Carmichael-Zahlen

Die Carmichael-Zahl, benannt nach dem Mathematiker Robert Daniel Carmichael, ist eine spezielle Form der eulerschen Pseudoprimzahl, für die gilt: Eine Carmichael-Zahl nn ist pseudoprim zu allen Basen, die keine gemeinsamen Primfaktoren mit nn haben. Jede Carmichael-Zahl ist das Produkt aus mindestens 3 Primzahlen.

Einleitung

Es ist einfach, eine Carmichael-Zahl als solche zu erkennen, wenn man ihre sämtlichen Teiler kennt. Dies ist dem Theorem von Alwin Korselt zu verdanken. So ist es auch einfach, eine Carmichael-Zahl zu erzeugen, zumal Algorithmen wie der nach J. Chernick existieren. Problematisch ist es aber, gerade bei großen Zahlen, zu erkennen, ob es sich bei einer Zahl um eine Carmichael-Zahl handelt. Diese Schwierigkeit haben die Carmichael-Zahlen mit den Primzahlen gemeinsam, denn entweder man führt eine Faktorisierung durch, oder man wendet den kleinen fermatschen Satz auf die Zahl an, wobei man für die Basen, die nicht auf eine Primalität weisen und die bei Primzahlen nicht vorkommen, auf Teilbarkeit testen muss.

Definition

Eine zusammengesetzte natürliche Zahl qq heißt Carmichael-Zahl, falls für alle zu qq teilerfremden Zahlen aa gilt:
aq11(modq) a^{q-1} \equiv 1\quad( \mod q)

Beispiel

561 = 3*11*17 ist die kleinste Carmichael-Zahl.
Für alle Basen aa, die keinen Primfaktor mit 561 gemeinsam haben, gilt:
a5601(mod561)a^{560} \equiv 1\quad (\mod 561)
561 ist durch 3, 11, 17, 33, 51 und 187 teilbar. Für diese Teiler gilt aq11(mod q)a^{q-1} \equiv 1\quad ({\rm mod\ } q) nicht!
3560375(mod561)3^{560} \equiv 375 \quad ({\rm {mod}\, } 561)
11560154(mod561)11^{560} \equiv 154 \quad ({\rm {mod} \, } 561)
17560460(mod561)17^{560} \equiv 460 \quad ({\rm {mod} \, } 561)
u. s. w.

Das Theorem von Alwin Korselt

Bereits 1899 hat Alwin Korselt folgendes Theorem aufgestellt:
  1. Es existieren ungerade, quadratfreie natürliche Zahlen nn, so dass anaa^n-a für alle natürlichen Zahlen aa ein Vielfaches von nn ist
  2. Für alle Primteiler pp von nn gilt, dass p1p - 1 die Zahl n1n - 1 teilt.
Korselt selbst hat solche Zahlen jedoch nie gefunden.
Speziell der zweite Teil des Theorems liefert eine Eigenschaft auf die Teilbarkeit der Carmichael-Zahlen:
Für eine Carmichael-Zahl c=p1p2p3pn c = p_1 * p_2 * p_3 * \, \, \, * p_n gilt, dass alle pi1 p_i-1 die die Zahl c1 c-1 teilen.

Folgerung

Aus der Tatsache, dass pi1c1p_i-1|c-1 kann man für alle a a\ folgern, dass acamodc a^c \equiv a \, \mathrm{mod}\, c\
Beweis
oBdA: p1piap_1 \dots p_i | a
ac0amodp1a^{c} \equiv 0 \equiv a \, \mathrm{mod}\, p_1
\vdots
ac0amodpia^{c} \equiv 0 \equiv a \, \mathrm{mod}\, p_i
acac1aa(pi+11)bi+1aamodpi+1a^c \equiv a^{c-1}\cdot a \equiv a^{(p_{i+1}-1) \cdot b_{i+1}} \cdot a \equiv a \, \mathrm{mod}\, p_{i+1}
\vdots
acac1ca(pn1)bnaamodpna^c \equiv a^{c-1}\cdot c \equiv a^{(p_{n}-1) \cdot b_{n}} \cdot a \equiv a \, \mathrm{mod}\, p_{n}
Nach dem chinesischem Restsatz folgt nun acamodca^{c} \equiv a \, \mathrm{mod}\, c

Beispiel

Die Carmichael-Zahl 172081 ist das Produkt der Primzahlen 7, 13, 31 und 61. Es gilt:
1720811=(71)28680172081 - 1 = (7 - 1) * 28680
1720811=(131)14340172081 - 1 = (13 - 1) * 14340
1720811=(311)5736172081 - 1 = (31 - 1) * 5736
1720811=(611)2868172081 - 1 = (61 - 1) * 2868

Verschärfung

Aufgrund der Identität n1=np1+(p1)npn-1 = \dfrac{n}{p}-1+(p-1)\dfrac{n}{p} gilt für jeden Primteiler pp einer natürlichen Zahl nn:
n1np1(modp1)n-1\equiv\dfrac{n}{p}-1\pmod{p-1}.
Somit lässt sich der zweite Teil von Korselts Satz auch formulieren als:
Eine Zahl nn mit der Menge der Primteiler PP ist genau dann eine Carmichael-Zahl, wenn für jedes pPp\in P gilt:
p1p-1 teilt np1\dfrac{n}{p}-1

Beispiel

Für die Carmichael-Zahl 172081 = 7 * 13 * 31 * 61 gilt:
17208171=245831=(71)4097\dfrac{172081}{7} - 1 = 24583 - 1 = (7 - 1) * 4097
172081131=132371=(131)1103\dfrac{172081}{13} - 1 = 13237 - 1 = (13 - 1) * 1103
172081311=55511=(311)185\dfrac{172081}{31} - 1 = 5551 - 1 = (31 - 1) * 185
172081611=28211=(611)47\dfrac{172081}{61} - 1 = 2821 - 1 = (61 - 1) * 47

Robert Daniel Carmichael

Robert Daniel Carmichael hat dann 1910 mit 561 die erste Zahl gefunden, die den Eigenschaften des Theorems von Korselt entspricht. Nach Carmichael wurden dann auch später diese Zahlen benannt.

Carmichael-Zahlen allgemein

Neben den oben aufgeführten Bedingungen für Carmichael-Zahlen von Korselt gilt für alle Carmichael-Zahlen, dass sie aus mindestens drei teilerfremden, ungeraden Primfaktoren zusammengesetzt sein müssen.
Seit 1992 weiß man, dass unendlich viele Carmichael-Zahlen existieren.
Die ersten 36 Carmichael-Zahlen
561 = 3 * 11 * 17 52633 = 7 * 73 * 103 294409 = 37 * 73 * 109
1105 = 5 * 13 * 17 62745 = 3 * 5 * 47 * 89 314821 = 13 * 61 * 397
1729 = 7 * 13 * 19 63973 = 7 * 13 * 19 * 37 334153 = 19 * 43 * 409
2465 = 5 * 17 * 29 75361 = 11 * 17 * 31 340561 = 13 * 17 * 23 * 67
2821 = 7 * 13 * 31 101101 = 7 * 11 * 13 * 101 399001 = 31 * 61 * 211
6601 = 7 * 23 * 41 115921 = 13 * 37 * 241 410041 = 41 * 73 * 137
8911 = 7 * 19 * 67 126217 = 7 * 13 * 19 * 73 449065 = 5 * 19 * 29 * 163
10585 = 5 * 29 * 73 162401 = 17 * 41 * 233 488881 = 37 * 73 * 181
15841 = 7 * 31 * 73 172081 = 7 * 13 * 31 * 61 512461 = 31 * 61 * 271
29341 = 13 * 37 * 61 188461 = 7 * 13 * 19 * 109 530881 = 13 * 97 * 421
41041 = 7 * 11 * 13 * 41 252601 = 41 * 61 * 101 552721 = 13 * 17 * 41 * 61
46657 = 13 * 37 * 97 278545 = 5 * 17 * 29 * 113 656601 = 3 * 11 * 101 * 197
 
 

Alle Pädagogen sind sich darin einig: man muß vor allem tüchtig Mathematik treiben, weil ihre Kenntnis fürs Leben größten direkten Nutzen gewährt.

Felix Klein

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