Primzahlzwilling

Datei:Anzahl Primzahl-Zwillingspaare.png

Anzahl der Primzahl-Zwillingspaare kleiner gleich n

Ein Primzahlzwilling ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}) ist eine von zwei Primzahlen, deren Abstand gleich 2 ist. Die kleinsten Primzahlzwillingspaare sind <math>(3, 5)</math>, <math>(5, 7)</math> und <math>(11, 13)</math>.

Geschichte

Der Begriff Primzahlzwilling wurde erstmals von Paul Stäckel (1862–1919) benutzt.

Definition

Datei:TwinPrimesInDivisorPlane.gif

Grafische Darstellung
Y-Achse	n
X-Achse	Teiler von 6n−1 oder 6n+1
Punkt	6n−1 oder 6n+1 sind teilbar
Parallele	Primzahl-Zwilling

Ein Primzahlzwillingspaar ist ein geordnetes Paar <math>(p_1,\,p_2)</math> von Primzahlen <math>p_1</math> und <math>p_2</math>, wobei <math>p_2 > p_1</math> und hinsichtlich des Betrages <math>p_2-p_1 = 2</math> gilt. Jede der beiden Primzahlen <math>p_1</math> und <math>p_2</math> wird dann als Primzahlzwilling bezeichnet. Man spricht in diesem Zusammenhang – vereinfachend! – auch von den Primzahlzwillingen <math>p_1</math> und <math>p_2</math> oder auch von dem Primzahlzwilling <math>(p_1,\,p_2)</math>.

Eigenschaften

Wie der Satz von Clement zeigt, lassen sich Primzahlzwillinge – ähnlich wie die Primzahlen wegen des mit dem Clement’schen Satz verwandten Satzes von Wilson – durch eine einzige zahlentheoretische Kongruenz charakterisieren.

Zudem liegt, vom Primzahlzwilling <math>(3, 5)</math> abgesehen, für jeden Primzahlzwilling zwischen den beiden beteiligten Primzahlen immer eine durch 6 teilbare Zahl.

Jede ganze Zahl lässt sich nämlich in der Form <math>6n-2</math>, <math>6n-1</math>, <math>6n</math>, <math>6n+1</math>, <math>6n+2</math> oder <math>6n+3</math> darstellen, wobei <math>n</math> eine ganze Zahl ist. Zahlen der Form <math>6n-2</math>, <math>6n</math> und <math>6n+2</math> sind durch 2 teilbar und können deswegen mit Ausnahme der Zwei keine Primzahlen sein. Zahlen der Form <math>6n+3</math> oder <math>6n</math> sind durch 3 teilbar und können deswegen mit Ausnahme der Drei auch keine Primzahlen sein. Somit haben alle Primzahlen größer 3 die Form <math>6n-1</math> oder <math>6n+1</math>. Daraus folgt, dass jeder Primzahlzwilling mit Ausnahme von <math>(3,5)</math> die Darstellung <math>(6n-1,6n+1)</math> hat.

n 6n-1 6n+1 1 5 7 2 11 13 3 17 19 5 29 31 7 41 43 10 59 61 12 71 73 17 101 103 18 107 109 23 137 139 25 149 151 30 179 181

n 6n-1 6n+1 32 191 193 33 197 199 38 227 229 40 239 241 45 269 271 47 281 283 52 311 313 58 347 349 70 419 421 72 431 433 77 461 463 87 521 523

n 6n-1 6n+1 95 569 571 100 599 601 103 617 619 107 641 643 110 659 661 135 809 811 137 821 823 138 827 829 143 857 859 147 881 883 170 1019 1021 172 1031 1033

n 6n-1 6n+1 175 1049 1051 177 1061 1063 182 1091 1093 192 1151 1153 205 1229 1231 213 1277 1279 215 1289 1291 217 1301 1303 220 1319 1321 238 1427 1429 242 1451 1453 247 1481 1483

n 6n-1 6n+1 248 1487 1489 268 1607 1609 270 1619 1621 278 1667 1669 283 1697 1699 287 1721 1723 298 1787 1789 312 1871 1873 313 1877 1879 322 1931 1933 325 1949 1951 333 1997 1999

n 6n-1 6n+1 338 2027 2029 347 2081 2083 348 2087 2089 352 2111 2113 355 2129 2131 357 2141 2143 373 2237 2239 378 2267 2269 385 2309 2311 390 2339 2341 397 2381 2383 425 2549 2551

n 6n-1 6n+1 432 2591 2593 443 2657 2659 448 2687 2689 452 2711 2713 455 2729 2731 465 2789 2791 467 2801 2803 495 2969 2971 500 2999 3001 520 3119 3121 528 3167 3169 542 3251 3253

(Folge A001097 in OEIS), (Folge A077800 in OEIS) und Matheass 9.0

Mit Ausnahme von <math>n=1</math> ist die letzte Ziffer eines <math>n</math> eine 0, 2, 3, 5, 7 oder eine 8, da im anderen Fall eine der beiden Zahlen <math>6n-1</math> bzw. <math>6n+1</math> durch 5 teilbar und damit keine Primzahl wäre.

Mit einer ganzen Zahl <math>n</math> lässt sich jede ungerade Zahl in der Form <math>30n+1</math>, <math>30n+3</math>, <math>30n+5</math>, <math>30n+7</math>, <math>\ldots</math>, <math>30n+25</math>, <math>30n+27</math>, <math>30n+29</math> (letztere auch als <math>30n-1</math>) darstellen. Primzahlen (außer 3 und 5) sind aber nie von einer der sieben Formen <math>30n+3</math>, <math>30n+5</math>, <math>30n+9</math>, <math>30n+15</math>, <math>30n+21</math>, <math>30n+25</math> und <math>30n+27</math>, da Zahlen dieser sieben Formen stets durch 3 oder durch 5 teilbar sind.

Daher hat jedes Primzahlzwillingspaar (außer <math>(3, 5)</math> und <math>(5, 7)</math>) mit einer ganzen Zahl <math>n</math> genau eine der drei Formen

<math>(30n-1, 30n+1)</math>, <math>(30n+11, 30n+13)</math> oder <math>(30n+17, 30n+19)</math>

bzw. die letztere Darstellung, um die Symmetrie zu <math>(30n+11, 30n+13)</math> zu verdeutlichen, alternativ geschrieben als <math>(30n-13, 30n-11)</math>.

Sonstiges

Das kleinste Paar von Primzahlzwillingen ist <math>(3, 5)</math>; die Primzahlen <math>2</math> und <math>3</math> mit dem Abstand <math>1</math> sind gemäß Definition kein Paar von Primzahlzwillingen.

Die Zahl <math>5</math> ist die einzige Zahl, die in zwei verschiedenen Primzahlzwillingen vorkommt: <math>(3, 5)</math> und <math>(5, 7)</math>.

Das größte derzeit (Stand: 6. November 2025) bekannte Paar von Primzahlzwillingen ist

<math> 2.996.863.034.895 \cdot 2^{1.290.000} \pm 1</math>.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:The Largest Known Primes – A Summary|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=The Largest Known Primes – A Summary}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://t5k.org/largest.html#twin%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=The Largest Known Primes – A Summary}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://t5k.org/largest.html#twin}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=The Largest Known Primes – A Summary}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2025-11-06 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Zwei Primzahlzwillinge mit dem Abstand von vier, also Folgen der Form <math>(p,\, p+2,\, p+6,\, p+8),</math> nennt man Primzahlvierlinge.

Offene Fragestellung

Datei:Primzahlzwillinge.png

Vergleich der prozentualen Entwicklung der Primzahlen (blau) und Primzahl-Zwillingspaare (rot) bis <math>n = 10.000</math>

Je größere Zahlen man betrachtet, desto weniger Primzahlen findet man dort. Obwohl unendlich viele Primzahlen existieren, ist es ungewiss, ob es unendlich viele Primzahlzwillinge gibt. Die Primzahlzwillingsvermutung ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}) besagt, dass es unendlich viele Primzahlzwillinge gibt. Sie ist eine der großen offenen Fragen der Zahlentheorie.

Sowohl die prozentualen Anteile der Primzahlen als auch – auf niedrigerem Niveau – die der Primzahl-Zwillingspaare an den natürlichen Zahlen <math>n</math> fallen bis zur Berechnungsgrenze <math>n = 100.000</math> streng monoton, aber relativ langsam (siehe Grafik rechts). Somit deutet nichts darauf hin, dass die Primzahl-Zwillingspaare sich hinsichtlich der Unendlichkeitsvermutung signifikant anders entwickeln als die Primzahlen, deren Anzahl ja bewiesenermaßen unendlich ist. Zwar sprechen demnach die beiden Entwicklungen eher für die Existenz unendlich vieler Primzahl-Zwillingspaare als dagegen, beweisen diese jedoch nicht.<ref>Berechnungsgrundlagen für die Primzahlen und Primzahlzwillinge (aus CompuLearn Mathematik)</ref>

Während die Summe der Kehrwerte der Primzahlen divergent ist (Leonhard Euler), hat Viggo Brun im Jahr 1919 bewiesen, dass die Summe der Kehrwerte der Primzahlzwillinge konvergiert. Daraus kann man weder schließen, dass es endlich, noch, dass es unendlich viele Primzahlzwillinge gibt. Der Grenzwert der Summe wird Brunsche Konstante genannt und beträgt nach der neuesten Schätzung von 2002 etwa 1,902160583104.

G. H. Hardy und J. E. Littlewood stellten 1923<ref>G. H. Hardy, J. E. Littlewood: Some problems of ‘Partitio numerorum’; III: On the expression of a number as a sum of primes. (PDF; 2,5 MB) In: Acta Mathematica, 44, 1923, S. 1–70 (englisch).</ref> eine Vermutung über die asymptotische Dichte der Primzahlzwillinge auf (und der von anderen Primzahlkonstellationen), bekannt als Erste Hardy-Littlewood-Vermutung ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}) bzw. als Spezialfall derselben für Primzahlzwillinge. Danach ist die Anzahl der Primzahlzwillinge kleiner als <math>x</math> asymptotisch durch die Formel

<math> 2 \; C_2 \int_2^x\!\frac{\mathrm dt}{(\log t)^2} </math>

mit der Primzahlzwillingskonstanten (Folge A005597 in OEIS)

<math> C_2 = \prod_{p>2\atop p\;\text{prim}}\left(1-\frac{1}{(p-1)^2}\right) = 0{,}660161815846869573927812110014 \dots </math>

gegeben. Da die Primzahlen nach dem Primzahlsatz asymptotisch eine Dichte <math>\tfrac{1}{\log t}</math> besitzen, ist die Vermutung durchaus plausibel, und auch numerisch lässt sich die asymptotische Form gut bestätigen. Sie ist aber wie die Primzahlzwillingsvermutung unbewiesen. Da aus der Vermutung von Hardy und Littlewood die Primzahlzwillingsvermutung folgt, heißt sie auch starke Primzahlzwillingsvermutung.<ref>{{#if: | {{{author}}} | Eric W. Weisstein }}: Twin Prime Conjecture. In: MathWorld (englisch). {{#if: TwinPrimeConjecture | {{#ifeq: {{#property:P2812}} | TwinPrimeConjecture | | {{#if: {{#property:P2812}} | {{#ifeq: 0 | 0 | }} | {{#ifeq: 0 | 0 | }} }} }} }}</ref>

Nachdem Paul Erdős 1940 gezeigt hatte,<ref>Paul Erdős: The difference of consecutive primes. In: Duke Mathematical Journal, 6, 1940, S. 438–441 (englisch). Siehe Jerry Li: Erdos and the twin prime conjecture. (PDF; 157 kB) 2. Juni 2010 (englisch)</ref> dass eine positive Konstante <math>c < 1</math> existiert, so dass für unendlich viele Paare aufeinanderfolgender Primzahlen <math>p</math>, <math>p'</math> die Ungleichung <math>p' - p < c \log(p)</math> gilt, bemühte man sich, immer kleinere Werte für <math>c</math> zu finden. Die Mathematiker Dan Goldston und Cem Yıldırım veröffentlichten 2003 einen Beweis, mit dem sie behaupteten, bewiesen zu haben, dass <math>c</math> beliebig klein gewählt werden kann, womit es in der unendlichen Folge der Primzahlen immer wieder kleine Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Primzahlen gäbe. Andrew Granville fand noch im selben Jahr einen Fehler in dem 25-seitigen Beweis. Im Februar 2005 konnten Goldston, Yıldırım und Pintz eine Korrektur vorlegen und verwendeten darin das nach ihnen benannte GPY-Sieb.<ref>D. A. Goldston, J. Pintz, C. Y. Yıldırım: {{#if:20080420191006

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  }} Vorlage:ArXiv, 2005 (englisch); vereinfacht in D. A. Goldston, Y. Motohashi, J. Pintz, C. Y. Yıldırım: Small gaps between primes exist. In: Proceedings of the Japan Academy, Series A 82, 2006, S. 61–65 (englisch)</ref> Diese wurde von den damaligen Fehlerfindern überprüft und als korrekt gewertet. Der neu vorgelegte Beweis verspricht nach Ansicht einiger Zahlentheoretiker, ein wichtiger Schritt zu einem Beweis der Primzahlzwillingsvermutung zu sein.<ref>May 2005: Breakthrough in Prime Number theory beim American Institute of Mathematics (englisch)</ref>

Eine Verallgemeinerung der Primzahlzwillingsvermutung ist die Vermutung von Polignac (Alphonse de Polignac, 1849): für jede gerade Zahl <math>n</math> gibt es unendlich viele benachbarte Primzahlen mit Abstand <math>n</math>.<ref>Polignac Conjecture. Mathworld</ref> Die Vermutung ist offen. Über die Dichte der Primzahlabstände <math>n</math> gibt es analog zum Fall <math>n = 2</math> eine Vermutung von Hardy und Littlewood.

Yitang Zhang (University of New Hampshire) bewies im Mai 2013, dass es unendlich viele Primzahlpaare gibt, deren Abstand voneinander maximal 70.000.000 ist.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>Mathematik: Chinese gelingt Beweis über Primzahlzwillinge. Spiegel Online, 22. Mai 2013</ref><ref>Neues aus der Zahlentheorie: Ein Beweis der Primzahl-Zwillings-Vermutung rückt näher – Wissenschaft Hintergründe. Neue Zürcher Zeitung, 22. Mai 2013</ref> Seine Arbeit wurde im Mai 2013 in der Zeitschrift Annals of Mathematics veröffentlicht.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Auf diesem Ansatz basierend konnte die Zahl von 70.000.000 inzwischen auf nur 246 herabgesetzt werden.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Bounded gaps between primes - Polymath Wiki|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Bounded gaps between primes - Polymath Wiki}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://michaelnielsen.org/polymath/index.php?title=Bounded_gaps_between_primes%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Bounded gaps between primes - Polymath Wiki}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://michaelnielsen.org/polymath/index.php?title=Bounded_gaps_between_primes}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Bounded gaps between primes - Polymath Wiki}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2025-11-04 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Es gibt auch verwandte Fragestellungen in Funktionenkörpern.<ref>Lior Bary-Soroker, Prime tuples in function fields, Mathematical Snapshots, Oberwolfach 2016</ref> Die Primzahlzwillingsvermutung für Funktionenkörper wurde 2022 von Will Sawin und Mark Shusterman bewiesen.<ref>W. Sawin, M.Shusterman: On the Chowla and twin primes conjectures over <math>F_q [t]</math>, Annals of Mathematics, Band 196, 2022, S. 457–506, Arxiv</ref>

Isolierte Primzahl

Eine isolierte Primzahl (vom englischen isolated prime, single prime oder non-twin prime) ist eine Primzahl <math>p \in \mathbb P</math>, für welche gilt:

Weder <math>\,p-2\,</math> noch <math>\,p+2\,</math> ist eine Primzahl.

Mit anderen Worten: <math>p</math> ist kein Primzahlzwilling.

Beispiele

• Die Zahl <math>p=23</math> ist eine isolierte Primzahl, weil <math>p-2=21 = 3 \cdot 7 </math> und <math>p+2=25 = 5 \cdot 5 </math> keine Primzahlen sind.
• Die kleinsten isolierten Primzahlen sind die folgenden:

2, 23, 37, 47, 53, 67, 79, 83, 89, 97, 113, 127, 131, 157, 163, 167, 173, 211, 223, 233, 251, 257, 263, 277, 293, 307, 317, 331, 337, 353, 359, 367, 373, 379, 383, 389, 397, 401, 409, 439, 443, 449, 457, 467, 479, 487, 491, 499, 503, 509, 541, 547, 557, 563 … (Folge A007510 in OEIS)

Eigenschaften

• Fast alle Primzahlen sind isolierte Primzahlen.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Neil Sloane|Neil Sloane: }}{{#if:|{{#if:Single (or isolated or non-twin) primes – Comments|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Single (or isolated or non-twin) primes – Comments}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://oeis.org/A007510%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Single (or isolated or non-twin) primes – Comments}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://oeis.org/A007510}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Single (or isolated or non-twin) primes – Comments}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:OEIS{{#if: 2018-08-02 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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• Es gibt unendlich viele isolierte Primzahlen (folgt aus obiger Eigenschaft).

Verallgemeinerungen

Eine Verallgemeinerung von Primzahlzwillingen stellen Primzahltupel dar.

Entdeckung eines Prozessorfehlers

Der amerikanische Mathematiker Thomas R. Nicely setzte ab März 1995 PCs mit dem Pentium-Prozessor der amerikanischen Firma Intel ein und verglich die Ergebnisse mit PCs älterer Bauart. Er entdeckte dabei eine Diskrepanz bei der Berechnung der Summe über reziproken Primzahlzwillingen. Der Pentium verrechnete sich bei den Kehrwerten des Primzahlpaars (824 633 702 441, 824 633 702 443). Ein Fehler in der Gleitkommaeinheit des Prozessors, der Pentium-FDIV-Bug, führte zu gelegentlich auftretenden (aber reproduzierbaren) Ungenauigkeiten. Die relative Größe des seltenen Fehlers betrug deutlich weniger als ein Promille, da stets mindestens die ersten 12 Bit korrekt waren. Der Schaden für die Umtauschaktion soll etwa 470 Millionen Dollar betragen haben.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Literatur

• Wolfgang Blum: Goldbach und die Zwillinge. In: Spektrum der Wissenschaft, Dossier 6/2009: „Die größten Rätsel der Mathematik“, ISBN 978-3-941205-34-5, S. 34–39.
• Karl-Heinz Indlekofer, A. Járai: Largest known twin primes and Sophie Germain primes. In: Mathematics of Computation. Band 68, Nr. 227, 1999, S. 1317–1324.
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Siehe auch

• Zwillingssätze von Brun

Weblinks

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• {{#if: | {{{author}}} | Eric W. Weisstein }}: Twin Primes. In: MathWorld (englisch). {{#if: TwinPrimes | {{#ifeq: {{#property:P2812}} | TwinPrimes | | {{#if: {{#property:P2812}} | {{#ifeq: 0 | 0 | }} | {{#ifeq: 0 | 0 | }} }} }} }}
• Jeffrey F. Gold, Don H. Tucker: A characterization of twin prime pairs. (PDF; 123 kB) In: Proc. Fifth Nat. Conf. Undergrad. Res., 1991, Band I, S. 362–366 (englisch).
• The Top Twenty: Twin Primes. – Die 20 größten bekannten Primzahlzwillinge (englisch).
• Vorlage:TIBAV
• Heeren, Birke (2026) On The Nature Of Primes: A deterministic, endogenous, non-stationary S-adic Automaton for the sieve of Eratosthenes (Solves the Twin Prime Conjecture within the new Framework.) (PDF) https://zenodo.org/records/19438683

Einzelnachweise

<references />