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「p以下の素数の総和」が素数である素数 p を求めよ(う)。

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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?
122Yes
235Yes
3510No
4717Yes
51128No
61341Yes
71758No
81977No
923100No
1029129No
1131160No
1237197Yes
1341238No
1443281Yes
1547328No
1653381No

 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、

  • 1列目の数 $ n $(素数の番号)については、オンライン整数列大辞典の A013916 ,
  • 2列目の数 $ p_n $(足し合わせる素数)については、 A013917 ,
  • 3列目の数 $ \sum p_n $(素数の総和)については、 A013918 ,
    と、連番で収められていました。

 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 $
122
235
4717
61341
1237197
1443281
602817699
643118893
9650322039
10054124133
10255725237
10859328697
11461932353
12267337561
12468338921
13073343201
13274344683
14683955837
15288161027
15892966463
16295370241
178106186453
1921163102001
1981213109147
2041249116533
2061277119069
2081283121631
2141307129419
2161321132059
2961949263171
3082029287137
3262161325019
3282203329401
3302213333821
3322237338279
3342243342761
3422297360979
3502357379667
3562393393961
3582411398771
4262957581921
4463137642869
4583251681257
4603257687767
4643301700897
4803413754573
4843461768373
4883491782263
5123671868151
5303821935507
5363863958577
54839471005551
56841291086557
62045831313041
63046571359329
67650511583293
68050871603597
69652331686239
70853511749833
73455631891889
76258072051167
76858492086159
77658972133121
78059392156813
78460072180741
80862112327399
81462632364833
82063012402537
83664272504323
84465292556187
84865632582401
85265812608699
92672433120833
94274333238237
98477573557303
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