Liczba Fermata – liczba naturalna postaci gdzie jest nieujemną liczbą całkowitą[1]. Nazwano je tak dla upamiętnienia francuskiego matematyka Fermata, który pierwszy badał ich własności.
Początkowe liczby Fermata są liczbami pierwszymi. Fermat wyraził przypuszczenie, że wszystkie liczby postaci są pierwsze, jednak Euler w roku 1732 pokazał, że czyli jest liczbą złożoną.
Do chwili obecnej jedynymi znanymi liczbami pierwszymi Fermata są właśnie i nie wiadomo, czy jest ich więcej.
Zauważmy, że jeżeli liczba jest liczbą pierwszą, to musi być potęgą 2, wobec tego każda liczba pierwsza tej postaci jest liczbą pierwszą Fermata.
Najprostszy dowód tych własności polega na zastosowaniu indukcji matematycznej. Z ostatniej z nich wynika twierdzenie Goldbacha:
wszystkie liczby Fermata są względnie pierwsze
Jako natychmiastowy wniosek otrzymuje się stąd dowód faktu, że liczb pierwszych jest nieskończenie wiele – każda liczba Fermata jest albo pierwsza, albo ma dzielnik pierwszy, który nie dzieli żadnej z pozostałych liczb Fermata.
Dowodząc, że jest liczbą złożoną, Euler zauważył, że każdy dzielnik liczby musi mieć postać Dla oznacza to, że jedynie liczby postaci mogą dzielić dla biegłych w arytmetyce matematyków XVIII wieku sprawdzenie, czy któraś z początkowych liczb tej postaci dzieli nie było żadnym problemem.
Poniższe problemy dotyczące liczb pierwszych Fermata nadal pozostają otwarte:
Czy jest liczbą złożoną dla ?
Czy istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych Fermata?
Czy istnieje nieskończenie wiele złożonych liczb Fermata?
W chwili obecnej (2004) wiadomo, że dla wszystkie liczby są złożone, jednak ich rozkłady na czynniki pierwsze znane są jedynie dla Największą znaną złożoną liczbą Fermata jest a jednym z jej czynników pierwszych jest
27 sierpnia 2000 roku nestor Sergio de Aranjo Melo stwierdził, że dla liczba Fermata ma dzielnik:
Poniżej kilka warunków dotyczących równoważnych temu, by dana liczba Fermata była pierwsza.
Twierdzenie Protha: Niech gdzie jest nieparzyste i mniejsze od Jeżeli istnieje liczba całkowita taka, że:
to jest liczbą pierwsza. Na odwrót, jeśli powyższa kongruencja nie zachodzi oraz
to jest liczbą złożoną.
Jeżeli to powyższy symbol Jakobiego jest zawsze równy
Niech jest liczbą pierwszą Fermata wtedy i tylko wtedy, gdy dla dowolnej liczby względnie pierwszej z jest pierwiastkiem pierwotnym wtedy i tylko wtedy, gdy jest nieresztą kwadratową
Liczba Fermata jest pierwsza wtedy i tylko wtedy, gdy można ją przedstawić tylko jednym sposobem jako sumę kwadratów dwóch liczb naturalnych:
Stąd nowy dowód, że nie jest pierwsza, bowiem Podobnie i
Twierdzenie Gaussa-Wantzela mówi, że -kąt foremny daje się skonstruować za pomocą cyrkla i linijki wtedy i tylko wtedy, gdy jest liczbą postaci gdzie są różnymi liczbami pierwszymi Fermata. Tak więc, konstruowalny jest pięciokąt foremny i sześciokąt foremny ale już nie siedmiokąt foremny.