せっかく登録したので何か初記事でも書いておきましょうか。
Twitter 上にはさまざまな数学問題bot(どちゃ楽など)があるのですが、その中でも 【問】bot というのはちょっと際立っていまして、未解決っぽい問題や、これは解けそうになさそうなもの(非解決問題?)とかまで収録されていまして。また、問題のカテゴリも「数学」とは限らなかったりします。
その中の一問から。
【問】「p以下の素数の総和」が素数である素数pを求めよ。
https://twitter.com/toibot/status/1559537798356795392
問題自体は$\textbf{中学数学}$でも、理解できそうなところのものですが、全て求めることはとてもできそうにありません。「すべて求めよ」とまでは書いてないんですけどね。これを満たす素数もまた無限に存在しそうな$\textbf{「気はします」}$が、$\textbf{「気がする」}$だけでは$\textbf{「証明」}$にはなりませんから。それにしても$\textbf{一般項}$とかも求めることはできるのか?
とりあえず、最初の十数個の素数について調べてみます。
以後、素数の番号(何番目の素数)かを $ n $、$ n $ 番目の素数 を $ p_n $、$ p_n $ 以下の素数の総和を $ \sum p_n $ と表します。
※ 本当は素数の総和については $ \sum_{k=1}^{n} p_k $ と書くべきなのですが。
| $ n $ | $ p_n $ | $ \sum p_n $ | $ \sum p_n $ は素数か? |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 2 | Yes |
| 2 | 3 | 5 | Yes |
| 3 | 5 | 10 | No |
| 4 | 7 | 17 | Yes |
| 5 | 11 | 28 | No |
| 6 | 13 | 41 | Yes |
| 7 | 17 | 58 | No |
| 8 | 19 | 77 | No |
| 9 | 23 | 100 | No |
| 10 | 29 | 129 | No |
| 11 | 31 | 160 | No |
| 12 | 37 | 197 | Yes |
| 13 | 41 | 238 | No |
| 14 | 43 | 281 | Yes |
| 15 | 47 | 328 | No |
| 16 | 53 | 381 | No |
表を見ておわかりの通り、素数の中では $ 2 $ だけが偶数であとは奇数ですので、$ 3 $ 以上の奇数番目の素数までの総和においては総和も偶数となり(奇数を偶数回足し合わせているので)、$ 2 $ で割り切れるわけでして、総和は素数とはなりえません。
まぁ、とりあえず$\textbf{python}$で実際に計算してみようということで。
n = 1 # 素数の番号
p = 2 # n番目の素数
sum = 0 # p以下の素数の総和
# とりあえず打ち切るまでの回数を指定
while n < 1000:
sum += p
# 総和が素数であれば n, p, sum を表示する
if isprime(sum):
print(n, p, sum)
n += 1
p = nextprime(p)
ここで isprime(sum) は sum が素数であるか否かを返す関数、nextprime(p) は pを超える最小の素数(pの次の素数)を返すものだと思ってください(以前作った自前のものを使いました)
これの実行結果としては以下の通り。(1000番目の素数まで計算)
この表(縦に長いですね)における、
問題で要求されている答えとしては、2列目の数列となるところでしょう。
それにしても $ p_{14} = 43 $ の次は $ p_{60} = 281 $ と、初めの方にしてはずいぶん飛びますね。気になるのはそのあたりのみでしょうか。やはり $ \textbf{無限に存在しそうな「気はします」}$ がね……。
昔からの某掲示板の匿名表記として有名な「$ 132 $番目の素数」($ 743 $ つまり「ナナ・シ・サン」になるんですが)もそれ以下の素数の総和が $ 44683 $ で素数となるようですね。
| $ n $ | $ p_n $ | $ \sum p_n $ |
|---|---|---|
| 1 | 2 | 2 |
| 2 | 3 | 5 |
| 4 | 7 | 17 |
| 6 | 13 | 41 |
| 12 | 37 | 197 |
| 14 | 43 | 281 |
| 60 | 281 | 7699 |
| 64 | 311 | 8893 |
| 96 | 503 | 22039 |
| 100 | 541 | 24133 |
| 102 | 557 | 25237 |
| 108 | 593 | 28697 |
| 114 | 619 | 32353 |
| 122 | 673 | 37561 |
| 124 | 683 | 38921 |
| 130 | 733 | 43201 |
| 132 | 743 | 44683 |
| 146 | 839 | 55837 |
| 152 | 881 | 61027 |
| 158 | 929 | 66463 |
| 162 | 953 | 70241 |
| 178 | 1061 | 86453 |
| 192 | 1163 | 102001 |
| 198 | 1213 | 109147 |
| 204 | 1249 | 116533 |
| 206 | 1277 | 119069 |
| 208 | 1283 | 121631 |
| 214 | 1307 | 129419 |
| 216 | 1321 | 132059 |
| 296 | 1949 | 263171 |
| 308 | 2029 | 287137 |
| 326 | 2161 | 325019 |
| 328 | 2203 | 329401 |
| 330 | 2213 | 333821 |
| 332 | 2237 | 338279 |
| 334 | 2243 | 342761 |
| 342 | 2297 | 360979 |
| 350 | 2357 | 379667 |
| 356 | 2393 | 393961 |
| 358 | 2411 | 398771 |
| 426 | 2957 | 581921 |
| 446 | 3137 | 642869 |
| 458 | 3251 | 681257 |
| 460 | 3257 | 687767 |
| 464 | 3301 | 700897 |
| 480 | 3413 | 754573 |
| 484 | 3461 | 768373 |
| 488 | 3491 | 782263 |
| 512 | 3671 | 868151 |
| 530 | 3821 | 935507 |
| 536 | 3863 | 958577 |
| 548 | 3947 | 1005551 |
| 568 | 4129 | 1086557 |
| 620 | 4583 | 1313041 |
| 630 | 4657 | 1359329 |
| 676 | 5051 | 1583293 |
| 680 | 5087 | 1603597 |
| 696 | 5233 | 1686239 |
| 708 | 5351 | 1749833 |
| 734 | 5563 | 1891889 |
| 762 | 5807 | 2051167 |
| 768 | 5849 | 2086159 |
| 776 | 5897 | 2133121 |
| 780 | 5939 | 2156813 |
| 784 | 6007 | 2180741 |
| 808 | 6211 | 2327399 |
| 814 | 6263 | 2364833 |
| 820 | 6301 | 2402537 |
| 836 | 6427 | 2504323 |
| 844 | 6529 | 2556187 |
| 848 | 6563 | 2582401 |
| 852 | 6581 | 2608699 |
| 926 | 7243 | 3120833 |
| 942 | 7433 | 3238237 |
| 984 | 7757 | 3557303 |
| 992 | 7853 | 3619807 |