시에르핀스키 수

시에르핀스키 수 (Sierpinski Number) 의 정의는 다음과 같습니다.

모든 자연수 $n$에 대하여, $k \times 2^{n} + 1$가 합성수가 되도록 하는 홀수 $k$을 시에르핀스키 수라고 한다.
현재까지 알려진 시에르핀스키 수 중 가장 작은 것은 $78557$입니다.
시에르핀스키 수 후보로는 $21181$, $22699$, $24737$, $55459$, $67607$이 있습니다.
원래 $78557$보다 작은 시에르핀스키 수 후보가 17개 있었는데, Seventeen of Bust 프로젝트로 많이 줄였습니다.
최근에는 $10223 \times 2^{31172165} + 1$이 소수 임이 밝혀지면서 후보 $10223$이 사라졌습니다.
발전된 프로트의 정리 로 위 후보들의 소수판정을 해볼 수 있습니다.
이와 닮은 꼴의 수로 리젤 수 가 있는데, 만약 시에르핀스키 수이면서 리젤 수이면 브라이어 수 라고 합니다.
정리 1.
모든 자연수 $n$에 대하여, $78557 \times 2^{n} + 1$은 합성수이다.
따라서, $78557$은 시에르핀스키 수 이다.
정리 1 증명

1. $2^{n} \pmod{p}$의 주기성
$2^{0} \equiv 1 \pmod{p}$은 자명하고, 페르마의 소정리 에 의해 $2^{p - 1} \equiv 1 \pmod{p}$ 이다.
따라서 $2^{1} \equiv 2^{p - 1 + 1} \pmod{p}$, $2^{2} \equiv 2^{p - 1 + 2} \pmod{p}$, ... $2^{k} \equiv 2^{p - 1 + k} \pmod{p}$ 이고, $2^{n} \pmod{p}$은 $p - 1$의 주기를 가진다.
(최소 주기가 아닐 수도 있다. $2^{3} \equiv 1 \pmod{7}$)

2. $X \equiv Y \pmod{n}$ 이면 $aX + c \equiv aY + c \pmod{n}$ (자명함)

A. $78557 \times 2^{0} + 1 \equiv 0 \pmod{3}$에서 $n \equiv 0 \pmod{2}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{3}$ (1, 2번 성질에 의해 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{3}$의 주기가 $2$)

B. $78557 \times 2^{1} + 1 \equiv 0 \pmod{5}$에서 $n \equiv 1 \pmod{4}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{5}$

C. $78557 \times 2^{1} + 1 \equiv 0 \pmod{7}$에서 $n \equiv 1 \pmod{6}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{7}$

D. $78557 \times 2^{11} + 1 \equiv 0 \pmod{13}$에서 $n \equiv 11 \pmod{12}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{13}$

E. $78557 \times 2^{15} + 1 \equiv 0 \pmod{19}$에서 $n \equiv 15 \pmod{18}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{19}$

F. $78557 \times 2^{27} + 1 \equiv 0 \pmod{37}$에서 $n \equiv 27 \pmod{36}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{37}$

G - 1. $78557 \times 2^{3} + 1 \equiv 0 \pmod{73}$에서 $n \equiv 3 \pmod{72}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{73}$

G - 2. $78557 \times 2^{39} + 1 \equiv 0 \pmod{73}$에서 $n \equiv 39 \pmod{72}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{73}$

G. $n \equiv 3 \pmod{72}$, $n \equiv 39 \pmod{72}$이면 $n \equiv 3 \pmod{36}$, $n \equiv 3 \pmod{36}$이면 $78557 \times 2^{n} + 1 \equiv 0 \pmod{73}$

다음은 $n = 36m + k (0 \leq k < 36)$이라 할 때, $k$의 값에 따른 표이다. ($k = 3$일 때 G이므로, "G"의 $n \equiv 3 \pmod{36}$ 의 경우에 해당된다는 뜻)

0
 A 
1
B C
2
 A 
3
 G 
4
 A 
5
 B 
6
 A 
7
 C 
8
 A 
9
 B 
10
 A 
11
 D 
12
 A 
13
B C
14
 A 
15
 E 
16
 A 
17
 B 
18
 A 
19
 C 
20
 A 
21
 B 
22
 A 
23
 D 
24
 A 
25
B C
26
 A 
27
 F 
28
 A 
29
 B 
30
 A 
31
 C 
32
 A 
33
B E
34
 A 
35
 D 

모든 자연수 $n$에 대하여 $78557 \times 2^{0} + 1$은 집합 $P = \left\{ 3, 5, 7, 13, 19, 37, 73 \right\}$ 의 원소 중 하나로 나누어떨어진다.
+) 집합 $P$는 Covering Set 이라 한다.