Когда мы делим целые числа друг на друга, возникает загвоздка. В то время как мы можем складывать, перемножать целые числа и вычитать их друг из друга в полной уверенности, что получим целое число, результат деления одного целого числа на другое иногда оказывается целым числом, а иногда и нет.
Возьмем два положительных целых числа а и b. Мы говорим, что а делится на b, если частное a / b – тоже целое число. Мы называем a – делимым, b – делителем.
Например, 24 делится на 6 (потому что частное от деления – целое число), но не на 7 (потому что частное не является целым числом). Всякое положительное целое число делится само на себя: если а – положительное целое число, то частное от а / а равно 1, и это, разумеется, целое число. Также всякое положительное целое число делится на 1, потому что, если а – положительное целое число, результат деления а / 1 равен а.
Положительное целое число называется простым, если у него есть ровно два делителя: 1 и оно само.
Например, 17 – простое число, потому что 1 и 17 – его единственные делители. По той же причине 2 – простое число.
С другой стороны, 18 не является простым числом, потому что помимо 1 и самого себя оно делится на 2, 3, 6 и 9. Такие числа, как 18, называют составными. Если говорить математическим языком, то положительное целое число называют составным, если у него есть другие делители помимо 1 и самого себя.
Размежевание чисел на простые и составные касается всех натуральных чисел, кроме 1. Мы выделяем 1 в отдельную категорию и называем единичным элементом, или единицей[15]. Кого-то расстраивает тот факт, что Плутон больше не причисляют к планетам, другие раздражены тем, что 1 не считается простым числом.
Если подытожить, у нас есть три категории положительных целых чисел:
• единица с одним положительным делителем;
• простое число с двумя положительными делителями;
• составное число с тремя и более положительными делителями.
Отмечу, что 1 – единственное в своем роде число, а вот составных чисел бесконечно много: 4, 6, 8, 10, 12 и т. д. – составные числа (и таких еще много).
Но сколько же простых чисел существует?
Разложить число на множители означает представить его в виде произведения. Рассмотрим число 84. Мы можем разложить его на множители несколькими способами, например:
2 × 42; 3 × 28; 12 × 7; 2 × 6 × 7; 21 × 4.
В пределе разложить на множители означает найти произведение простых чисел, например: 84 = 2 × 2 × 3 × 7. Нельзя разбить эти множители на части, потому что каждый из них представляет собой простое число. Разумеется, мы можем добавить какое-то количество единиц, например:
84 = 1 × 1 × 2 × 2 × 3 × 7,
но дополнительные множители усложняют, а не упрощают выражение, другие множители от этого не становятся меньше[16].
Возьмем другой пример: 120. Мы можем представить 120 как 12 × 10 и затем 12 как 2 × 2 × 3, а 10 – как 2 × 5. Это дает:
120 = (2 × 2 × 3) × (2 × 5). (A)
С другой стороны, мы можем начать так: 120 = 4 × 30 и далее заметить, что 4 = 2 × 2, а 30 = 2 × 3 × 5. Вместе это дает:
120 = (2 × 2) × (2 × 3 × 5). (B)
Важно отметить, что простые числа в выражениях (A) и (B) одинаковые, различается лишь порядок, в котором они перемножаются. Это показано на рисунке.
Любой способ представления числа 120 в качестве произведения простых чисел дает один и тот же результат.
Эта единственность разложения на множители зафиксирована в следующей теореме[17].
Теорема (основная теорема арифметики). Любое положительное целое (натуральное) число может быть разложено на простые множители единственным образом (если пренебречь порядком множителей)[18].
(Здесь необходимо небольшое пояснение. В случае, скажем, числа 30 это утверждение достаточно ясно. Мы можем представить 30 как 2 × 3 × 5 или как 5 × 3 × 2 – разницы нет, отличается лишь порядок множителей. Простое число имеет всего один простой множитель – само себя. Например, множитель 13 – это 13. Но как быть с 1? Принято говорить, что пустое произведение[19] равно единичному элементу; таким образом, произведение отсутствующих элементов равно 1.)
Сочетая простые числа, мы выстраиваем все положительные целые числа. Простые числа – это атомы умножения.
Вернемся к вопросу: сколько всего простых чисел существует? Ответ – на следующей строчке.
15
Немного странно изобретать отдельное название для категории чисел, куда входит всего один элемент. На самом деле термин «единичный элемент», или «единица», имеет более широкое значение в сложных областях математики, но в применении к целым числам дает одно-единственное число: 1.
16
По этой причине мы исключили число 1 из множества простых чисел. Простые числа – это неделимые кирпичики; с их помощью мы выстраиваем любое положительное целое число путем умножения. С этой точки зрения число 1 бесполезно.
17
Теорема – это математическое утверждение, которое может быть неопровержимо доказано. Теорема в корне отличается от научной теории, представляющей собой модель или объяснение, которое подтверждается экспериментами. Также теорема отличается от математической теории, представляющей собой совокупность определений и теорем по определенной проблематике.
18
Мы не даем доказательства основной теоремы арифметики. Его можно найти в большинстве книг по теории чисел – области математики, изучающей свойства чисел.
19
Возведение числа в нулевую степень – пример пустого произведения. По определению, 10