Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une récurrence pour les nombres premiers ???

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Solution by visitor · FR

Preuve issue de la vidéo de Phil Caldero: https://www.youtube.com/watch?v=CwGdJaZcGV8

Théorème. Soit K\mathbb K un corps de caractéristique nulle. La suite (pn)n≥1(p_n)_{n\ge 1} des nombres premiers ne vérifie aucune relation
a0 pn+d=a1 pn+d−1+⋯+ad pn(n≥n0)a_0\,p_{n+d}=a_1\,p_{n+d-1}+\dots+a_d\,p_n\qquad (n\ge n_0)avec d≥1d\ge 1, a0,…,ad∈Ka_0,\dots,a_d\in\mathbb K et a0≠0a_0\neq 0.

Lemme 1 (descente). Si une suite à valeurs dans un sous-corps F⊂KF\subset\mathbb K vérifie une telle relation à coefficients dans K\mathbb K, elle en vérifie une de même ordre à coefficients dans FF.

Preuve. Posons rn=(pn+d−1,…,pn)∈Fdr_n=(p_{n+d-1},\dots,p_n)\in F^d et bn=pn+db_n=p_{n+d}. L’hypothèse donne a∈Kda\in\mathbb K^d avec rn⋅a=bnr_n\cdot a=b_n pour n≥n0n\ge n_0. Choisissons rn1,…,rnkr_{n_1},\dots,r_{n_k} une base du sous-espace de FdF^d engendré par les rnr_n. Le système fini rnj⋅X=bnjr_{n_j}\cdot X=b_{n_j} a ses coefficients dans FF et une solution dans Kd\mathbb K^d ; le rang ne changeant pas par extension du corps, il a une solution a′∈Fda'\in F^d. Si rn=∑jcjrnjr_n=\sum_j c_j r_{n_j} avec cj∈Fc_j\in F, alors rn⋅a′=∑jcjbnj=∑jcj (rnj⋅a)=rn⋅a=bnr_n\cdot a'=\sum_j c_j b_{n_j}=\sum_j c_j\,(r_{n_j}\cdot a)=r_n\cdot a=b_n. □\square

Lemme 2 (périodicité modulo qq). Soit (un)(u_n) une suite d’entiers et a0,…,ad∈Za_0,\dots,a_d\in\mathbb Z avec a0ad≠0a_0a_d\ne 0 tels que a0un+d=∑i=1daiun+d−ia_0u_{n+d}=\sum_{i=1}^d a_iu_{n+d-i} pour n≥n0n\ge n_0. Pour tout premier qq ne divisant pas a0ada_0a_d, il existe T≥1T\ge 1 tel que un+T≡un(modq)u_{n+T}\equiv u_n \pmod q pour tout n≥n0n\ge n_0.

Preuve. Modulo qq, a0a_0 est inversible et le vecteur vn=(un,…,un+d−1)∈Fqdv_n=(u_n,\dots,u_{n+d-1})\in\mathbb F_q^d vérifie vn+1=Avnv_{n+1}=Av_n, où AA est la matrice compagnon de coefficients aˉi=aia0−1\bar a_i=a_ia_0^{-1}. Comme det⁡A=±aˉd≠0\det A=\pm\bar a_d\neq 0, AA appartient au groupe fini GLd(Fq)\mathrm{GL}_d(\mathbb F_q), donc AT=IA^T=I pour T=∣GLd(Fq)∣T=|\mathrm{GL}_d(\mathbb F_q)|, et vn+T=vnv_{n+T}=v_n pour n≥n0n\ge n_0. □\square

Preuve du théorème. Par l’absurde, prenons une relation d’ordre d≥1d\ge 1 minimal, valable pour n≥n0n\ge n_0. Comme Q⊂K\mathbb Q\subset\mathbb K et pn∈Qp_n\in\mathbb Q, le lemme 1 permet de supposer les aia_i rationnels, puis entiers en chassant les dénominateurs. On a ad≠0a_d\neq 0 : sinon la relation, décalée d’un cran, serait d’ordre d−1d-1. L’entier a0ada_0a_d n’a qu’un nombre fini de diviseurs premiers, donc il existe k≥n0k\ge n_0 tel que q=pkq=p_k ne divise pas a0ada_0a_d. Par le lemme 2, pk+T≡pk=q≡0(modq)p_{k+T}\equiv p_k=q\equiv 0\pmod q. Ainsi qq divise le nombre premier pk+Tp_{k+T}, d’où pk+T=q=pkp_{k+T}=q=p_k, ce qui contredit la stricte croissance de (pn)(p_n). □\square

Remarques. La preuve n’utilise de (pn)(p_n) que deux choses : chaque terme est premier, et deux termes d’indices distincts sont distincts. Elle s’applique donc à toute suite injective de nombres premiers. L’hypothèse de caractéristique nulle est nécessaire : sur F2\mathbb F_2, la suite (0,1,1,1,… )(0,1,1,1,\dots) vérifie un+2=un+1u_{n+2}=u_{n+1}.

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