¿Hay infinitos números primos regulares y, de ser así, cuál es su densidad relativa ?
En teoría de números , un primo regular es un tipo especial de número primo , definido por Ernst Kummer en 1850 para probar ciertos casos del último teorema de Fermat . Los números primos regulares se pueden definir mediante la divisibilidad de los números de clase o de los números de Bernoulli .
Los primeros números primos impares regulares son:
En 1850, Kummer demostró que el último teorema de Fermat es verdadero para un exponente primo p si p es regular. Esto centró la atención en los números primos irregulares. [1] En 1852, Genocchi pudo demostrar que el primer caso del último teorema de Fermat es verdadero para un exponente p , si ( p , p - 3) no es un par irregular. Kummer mejoró esto aún más en 1857 al mostrar que para el "primer caso" del último teorema de Fermat (ver el teorema de Sophie Germain ) es suficiente establecer que ( p , p - 3) o (p , p - 5) no es un par irregular.
Kummer encontró los números primos irregulares menos de 165. En 1963, Lehmer informó resultados hasta 10000 y Selfridge y Pollack anunciaron en 1964 que habían completado la tabla de primos irregulares hasta 25000. Aunque las dos últimas tablas no aparecieron impresas, Johnson encontró que ( p , p - 3) es de hecho un par irregular para p = 16843 y que esta es la primera y única vez que esto ocurre para p <30000 . [2] En 1993 se descubrió que la próxima vez que esto suceda es para p = 2124679 ; ver Wolstenholme prime . [3]
Un número primo impar p se define como regular si no divide el número de clase del p - ésimo campo ciclotómico Q ( ζ p ), donde ζ p es una p -ésima raíz primitiva de la unidad, se enumera en OEIS : A000927 . El número primo 2 a menudo también se considera regular.
El número de clase del campo ciclotómico es el número de ideales del anillo de enteros Z (ζ p ) hasta la equivalencia. Dos ideales I , J se consideran equivalentes si hay un u distinto de cero en Q ( ζ p ) de modo que I = uJ .
Ernst Kummer ( Kummer 1850 ) mostró que un criterio equivalente de regularidad es que p no divide el numerador de ninguno de los números de Bernoulli B k para k = 2, 4, 6, ..., p - 3 .
La prueba de Kummer de que esto es equivalente a la definición de número de clase se ve reforzada por el teorema de Herbrand-Ribet , que establece ciertas consecuencias de p dividir uno de estos números de Bernoulli.
Se ha conjeturado que hay infinitos números primos regulares. Más precisamente, Carl Ludwig Siegel ( 1964 ) conjeturó que e −1/2 , o alrededor del 60,65%, de todos los números primos son regulares, en el sentido asintótico de densidad natural . Ninguna conjetura ha sido probada hasta la fecha.
Un primo impar que no es regular es un primo irregular (o Bernoulli irregular o B-irregular para distinguirlo de otros tipos o irregularidades que se analizan a continuación). Los primeros números primos irregulares son:
KL Jensen (un estudiante desconocido de Nielsen [4] ) demostró en 1915 que hay infinitos números primos irregulares de la forma 4 n + 3 .[5] En 1954 Carlitz dio una prueba simple del resultado más débil de que, en general, hay infinitos números primos irregulares. [6]
Metsänkylä demostró que para cualquier número entero T > 6 , hay infinitos números primos irregulares que no son de la forma mT + 1 o mT - 1 , [7] y luego lo generalizó. [8]
Si p es un primo irregular y p divide el numerador del número de Bernoulli B 2 k para 0 <2 k < p - 1 , entonces ( p , 2 k ) se llama par irregular . En otras palabras, un par irregular es un dispositivo de contabilidad para registrar, para un primo irregular p , los índices particulares de los números de Bernoulli en los que falla la regularidad. Los primeros pares irregulares (cuando se ordenan por k ) son:
El más pequeño par k tal que n- ésimo primo irregular divide B k son
Para un primo p dado , el número de tales pares se denomina índice de irregularidad de p . [9] Por tanto, un primo es regular si y solo si su índice de irregularidad es cero. De manera similar, un primo es irregular si y solo si su índice de irregularidad es positivo.
Se descubrió que ( p , p - 3) es de hecho un par irregular para p = 16843 , así como para p = 2124679 . No hay más ocurrencias para p <10 9 .
Un primo impar p tiene un índice irregular n si y solo si hay n valores de k para los cuales p divide B 2k y estos k s son menores que ( p - 1) / 2 . El primer primo irregular con índice irregular mayor que 1 es 157 , que divide B 62 y B 110 , por lo que tiene un índice irregular 2. Claramente, el índice irregular de un primo regular es 0.
El índice irregular del n- ésimo primo es
El índice irregular del n- ésimo primo irregular es
Los números primos que tienen un índice irregular 1 son
Los números primos que tienen un índice irregular 2 son
Los números primos que tienen un índice irregular 3 son
Los mínimos primos que tienen un índice n irregular son
De manera similar, podemos definir un primo irregular de Euler (o E-irregular) como un primo p que divide al menos un número de Euler E 2n con 0 <2 n ≤ p - 3 . Los primeros números primos irregulares de Euler son
Los pares irregulares de Euler son
Vandiver demostró que el último teorema de Fermat ( x p + y p = z p ) no tiene solución para los enteros x , y , z con mcd ( xyz , p ) = 1 si p es regular de Euler. Gut demostró que x 2 p + y 2 p = z 2 p no tiene solución si p tiene un índice de irregularidad E menor que 5. [10]
Se comprobó que existe una infinidad de números primos E irregulares. Se obtuvo un resultado más fuerte: hay una infinidad de primos E-irregulares congruentes a 1 módulo 8. Como en el caso de los primos B-regulares de Kummer, todavía no hay pruebas de que haya infinitos números primos E-regulares, aunque esto parece probable que sea cierto.
Un primo p se llama fuerte irregular si es tanto B-irregular como E-irregular (los índices de los números de Bernoulli y Euler que son divisibles por p pueden ser iguales o diferentes). Los primeros números primos irregulares fuertes son
Probar el último teorema de Fermat para un primo irregular fuerte p es más difícil (dado que Kummer demostró el primer caso del último teorema de Fermat para primos regulares B, Vandiver demostró el primer caso del último teorema de Fermat para primos regulares E), el más difícil es que p no solo es un número primo irregular fuerte, sino que 2 p + 1 , 4 p + 1 , 8 p + 1 , 10 p + 1 , 14 p + 1 y 16 p + 1 también son todos compuestos (Legendre demostró el primer caso del último teorema de Fermat para primos p tal que al menos uno de 2 p + 1 , 4 p + 1 , 8 p + 1 , 10 p + 1 , 14 p + 1 y 16 p + 1 es primo ), los primeros p son
Un primo p es débil irregular si es B-irregular o E-irregular (o ambos). Los primeros primos irregulares débiles son
Como la irregularidad de Bernoulli, la regularidad débil se relaciona con la divisibilidad de los números de clase de los campos ciclotómicos . De hecho, un primo p es débilmente irregular si y solo si p divide el número de clase del 4 p -ésimo campo ciclotómico Q ( ζ 4p ).
En esta sección, " a n " significa el numerador del n- ésimo número de Bernoulli si n es par, " a n " significa el ( n - 1) ésimo número de Euler si n es impar (secuencia A246006 en la OEIS ).
Dado que para cada primo impar p , p divide a p si y solo si p es congruente con 1 mod 4, y dado que p divide el denominador de ( p - 1) el número de Bernoulli para cada primo impar p , entonces para cualquier primo impar p , p no puede dividir a p −1 . Además, si y solo si un primo impar p divide a n (y 2 p no divide n ), entonces p también divide a n + k( p −1) (si 2 p divide n , entonces la oración debe cambiarse a " p también divide a n +2 kp ". De hecho, si 2 p divide n y p ( p - 1) no divide n , entonces p divide a n .) para cada entero k (una condición es n + k ( p - 1) debe ser> 1). Por ejemplo, dado que 19 divide a 11 y 2 × 19 = 38no divide 11, por lo que 19 divide a 18 k +11 para todo k . Por lo tanto, la definición de par irregular ( p , n ) , n debería ser como máximo p - 2 .
La siguiente tabla muestra todos los pares irregulares con primo impar p ≤ 661 :
pag | enteros 0 ≤ n ≤ p - 2 tales que p divide a n | pag | enteros 0 ≤ n ≤ p - 2 tales que p divide a n | pag | enteros 0 ≤ n ≤ p - 2 tales que p divide a n | pag | enteros 0 ≤ n ≤ p - 2 tales que p divide a n | pag | enteros 0 ≤ n ≤ p - 2 tales que p divide a n | pag | enteros 0 ≤ n ≤ p - 2 tales que p divide a n |
3 | 79 | 19 | 181 | 293 | 156 | 421 | 240 | 557 | 222 | ||
5 | 83 | 191 | 307 | 88, 91, 137 | 431 | 563 | 175, 261 | ||||
7 | 89 | 193 | 75 | 311 | 87, 193, 292 | 433 | 215, 366 | 569 | |||
11 | 97 | 197 | 313 | 439 | 571 | 389 | |||||
13 | 101 | 63, 68 | 199 | 317 | 443 | 577 | 52, 209, 427 | ||||
17 | 103 | 24 | 211 | 331 | 449 | 587 | 45, 90, 92 | ||||
19 | 11 | 107 | 223 | 133 | 337 | 457 | 593 | 22 | |||
23 | 109 | 227 | 347 | 280 | 461 | 196, 427 | 599 | ||||
29 | 113 | 229 | 349 | 19, 257 | 463 | 130, 229 | 601 | ||||
31 | 23 | 127 | 233 | 84 | 353 | 71, 186, 300 | 467 | 94, 194 | 607 | 592 | |
37 | 32 | 131 | 22 | 239 | 359 | 125 | 479 | 613 | 522 | ||
41 | 137 | 43 | 241 | 211, 239 | 367 | 487 | 617 | 20, 174, 338 | |||
43 | 13 | 139 | 129 | 251 | 127 | 373 | 163 | 491 | 292, 336, 338, 429 | 619 | 371, 428, 543 |
47 | 15 | 149 | 130, 147 | 257 | 164 | 379 | 100, 174, 317 | 499 | 631 | 80, 226 | |
53 | 151 | 263 | 100, 213 | 383 | 503 | 641 | |||||
59 | 44 | 157 | 62, 110 | 269 | 389 | 200 | 509 | 141 | 643 | ||
61 | 7 | 163 | 271 | 84 | 397 | 521 | 647 | 236, 242, 554 | |||
67 | 27, 58 | 167 | 277 | 9 | 401 | 382 | 523 | 400 | 653 | 48 | |
71 | 29 | 173 | 281 | 409 | 126 | 541 | 86, 465 | 659 | 224 | ||
73 | 179 | 283 | 20 | 419 | 159 | 547 | 270, 486 | 661 |
Los únicos primos por debajo de 1000 con índice irregular débil 3 son 307, 311, 353, 379, 577, 587, 617, 619, 647, 691, 751 y 929. Además, 491 es el único primo por debajo de 1000 con índice irregular débil 4 , y todos los demás primos impares por debajo de 1000 con índice irregular débil 0, 1 o 2. ( El índice irregular débil se define como "número de enteros 0 ≤ n ≤ p - 2 tal que p divide a n .)
La siguiente tabla muestra todos los pares irregulares con n ≤ 63. (Para obtener estos pares irregulares, solo necesitamos factorizar un n . Por ejemplo, a 34 = 17 × 151628697551 , pero 17 <34 + 2 , por lo que el único par irregular con n = 34 es (151628697551, 34) ) (para obtener más información ( n pares hasta 300 y n impares hasta 201), consulte [11] ).
norte | primos p ≥ n + 2 tales que p divide a n | norte | primos p ≥ n + 2 tales que p divide a n |
0 | 32 | 37, 683, 305065927 | |
1 | 33 | 930157, 42737921, 52536026741617 | |
2 | 34 | 151628697551 | |
3 | 35 | 4153, 8429689, 2305820097576334676593 | |
4 | 36 | 26315271553053477373 | |
5 | 37 | 9257, 73026287, 25355088490684770871 | |
6 | 38 | 154210205991661 | |
7 | 61 | 39 | 23489580527043108252017828576198947741 |
8 | 40 | 137616929, 1897170067619 | |
9 | 277 | 41 | 763601, 52778129, 359513962188687126618793 |
10 | 42 | 1520097643918070802691 | |
11 | 19, 2659 | 43 | 137, 5563, 13599529127564174819549339030619651971 |
12 | 691 | 44 | 59, 8089, 2947939, 1798482437 |
13 | 43, 967 | 45 | 587, 32027, 9728167327, 36408069989737, 238716161191111 |
14 | 46 | 383799511, 67568238839737 | |
15 | 47, 4241723 | 47 | 285528427091, 1229030085617829967076190070873124909 |
dieciséis | 3617 | 48 | 653, 56039, 153289748932447906241 |
17 | 228135437 | 49 | 5516994249383296071214195242422482492286460673697 |
18 | 43867 | 50 | 417202699, 47464429777438199 |
19 | 79, 349, 87224971 | 51 | 5639, 1508047, 10546435076057211497, 67494515552598479622918721 |
20 | 283, 617 | 52 | 577, 58741, 401029177, 4534045619429 |
21 | 41737, 354957173 | 53 | 1601, 2144617, 537569557577904730817, 429083282746263743638619 |
22 | 131, 593 | 54 | 39409, 660183281, 1120412849144121779 |
23 | 31, 1567103, 1427513357 | 55 | 2749, 3886651, 78383747632327, 209560784826737564385795230911608079 |
24 | 103, 2294797 | 56 | 113161, 163979, 19088082706840550550313 |
25 | 2137, 111691689741601 | 57 | 5303, 7256152441, 52327916441, 2551319957161, 12646529075062293075738167 |
26 | 657931 | 58 | 67, 186707, 6235242049, 37349583369104129 |
27 | 67, 61001082228255580483 | 59 | 1459879476771247347961031445001033, 8645932388694028255845384768828577 |
28 | 9349, 362903 | 60 | 2003, 5549927, 109317926249509865753025015237911 |
29 | 71, 30211, 2717447, 77980901 | 61 | 6821509, 14922423647156041, 190924415797997235233811858285255904935247 |
30 | 1721, 1001259881 | 62 | 157, 266689, 329447317, 28765594733083851481 |
31 | 15669721, 28178159218598921101 | 63 | 101, 6863, 418739, 1042901, 91696392173931715546458327937225591842756597414460291393 |
La siguiente tabla muestra pares irregulares ( p , p - n ) ( n ≥ 2 ), es una conjetura que hay infinitos pares irregulares ( p , p - n ) para cada número natural n ≥ 2 , pero solo se encontraron unos pocos para fijo n . Para algunos valores de n , incluso no se conoce tal primo p .
norte | primos p de tal manera que p divide a p - n (estos p se comprueban hasta 20000) | Secuencia OEIS |
2 | 149, 241, 2946901, 16467631, 17613227, 327784727, 426369739, 1062232319, ... | A198245 |
3 | 16843, 2124679, ... | A088164 |
4 | ... | |
5 | 37, ... | |
6 | ... | |
7 | ... | |
8 | 19, 31, 3701, ... | |
9 | 67, 877, ... | A212557 |
10 | 139, ... | |
11 | 9311, ... | |
12 | ... | |
13 | ... | |
14 | ... | |
15 | 59, 607, ... | |
dieciséis | 1427, 6473, ... | |
17 | 2591, ... | |
18 | ... | |
19 | 149, 311, 401, 10133, ... | |
20 | 9643, ... | |
21 | 8369, ... | |
22 | ... | |
23 | ... | |
24 | 17011, ... | |
25 | ... | |
26 | ... | |
27 | ... | |
28 | ... | |
29 | 4219, 9133, ... | |
30 | 43, 241, ... | |
31 | 3323, ... | |
32 | 47, ... | |
33 | 101, 2267, ... | |
34 | 461, ... | |
35 | ... | |
36 | 1663, ... | |
37 | ... | |
38 | 101, 5147, ... | |
39 | 3181, 3529, ... | |
40 | 67, 751, 16007, ... | |
41 | 773, ... |