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未解決問題、算術と数論、1644年に提起

メルセンヌ素数の無限性

未解決

Mp=2p−1M_p = 2^p - 1(pp 自身も素数)の形のメルセンヌ素数は無限に存在する。

研究の最前線 2026年時点

2026年時点で、メルセンヌ素数の無限性は未解決である。知られているのはわずか52個で、GIMPS を通じてリュカ–レーマー・テストによりおよそ1億3600万までのすべての指数を検査して見つかったものである。レンストラ–ポメランス–ワグスタッフのヒューリスティックは、各 MpM_p が素数である「期待」確率を素数 pp に対して eγln⁡2⋅1p\frac{e^\gamma}{\ln 2}\cdot\frac{1}{p} とみなし、指数 XX までのメルセンヌ素数の個数はおよそ eγln⁡2ln⁡X\frac{e^\gamma}{\ln 2}\ln X 個──発散する、すなわち無限──と予測し、既知のリストとよく一致するが、これは確率モデルであって証明ではない。

既知の最良の結果

  • 2024年時点で52個のメルセンヌ素数が知られており、最大のものは 41,024,32041{,}024{,}320 桁の 2136279841−12^{136279841}-1(ルーク・デュラント/GIMPS、2024年)である。
  • レンストラ–ポメランス–ワグスタッフのヒューリスティックは無限に多くのメルセンヌ素数が存在すると予測し、観測された個数ともよく一致するが、証明されてはいない。

使われた手法と限界

手法達成したこと限界
リュカ–レーマー素数判定法特定の MpM_p が素数かどうかを高速かつ決定的に判定でき、GIMPS が現在の探索限界までのすべての指数を検査できるようにする。常に有限個の候補を一つずつ検査するに過ぎず、探索が尽きないことを証明する手段は与えない。
レンストラ–ポメランス–ワグスタッフのヒューリスティックある上限までのメルセンヌ素数の期待個数と間隔を予測し、これまでの記録とよく一致する。独立性を仮定した確率モデルであり、その仮定は厳密に正当化されていないため、無限性の問題を解決することはできない。

未解決の問い

  • 標準的な予想を仮定した条件付きであっても、メルセンヌ素数が無限に存在するという証明は存在するか。
  • 奇数の完全数は存在するか。存在しないとすれば、メルセンヌ素数の問題を先に解決せずにそれを示すことはできるか。

参考文献

  1. Chris K. Caldwell (2024). Mersenne Primes: History, Theorems and Lists
  2. Samuel S. Wagstaff Jr. (1983). Divisors of Mersenne numbers · DOI:10.1090/S0025-5718-1983-0679454-X
  3. Great Internet Mersenne Prime Search (2024). GIMPS Discovers Largest Known Prime Number: 2^136279841-1