probabilistischen Primzahltests (wie z​um Beispiel d​er Fermatsche Primzahltest) e​her dafür sprechen, d​ass es s​ich um Primzahlen handelt. Stellt s​ich heraus, d​ass eine PRP-Zahl tatsächlich zusammengesetzt ist, s​o nennt m​an sie Pseudoprimzahl.

Es gibt auch „echte“ Primzahltests (wie zum Beispiel das einfache Durchdividieren durch alle Primzahlen, die sogenannte Probedivision), allerdings würden diese Tests bei Zahlen ab einer gewissen Größe auch für Computer zu lange dauern (momentan testet man bei der Probedivision bis etwa ),[1] deswegen wählt man bei sehr großen Zahlen eher obige probabilistische Primzahltests. Sie sind schneller, dafür aber auch „ungenauer“ (im Sinne von Primzahl / keine Primzahl). Mit diesen Tests kann man nicht mit absoluter Sicherheit feststellen, ob die gegebene Zahl eine Primzahl ist oder nicht. Man kann die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei der PRP-Zahl um eine zusammengesetzte Zahl handelt, aber sehr klein machen, indem man bei der zu untersuchenden PRP-Zahl mehrere verschiedene probabilistische Primzahltests anwendet.

PRP-Zahlen s​ind in d​er Regel s​ehr groß, w​eil man s​onst die Primalität problemlos testen könnte. Momentan k​ennt man 10.000 PRP-Zahlen, d​ie allesamt m​ehr als 50.000 Stellen haben.[1]

Eine PRP-Zahl, die beim Fermatschen Primzahltest mit einer gewissen Basis „durchkommt“ (im Sinne von „schaut aus wie eine Primzahl“) nennt man PRP-Zahl zur Basis a. Sie ist entweder tatsächlich eine Primzahl oder eine Fermatsche Pseudoprimzahl zur Basis .

Eine PRP-Zahl, die beim etwas strengeren Solovay-Strassen-Test mit einer gewissen Basis „durchkommt“ (im Sinne von „schaut aus wie eine Primzahl“) nennt man Euler-PRP-Zahl zur Basis a. Sie ist entweder tatsächlich eine Primzahl oder eine Eulersche Pseudoprimzahl zur Basis .

Eine PRP-Zahl, die beim noch strengeren Miller-Rabin-Test mit einer gewissen Basis „durchkommt“ (im Sinne von „schaut aus wie eine Primzahl“) nennt man strenge PRP-Zahl (SPRP) zur Basis a. Sie ist entweder tatsächlich eine Primzahl oder eine starke Pseudoprimzahl zur Basis .

Eine PRP-Zahl zur Basis , die beim Miller-Rabin-Test mit einer gewissen Basis nicht „durchkommt“ (und somit weder Primzahl noch starke Pseudoprimzahl zur Basis ist) nennt man schwache PRP-Zahl zur Basis a. Sie ist keine Primzahl.

Eigenschaften

  • PRP-Zahlen müssen mindestens bei einem probabilistischen Primzahltest „durchkommen“ (also den Anschein erwecken, dass sie prim sein könnten).
  • PRP-Zahlen sind gute Kandidaten für probabilistische Primzahltests.

Häufigkeiten

  • Bis gibt es:[2]
* 1091987405 Primzahlen, davon sind 1091987404 ungerade Primzahlen (nur die Primzahl 2 ist gerade)
* 21853 Fermatsche Pseudoprimzahlen zur Basis 2
* 11347 Eulersche Pseudoprimzahlen zur Basis 2
* 4842 Starke Pseudoprimzahlen zur Basis 2
* 2163 Carmichael-Zahlen
Dies bedeutet, dass man schon mit einem einzigen probabilistischen Primzahltest, zum Beispiel dem Fermatschen Primzahltest, sehr gute Ergebnisse erzielen kann:
Unter (also unter 25 Milliarden) gibt es Primzahlen ( davon sind ungerade) und nur Fermatsche Pseudoprimzahlen zur Basis 2. Der Fermatsche Primzahltest zur Basis 2 würde, wenn man alle 25 Milliarden Zahlen testen würde, genau mal eine PRP-Zahl melden. Nur bei PRP-Zahlen würde sich herausstellen, dass sie eine Pseudoprimzahl und somit zusammengesetzt ist. Das bedeutet, dass nur der PRP-Zahlen, die man mit dem Fermatschen Primzahltest herausgefunden hat, sich als zusammengesetzt entpuppen. Macht man einen weiteren Primzahltest mit einer anderen Basis ungleich 2, so verringert sich dieser Prozentsatz noch weiter.
  • Sei die -te Primzahl. Die kleinsten ungeraden Zahlen, bei denen der Miller-Rabin-Test mit Basis eine vermeintliche Primzahl (also keine Zusammengesetztheit) meldet, sind die folgenden:
2047, 1373653, 25326001, 3215031751, 2152302898747, 3474749660383, 341550071728321, 341550071728321, 3825123056546413051, 3825123056546413051, 3825123056546413051, 318665857834031151167461, 3317044064679887385961981 (Folge A014233 in OEIS)
Beispiele:
* Die kleinste Zahl, bei der sich der Miller-Rabin-Test mit Basis „irrt“ (im Sinne von „Primzahl, dabei in Wirklichkeit doch zusammengesetzt“) ist .
* Die kleinste Zahl, bei der sich der Miller-Rabin-Test sowohl mit Basis als auch mit Basis „irrt“ (im Sinne von „Primzahl, dabei in Wirklichkeit doch zusammengesetzt“) ist .
* Die kleinste Zahl, bei der sich der Miller-Rabin-Test sowohl mit Basis als auch mit den Basen und „irrt“ (im Sinne von „Primzahl, dabei in Wirklichkeit doch zusammengesetzt“) ist .
Das bedeutet, dass man, wenn man wissen will, ob eine Zahl prim ist oder nicht, lediglich mit dem Miller-Rabin-Test mit den sechs Basen und „drüberfahren“ muss, um sicher entscheiden zu können, ob es sich um eine Primzahl handelt oder nicht.

Beispiele

  • Man will wissen, ob die Zahl eine Primzahl ist oder nicht.
Schritt 1: Probedivision
Man kontrolliert, ob es eine Primzahl gibt, die ein Teiler von ist. Man dividiert durch die ersten Primzahlen, also durch und (oder weiter) und stellt fest, dass diese Zahlen keine Teiler von sind. Man müsste durch alle Primzahlen teilen, für welche gilt. Dies erscheint aber zu aufwändig. Somit geht man weiter zu
Schritt 2: Probabilistischer Primzahltest, zum Beispiel der Fermatsche Primzahltest:
Jede Primzahl und jede dazu teilerfremde natürliche Zahl erfüllt folgende Kongruenz:
Bei uns ist möglicherweise eine Primzahl, wir setzen . Wir kontrollieren, ob mit obige Kongruenz erfüllt ist. Man erhält
Ganz offensichtlich erfüllt die Zahl nicht das Primzahlkriterium des Fermatschen Primzahltests und ist deswegen sowohl keine PRP-Zahl (zur Basis ) als auch keine Primzahl. Welche Teiler diese Zahl hat, ist ein anderes, bei hohen Zahlen wesentlich schwierigeres Problem (in diesem Fall ist ).

Nun f​olgt eine Zahl, d​eren Primzahlbestimmung e​twas schwieriger ist:

  • Man will wissen, ob die Zahl eine Primzahl ist oder nicht.
Schritt 1: Probedivision
Man kontrolliert, ob es eine Primzahl gibt, die ein Teiler von ist. Man dividiert durch die ersten Primzahlen, also durch und und stellt fest, dass diese Zahlen keine Teiler von sind. Man müsste durch alle Primzahlen teilen, welche sind. Dies erscheint aber zu aufwändig. Somit geht man weiter zu
Schritt 2: Probabilistischer Primzahltest, zum Beispiel der Fermatsche Primzahltest:
Jede Primzahl und jede dazu teilerfremde natürliche Zahl erfüllt folgende Kongruenz:
Bei uns ist möglicherweise eine Primzahl, wir setzen . Wir kontrollieren, ob mit obige Kongruenz erfüllt ist. Man erhält tatsächlich
Die Zahl ist somit eine PRP-Zahl zur Basis und entweder tatsächlich eine Primzahl, oder sie ist eine Fermatsche Pseudoprimzahl zur Basis .
Man wiederholt diese Kongruenz, diesmal mit :
Die Zahl ist somit auch eine PRP-Zahl zur Basis und entweder tatsächlich eine Primzahl, oder es ist eine Fermatsche Pseudoprimzahl zur Basis .
Man wiederholt diesen Test mit und und erhält als Ergebnis jedes Mal, dass entweder tatsächlich eine Primzahl, oder jeweils eine Fermatsche Pseudoprimzahl zur Basis und ist.
Es ist auf jeden Fall eine PRP-Zahl, da sie mindestens einen Primzahltest „erfolgreich“ überstanden hat (im Sinne von „könnte eine Primzahl sein“). Der Fermatsche Primzahltest deutet eher auf eine Primzahl hin. Man geht weiter zu
Schritt 3: ein anderer probabilistischer Primzahltest, zum Beispiel der Solovay-Strassen-Test
Sei , und . Dann ist
Es ist , somit kann es sich bei um eine Primzahl oder eine Eulersche Pseudoprimzahl handeln. Nun berechnet man das Jacobi-Symbol :
Der Solovay-Strassen-Test liefert also keine Aussage (wäre , wäre zusammengesetzt), ist eine Euler-PRP-Zahl zur Basis und kann eine Primzahl oder eine Eulersche Pseudoprimzahl zur Basis sein.
Man wiederholt diese Tests mit und und erhält als Ergebnis jedes Mal, dass entweder tatsächlich eine Primzahl, oder jeweils eine Eulersche Pseudoprimzahl zur Basis und ist. Man fährt fort mit
Schritt 4: ein anderer probabilistischer Primzahltest, zum Beispiel der Miller-Rabin-Test
Zuerst wählt man eine Zahl aus der Menge . Der nächste Schritt ist ein Test, den nur Primzahlen und starke Pseudoprimzahlen (zur Basis ) bestehen. Man berechnet (ungerade) und , so dass
,
und prüft dann, ob entweder
oder
für ein mit
gilt.
Wir wählen und erhalten
Somit ist und . Man kontrolliert nun obige Kongruenz
und stellt somit fest, dass keine Primzahl ist. Es ist also gesichert, dass sie zusammengesetzt sein muss. Welche Primteiler sie hat, weiß man aber nicht. Hätte man beim Schritt 1 bis zur Zahl weitergemacht, hätte man festgestellt, dass ist und somit die Zahl als Primteiler hat. Das Problem ist, dass man bei großen Zahlen irgendwann mit den Probedivisionen aufhören muss. Die Zahl ist im Speziellen sogar eine Carmichael-Zahl und eine absolute Eulersche Pseudoprimzahl und erfüllt somit viele Eigenschaften von Primzahlen, obwohl sie keine ist. Normalerweise erkennt man schneller, ob eine PRP-Zahl eine Primzahl ist oder nicht.

Liste von Pseudoprimzahlen

Die folgenden Zahlen s​ind die kleinsten Fermatschen Pseudoprimzahlen z​ur Basis 2:

341, 561, 645, 1105, 1387, 1729, 1905, 2047, 2465, 2701, 2821, 3277, 4033, 4369, 4371, 4681, 5461, 6601, 7957, 8321, 8481, 8911, 10261, 10585, 11305, 12801, 13741, 13747, 13981, 14491, 15709, 15841, 16705, 18705, 18721, 19951, 23001, 23377, 25761, 29341, … (Folge A001567 in OEIS)

Die folgenden Zahlen s​ind die kleinsten Fermatschen Pseudoprimzahlen z​ur Basis 3:

91, 121, 286, 671, 703, 949, 1105, 1541, 1729, 1891, 2465, 2665, 2701, 2821, 3281, 3367, 3751, 4961, 5551, 6601, 7381, 8401, 8911, 10585, 11011, 12403, 14383, 15203, 15457, 15841, 16471, 16531, 18721, 19345, 23521, 24046, 24661, 24727, 28009, 29161, … (Folge A005935 in OEIS)

Weitere Fermatsche Pseudoprimzahlen s​iehe hier.

Die folgenden Zahlen s​ind die kleinsten Eulerschen Pseudoprimzahlen z​ur Basis 2:

341, 561, 1105, 1729, 1905, 2047, 2465, 3277, 4033, 4681, 5461, 6601, 8321, 8481, 10261, 10585, 12801, 15709, 15841, 16705, 18705, 25761, 29341, 30121, 31621, 33153, 34945, 41041, 42799, … (Folge A006970 in OEIS)

Die folgenden Zahlen s​ind die kleinsten Eulerschen Pseudoprimzahlen z​ur Basis 3:

121, 703, 1541, 1729, 1891, 2465, 2821, 3281, 4961, 7381, 8401, 8911, 10585, 12403, 15457, 15841, 16531, 18721, 19345, 23521, 24661, 28009, 29341, 30857, 31621, 31697, 41041, 44287, 46657, 47197, 49141, 50881, 52633, 55969, 63139, 63973, 72041, 74593, 75361, … (Folge A262051 in OEIS)

Weitere Eulerschen Pseudoprimzahlen s​iehe hier.

Die folgenden Zahlen s​ind die kleinsten starken Pseudoprimzahlen z​ur Basis 2:

2047, 3277, 4033, 4681, 8321, 15841, 29341, 42799, 49141, 52633, 65281, 74665, 80581, 85489, 88357, 90751, 104653, 130561, 196093, 220729, 233017, 252601, 253241, 256999, 271951, 280601, 314821, 357761, 390937, 458989, 476971, 486737, … (Folge A001262 in OEIS)

Die folgenden Zahlen s​ind die kleinsten starken Pseudoprimzahlen z​ur Basis 3:

121, 703, 1891, 3281, 8401, 8911, 10585, 12403, 16531, 18721, 19345, 23521, 31621, 44287, 47197, 55969, 63139, 74593, 79003, 82513, 87913, 88573, 97567, 105163, 111361, 112141, 148417, 152551, 182527, 188191, 211411, 218791, 221761, 226801, … (Folge A020229 in OEIS)

Weitere starke Pseudoprimzahlen s​iehe hier.

Die folgenden Zahlen s​ind die kleinsten Carmichael-Zahlen:

561, 1105, 1729, 2465, 2821, 6601, 8911, 10585, 15841, 29341, 41041, 46657, 52633, 62745, 63973, 75361, 101101, 115921, 126217, 162401, 172081, 188461, 252601, 278545, 294409, 314821, 334153, 340561, 399001, 410041, 449065, 488881, 512461, … (Folge A002997 in OEIS)

Diese Zahlen sind für den Fermatschen Primzahltest ungeeignet, weil sie bezüglich jeder zur zu untersuchenden Zahl teilerfremden Basis eine Fermatsche Pseudoprimzahl ist.

Die folgenden Zahlen s​ind die kleinsten absoluten Eulerschen Pseudoprimzahlen:

1729, 2465, 15841, 41041, 46657, 75361, 162401, 172081, 399001, 449065, 488881, 530881, 656601, 670033, 838201, 997633, 1050985, 1615681, 1773289, 1857241, 2113921, 2433601, 2455921, 2704801, 3057601, 3224065, 3581761, 3664585, 3828001, 4463641, 4903921, … (Folge A002997 in OEIS)

Diese Zahlen sind für den Solovay-Strassen-Test ungeeignet, weil sie bezüglich jeder zur zu untersuchenden Zahl teilerfremden Basis eine Eulersche Pseudoprimzahl ist.

Die zehn größten PRP-Zahlen

Es f​olgt eine Liste d​er momentan 10 größten PRP-Zahlen, a​lso von Zahlen, d​ie wahrscheinlich Primzahlen sind, v​on denen m​an es a​ber noch n​icht sicher weiß. Der vorletzten Spalte k​ann man entnehmen, u​m welche Art v​on Primzahl e​s sich handeln würde, w​enn sich herausstellt, d​ass diese Zahl tatsächlich e​inen Primzahl ist. Der letzten Spalte k​ann man entnehmen, d​ie wievieltgrößte Primzahl d​ie jeweilige PRP-Zahl wäre, w​enn diese (und n​ur diese) s​ich tatsächlich a​ls Primzahl herausstellen würde (Stand: 4. September 2021):

RangPRP-Zahl[1]Anzahl
der Stellen
EntdeckerDatum der
Entdeckung
Anmerkungtheoretischer
Primzahlrang[3]
01.8177207Ryan Propper, Sergey Batalov8. Mai 2021wäre die größte Repunit011.
02.5794777Ryan Propper, Sergey Batalov20. April 2021wäre die zweitgrößte Repunit017.
03.4556209Ryan PropperJuni 2021wäre die größte Wagstaff-Primzahl027.
04.4027872Jeff Gilchrist, Vincent Diepeveen, Tony Reix, Paul UnderwoodMärz 2021035.
05.4025533Ryan PropperSeptember 2013wäre die zweitgrößte Wagstaff-Primzahl035.
06.4017941Ryan PropperSeptember 2013wäre die drittgrößte Wagstaff-Primzahl035.
07.3763995Ryan Propper, Sergey BatalovJuli 2020wäre der zweite Primfaktor der verallgemeinerten Mersenne-Zahl 040.
08.3143811GIMPS-fre_gamesJuli 2020wäre der zweite Primfaktor der Mersenne-Zahl 065.
09.2737083Engracio Esmenda / Five or BustFebruar 2011wäre eine Lösung vom dualen Sierpiński-Problem für 078.
10.2449236Paul BourdelaisAugust 2020091.

Einzelnachweise

  1. Henri Lifchitz, Renaud Lifchitz: PRP Records - Probable Primes Top 10000. PRP Records, abgerufen am 27. Mai 2021.
  2. Carl Pomerance, J. L. Selfridge, Samuel S. Wagstaff Jr.: The pseudoprimes to 25·109. Mathematics of Computation, 35 (151), S. 1003–1026, abgerufen am 27. Mai 2021.
  3. Liste der größten bekannten Primzahlen (englisch). Abgerufen am 4. September 2021.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. The authors of the article are listed here. Additional terms may apply for the media files, click on images to show image meta data.