תורת המספרים

תורת המספרים היא ענף של המתמטיקה העוסק בתחום רחב של נושאים, ששורשיהם בחקר התכונות של המספרים הטבעיים.

בעיות רבות בתורת המספרים הן קלות לניסוח אך קשות מאוד לפתרון, וענפים נכבדים במתמטיקה מודרנית פותחו תוך ניסיון לפתור בעיות מסוג זה. דוגמה ידועה היא המשפט האחרון של פרמה, ובעיות שהן עדיין פתוחות השערת גולדבך (כל מספר זוגי הגדול מ - 2, הוא סכום של שני ראשוניים), השערת הראשוניים התאומים (שלפיה יש אינסוף זוגות של ראשוניים שההפרש ביניהם הוא 2) והשערת מספרי מרסן הראשוניים (שלפיה יש אינסוף מספרי מרסן ראשוניים וכתוצאה מכך קיימים אינסוף מספרים משוכללים).

תחומים בתורת המספרים

ניתן לחלק את תורת המספרים לתחומים, על-פי אופי הבעיות הנדונות ושיטות הפתרון.

בתורת המספרים האלמנטרית נחקרות תכונותיהם של המספרים השלמים ללא ניצולן של טכניקות מענפי מתמטיקה אחרים. שאלות הקשורות להתחלקות, האלגוריתם של אוקלידס למציאת מחלק משותף מקסימלי, פירוק לגורמים ראשוניים, מספרים משוכללים וסדרות חשבוניות נמצאות בתחום זה. משפטים מרכזיים הם המשפט הקטן של פרמה ומשפט אוילר המכליל אותו, משפט השאריות הסיני, ומשפט ההדדיות הריבועית. נלמדות גם פונקציות אריתמטיות, כמו הפונקציה (פי) של אוילר, שהן פונקציות המוגדרות על-פי תכונות מספריות.

תורת המספרים האנליטית משתמשת בכלים של חשבון אינפיניטסימלי ופונקציות מרוכבות כדי להתמודד עם בעיות העוסקות בתכונותיהם של המספרים השלמים. כלים אלה הם שימושיים ביותר בחקר תכונותיהם של המספרים הראשוניים: משפט המספרים הראשוניים, משפט מרכזי המתאר את צפיפותם של מספרים אלה, הוכח באמצעות כלים אנליטיים, וכמוהו גם תוצאות רבות אחרות הקשורות בראשוניים (ב-1949 מצאו פאול ארדש ואטלה סלברג הוכחה 'אלמנטרית' למשפט המספרים הראשוניים; הוכחה זו אינה משתמשת בכלים אנליטיים, אבל היא נחשבת למסובכת וקשה יותר מן ההוכחה האנליטית). השערת רימן היא בעיה פתוחה חשובה שצמחה מתורת המספרים האנליטית, ובעיות פתוחות כמו השערת גולדבך נחקרות באמצעים דומים.

ענף חשוב אחר בתורת המספרים האנליטית הוא תורת הקירובים הדיופנטיים, העוסקת בקירובים רציונליים למספרים אי-רציונליים ומאפשרת לחקור את הפתרונות השלמים של משוואות כגון .

תורת המספרים האלגברית עוסקת בשלמים אלגבריים שהם הכללה של המספרים השלמים הרגילים: מספרים כמו או הם שלמים אלגבריים. למספרים אלה יש, בהנחות מסוימות, תכונות דומות למספרים השלמים הרגילים, וניתן בעזרתם לתקוף ביתר-קלות בעיות בתורת המספרים.

בגאומטריה אלגברית אריתמטית חוקרים בעיות בתורת המספרים בכלים המשלבים גאומטריה ואלגברה. האובייקטים העיקרים הנחקרים בתחום הם סכימות אריתמטיות. בתחום זה נודעת חשיבות מיוחדת לחקר עקומים אליפטיים והנקודות השלמות והרציונליות עליהם; ההוכחה של ויילס למשפט האחרון של פרמה שייכת לתחום זה. השם תורת המספרים הגאומטרית (או גאומטריה של מספרים) מתייחס לתחום קלאסי יותר, בעיקר התורה של מינקובסקי הדנה בגאומטריה של סריגים.

תורת המספרים החישובית עוסקת בחקר אלגוריתמים הרלוונטיים לתורת המספרים. לאלגוריתמים לבדיקה מהירה האם מספר נתון הוא מספר ראשוני ולפירוק לגורמים חשיבות גדולה בקריפטוגרפיה, תחום שהפך את תורת המספרים מענף עיוני לענף שימושי ביותר.