Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une jolie récurrence pour les nombres premiers

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Posons Q=QnQ=Q_n et m=pn+1m=p_{n+1}.
Pour chaque ii,
2Q2Q/pi2Q/pi1=2Q12Q/pi11,\frac{2^{Q}-2^{Q/p_i}}{2^{Q/p_i}-1} =\frac{2^{Q}-1}{2^{Q/p_i}-1}-1,puisque le membre de droite vaut 2Q12Q/pi+12Q/pi1\frac{2^{Q}-1-2^{Q/p_i}+1}{2^{Q/p_i}-1}. En notant
ud=12Q/d1pour dQ,de sorte que 2Q12Q/pi1=upiu1,u_d=\frac{1}{2^{Q/d}-1}\quad\text{pour } d\mid Q,\qquad\text{de sorte que}\ \frac{2^{Q}-1}{2^{Q/p_i}-1}=\frac{u_{p_i}}{u_1},il vient
Mn=u1i=1n(upiu11).M_n=u_1\prod_{i=1}^{n}\left(\frac{u_{p_i}}{u_1}-1\right).Développons : le terme indexé par S{1,,n}S\subseteq\{1,\dots,n\} vaut (1)nSu11SiSupi(-1)^{n-|S|}u_1^{1-|S|}\prod_{i\in S}u_{p_i}. Or les Q/piQ/p_i pour iSi\in S ont pour pgcd Q/iSpiQ/\prod_{i\in S}p_i, et l’identité clé
iS12Q/pi1(2Q1)S1  12Q/dS1(mod1),dS=iSpi,\prod_{i\in S}\frac{1}{2^{Q/p_i}-1}\cdot\bigl(2^{Q}-1\bigr)^{|S|-1} \ \equiv\ \frac{1}{2^{Q/d_S}-1}\pmod{1},\qquad d_S=\prod_{i\in S}p_i,donne, modulo 11,
Mn  dQμ(d)2d1.M_n\ \equiv\ \sum_{d\mid Q}\frac{\mu(d)}{2^{d}-1}.Autrement dit, en posant T=dQμ(d)2d1\displaystyle T=\sum_{d\mid Q}\frac{\mu(d)}{2^{d}-1}, on a sn=TTs_n=T-\lfloor T\rfloor.

Pour dQd\mid Q,
12d1=j12jd,\frac{1}{2^{d}-1}=\sum_{j\geqslant 1}2^{-jd},série géométrique de raison 2d<12^{-d}<1. Donc
T=dQμ(d)j12jd=k1ck2k,ck=dgcd(k,Q)μ(d).T=\sum_{d\mid Q}\mu(d)\sum_{j\geqslant 1}2^{-jd}=\sum_{k\geqslant 1}c_k\,2^{-k}, \qquad c_k=\sum_{d\mid\gcd(k,Q)}\mu(d).La somme des μ(d)\mu(d) sur les diviseurs d’un entier vaut 11 si cet entier est 11, et 00 sinon. Ainsi
ck={1si gcd(k,Q)=1,0sinon,d’ouˋT=sn=k1gcd(k,Q)=12k.c_k=\begin{cases}1&\text{si }\gcd(k,Q)=1,\\ 0&\text{sinon,}\end{cases} \qquad\text{d'où}\qquad T=s_n=\sum_{\substack{k\geqslant 1\\ \gcd(k,Q)=1}}2^{-k}.Tous les termes étant <1<1 et c1=1c_1=1 donnant T12T\geqslant\frac12 avec T<1T<1, on a bien T=0\lfloor T\rfloor=0.

Les deux premiers bits. Les k1k\geqslant 1 premiers à QQ sont 11, puis mm, donc l’un des pip_i. Donc
sn=12+kmgcd(k,Q)=12k,s_n=\frac12+\sum_{\substack{k\geqslant m\\ \gcd(k,Q)=1}}2^{-k},et cette queue est encadrée par son premier terme et la somme géométrique complète :
2m  sn12  km2k=21m.2^{-m}\ \leqslant\ s_n-\frac12\ \leqslant\ \sum_{k\geqslant m}2^{-k}=2^{1-m}.La majoration est stricte car le terme k=m+1k=m+1 manque (pn+1+1p_{n+1}+1 est pair pour m3m\geqslant 3). D’où
m1  log2 ⁣(sn12) < m,m-1\ \leqslant\ -\log_2\!\left(s_n-\tfrac12\right)\ <\ m,la partie entière vaut m1m-1, et
1+ln(sn12)ln2=pn+1.1+\left\lfloor-\frac{\ln\bigl(s_n-\frac12\bigr)}{\ln 2}\right\rfloor=p_{n+1}. \qquad\blacksquare

mouais pas mal
j’ai posté ma solution ;-)