Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Somme d’inverse et nombre premier

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Pour 1⩽k⩽p−11\leqslant k\leqslant p-1, l’application k↦p−kk\mapsto p-k est une involution de {1,…,p−1}\{1,\dots,p-1\} sans point fixe, car k=p−kk=p-k donnerait p=2kp=2k, impossible pour pp impair. En regroupant les termes deux à deux,
∑k=1p−11k=∑k=1p−12(1k+1p−k)=∑k=1p−12pk(p−k)=p∑k=1p−121k(p−k).\sum_{k=1}^{p-1}\frac{1}{k}=\sum_{k=1}^{\frac{p-1}{2}}\left(\frac{1}{k}+\frac{1}{p-k}\right)=\sum_{k=1}^{\frac{p-1}{2}}\frac{p}{k(p-k)}=p\sum_{k=1}^{\frac{p-1}{2}}\frac{1}{k(p-k)} .

Le dénominateur est premier à pp. Posons
N=∏k=1p−12k(p−k),M=∑k=1p−12Nk(p−k)∈N∗,N=\prod_{k=1}^{\frac{p-1}{2}}k(p-k),\qquad M=\sum_{k=1}^{\frac{p-1}{2}}\frac{N}{k(p-k)}\in\mathbb{N}^{*},de sorte que la somme précédente vaut M/NM/N. Tous les facteurs kk et p−kp-k intervenant dans NN appartiennent à {1,…,p−1}\{1,\dots,p-1\}, donc aucun n’est divisible par pp ; comme pp est premier, p∤Np\nmid N.

On a donc ab=pMN\dfrac{a}{b}=\dfrac{pM}{N}, d’où par produit en croix aN=pMbaN=pMb.
Ainsi pp divise aNaN, et comme pp est premier et p∤Np\nmid N, le lemme d’Euclide donne p∣ap\mid a ■\qquad\blacksquare

Noter que l’argument ne suppose pas que la fraction a/ba/b est irréductible.

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