ตัวประกอบ และ จำนวนเฉพาะ

ในคณิตศาสตร์ จำนวนเฉพาะ (อังกฤษ : prime number) คือ จำนวนธรรมชาติที่มีตัวหารที่เป็นบวกอยู่ 2 ตัว คือ 1 กับตัวมันเอง ตรงข้ามกับจำนวนประกอบ
ลำดับของจำนวนเฉพาะเริ่มต้นด้วย

2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, 103, 107, 109, 113...

ดูบทความ รายชื่อจำนวนเฉพาะ สำหรับจำนวนเฉพาะ 500 จำนวนแรก สำหรับเลข 1 ไม่ถือว่าเป็นจำนวนเฉพาะตามนิยาม

เซตของจำนวนเฉพาะทั้งหมดมักเขียนแทนด้วย $\mathbb P$ เนื่องจาก 2 เป็นจำนวนเฉพาะตัวเดียวที่เป็นเลขคู่ ดังนั้นคำว่า จำนวนเฉพาะคี่ จะถูกใช้เพื่อหมายถึงจำนวนเฉพาะทั้งหมดที่ไม่ใช่ 2
มีจำนวนเฉพาะอยู่มากเป็นอนันต์ บทพิสูจน์ที่เก่าแก่ที่สุดสำหรับประโยคนี้ คิดขึ้นโดยนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกชื่อ ยุคลิด ในหนังสือ Elements (Book IX, Proposition 20) ยุคลิดกล่าวในหนังสือของเขาว่า "มีจำนวนเฉพาะ มากกว่าจำนวนเฉพาะ[จำนวนจำกัด]ที่กำหนดให้" บทพิสูจน์ของเขาสามารถสรุปย่อๆได้ว่า:ให้ดูจำนวนเฉพาะมีจำนวนจำกัด ซึ่งเรากำหนดว่ามันเป็นจำนวนเฉพาะที่มีอยู่ทั้งหมด คูณจำนวนทั้งหมดเข้าด้วยกันและ บวก 1 ผลลัพธ์ที่ได้จะไม่สามารถหารด้วยจำนวนเฉพาะใดๆในเซตได้ เพราะว่าไม่ว่าจะหารด้วยตัวใดก็จะเหลือเศษ 1 ดังนั้น มันจะต้องเป็นจำนวนเฉพาะ หรืออาจจะมีจำนวนเฉพาะที่หารมันลงตัวแต่ไม่ได้อยู่ในเซตจำกัดนี้ ดังนั้น เซตนี้ไม่ได้มีจำนวนเฉพาะทั้งหมด
ในทางปฏิบัติ เราต้องการตรวจสอบว่าเลขที่กำหนดให้ว่าเป็นจำนวนเฉพาะหรือไม่ มากกว่าจะสร้างรายการจำนวนเฉพาะทั้งหมดขึ้นมา ซึ่งวิธีที่ทดสอบ จะให้คำตอบด้วยความน่าจะเป็น เราสามารถตรวจสอบเลขที่มีขนาดใหญ่ (มี 1 พันหลักขึ้นไป) ว่าเป็นจำนวนเฉพาะหรือไม่ได้อย่างรวดเร็ว โดยใช้การทดสอบความเป็นจำนวนเฉพาะด้วย ความน่าจะเป็น (probabilistic primality tests) ซึ่งวิธีนี้ จะต้องทำการสุ่มตัวเลขขึ้นมาตัวหนึ่ง เรียกว่า "พยาน" (witness) และใช้สูตรที่เกี่ยวข้องกับพยาน และจำนวนเฉพาะ N ทำการทดสอบ หลังจากที่ทดสอบไปหลายรอบ เราจะตอบได้ว่า N เป็น"จำนวนประกอบอย่างแน่นอน" หรือ N "อาจเป็นจำนวนเฉพาะ" วิธีทดสอบไม่สามารถให้คำตอบได้ว่าเป็นจำนวนเฉพาะอย่างแน่นอนหรือไม่ การทดสอบบางครั้ง เมื่อใส่จำนวนประกอบลงไป ก็ให้คำตอบว่า"อาจเป็นจำนวนเฉพาะ"เสมอ ไม่ว่าจะเลือกพยานตัวใดก็ตาม จำนวนเหล่านี้เรียกว่า จำนวนเฉพาะเทียม (pseudoprimes) สำหรับการทดสอบ

สมบัติบางประการของจำนวนเฉพาะ

ถ้า p เป็นจำนวนเฉพาะ และ p หาร ab ลงตัวแล้ว p หาร a ลงตัว หรือ p หาร b ลงตัว ประพจน์นี้พิสูจน์โดยยุคลิด และมีชื่อเรียกว่า บทตั้งของยุคลิด ใช้ในการพิสูจน์เรื่องการแยกตัวประกอบได้อย่างเดียว
ริง (ดูที่เลขคณิตมอดุลาร์) Z/nZ เป็นฟีลด์ ก็ต่อเมื่อ n เป็นจำนวนเฉพาะ
ถ้า p เป็นจำนวนเฉพาะ และ a เป็นจำนวนเต็มใดๆแล้ว a^p − a หารด้วย p ลงตัว (ทฤษฎีบทน้อยของแฟร์มาต์)
จำนวนเต็ม p > 1 เป็นจำนวนเฉพาะ ก็ต่อเมื่อ (p − 1) ! + 1 หารด้วย p ลงตัว (ทฤษฎีบทของวิลสัน). บทกลับ, จำนวนเต็ม n > 4 เป็นจำนวนประกอบ ก็ต่อเมื่อ (n − 1) ! หารด้วย n ลงตัว
ถ้า n เป็นจำนวนเต็มบวกแล้ว จะมีจำนวนเฉพาะ p ที่ n < p < 2n (สัจพจน์ของเบอร์แทรนด์)
สำหรับจำนวนเฉพาะ p > 2 จะมีจำนวนธรรมชาติ n ที่ทำให้ p = 4n ± 1
สำหรับจำนวนเฉพาะ p > 3 จะมีจำนวนธรรมชาติ n ที่ทำให้ p = 6n ± 1