Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Sequence and series

Une récurrence pour les nombres premiers ???

by Sequoia·
51
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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
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On note (pn)n(p_n)_n la suite des nombres premiers, avec p0=2,p1=3,p_0=2, p_1=3,\dots Peut-on écrire la suite des nombres premiers comme une suite récurrente à coefficients constants ?

Autrement dit, existe-t-il un entier dNd\in\N^* et des réels α0,,αd1\alpha_0,\dots,\alpha_{d-1} de telle sorte qu’on ait
nN,pn+d=αdpn+d1++α1pn+1+α0pn?\forall n\in\N, p_{n+d}=\alpha_d\, p_{n+d-1}+\dots +\alpha_1\, p_{n+1}+\alpha_0\, p_{n} ?

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Solution by Sequoia

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Si cette récurrence existe, alors on peut la résoudre et obtenir l’existence de polynômes complexes Q1,,QrQ_1,\dots, Q_r ainsi que de complexes α1,,αr\alpha_1,\dots,\alpha_r tels que nN,pn=i=1rQi(n)αin\forall n\in\N, p_n=\sum_{i=1}^r Q_i(n) \alpha_i^n. Ce résultat est issu du théorème sur les suites récurrentes à coefficients constants.

Ainsi, pour n+n\to+\infty, on a que pnp_n serait équivalent à quelque chose de la forme cnajJαjnc\,n^a \sum_{j\in J}\alpha_j^ncc est une constante complexe, JJ l’ensemble des αi\alpha_i de module maximal et aa le degré maximal des polynômes Qj,jJQ_j, j\in J.

Mais on sait pourtant que pnn+nln(n)p_n\underset{n\to+\infty}{\sim} n\ln(n) par le théorème des nombres premiers. Ce qui contredit ce qu’on vient de dire par croissance comparée (le log est négligeable que toutes les puissances de nn ou exponentielles).

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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)n1(p_n)_{n\ge 1} des nombres premiers ne vérifie aucune relation
a0pn+d=a1pn+d1++adpn(nn0)a_0\,p_{n+d}=a_1\,p_{n+d-1}+\dots+a_d\,p_n\qquad (n\ge n_0)avec d1d\ge 1, a0,,adKa_0,\dots,a_d\in\mathbb K et a00a_0\neq 0.

Lemme 1 (descente). Si une suite à valeurs dans un sous-corps FKF\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+d1,,pn)Fdr_n=(p_{n+d-1},\dots,p_n)\in F^d et bn=pn+db_n=p_{n+d}. L’hypothèse donne aKda\in\mathbb K^d avec rna=bnr_n\cdot a=b_n pour nn0n\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 rnjX=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 aFda'\in F^d. Si rn=jcjrnjr_n=\sum_j c_j r_{n_j} avec cjFc_j\in F, alors rna=jcjbnj=jcj(rnja)=rna=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,,adZa_0,\dots,a_d\in\mathbb Z avec a0ad0a_0a_d\ne 0 tels que a0un+d=i=1daiun+dia_0u_{n+d}=\sum_{i=1}^d a_iu_{n+d-i} pour nn0n\ge n_0. Pour tout premier qq ne divisant pas a0ada_0a_d, il existe T1T\ge 1 tel que un+Tun(modq)u_{n+T}\equiv u_n \pmod q pour tout nn0n\ge n_0.

Preuve. Modulo qq, a0a_0 est inversible et le vecteur vn=(un,,un+d1)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=aia01\bar a_i=a_ia_0^{-1}. Comme detA=±aˉd0\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 nn0n\ge n_0. \square

Preuve du théorème. Par l’absurde, prenons une relation d’ordre d1d\ge 1 minimal, valable pour nn0n\ge n_0. Comme QK\mathbb Q\subset\mathbb K et pnQp_n\in\mathbb Q, le lemme 1 permet de supposer les aia_i rationnels, puis entiers en chassant les dénominateurs. On a ad0a_d\neq 0 : sinon la relation, décalée d’un cran, serait d’ordre d1d-1. L’entier a0ada_0a_d n’a qu’un nombre fini de diviseurs premiers, donc il existe kn0k\ge n_0 tel que q=pkq=p_k ne divise pas a0ada_0a_d. Par le lemme 2, pk+Tpk=q0(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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