On note la suite des nombres premiers, avec Peut-on écrire la suite des nombres premiers comme une suite récurrente à coefficients constants ?
Autrement dit, existe-t-il un entier et des réels de telle sorte qu’on ait
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Si cette récurrence existe, alors on peut la résoudre et obtenir l’existence de polynômes complexes ainsi que de complexes tels que . Ce résultat est issu du théorème sur les suites récurrentes à coefficients constants.
Ainsi, pour , on a que serait équivalent à quelque chose de la forme où est une constante complexe, l’ensemble des de module maximal et le degré maximal des polynômes .
Mais on sait pourtant que 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 ou exponentielles).
Preuve issue de la vidéo de Phil Caldero: https://www.youtube.com/watch?v=CwGdJaZcGV8
Théorème. Soit un corps de caractéristique nulle. La suite des nombres premiers ne vérifie aucune relation
avec , et .
Lemme 1 (descente). Si une suite à valeurs dans un sous-corps vérifie une telle relation à coefficients dans , elle en vérifie une de même ordre à coefficients dans .
Preuve. Posons et . L’hypothèse donne avec pour . Choisissons une base du sous-espace de engendré par les . Le système fini a ses coefficients dans et une solution dans ; le rang ne changeant pas par extension du corps, il a une solution . Si avec , alors .
Lemme 2 (périodicité modulo ). Soit une suite d’entiers et avec tels que pour . Pour tout premier ne divisant pas , il existe tel que pour tout .
Preuve. Modulo , est inversible et le vecteur vérifie , où est la matrice compagnon de coefficients . Comme , appartient au groupe fini , donc pour , et pour .
Preuve du théorème. Par l’absurde, prenons une relation d’ordre minimal, valable pour . Comme et , le lemme 1 permet de supposer les rationnels, puis entiers en chassant les dénominateurs. On a : sinon la relation, décalée d’un cran, serait d’ordre . L’entier n’a qu’un nombre fini de diviseurs premiers, donc il existe tel que ne divise pas . Par le lemme 2, . Ainsi divise le nombre premier , d’où , ce qui contredit la stricte croissance de .
Remarques. La preuve n’utilise de 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 , la suite vérifie .
