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¿Los números primos son realmente aleatorios?

Mientras que la práctica de código para mi clase en la universidad me topé con esto y quisiera saber si esto es algo nuevo o significativo como no he encontrado nada parecido en internet.

Deje $p_i$ ser $i$-ésimo número primo y $n$ fijos número natural. Vamos también

$$ s= p_1p_2\dots p_n$$ $$ q_i = s/p_i, i=1\dots n$$

Ahora nos fijamos en todos los posibles residuos de cierta forma, específicamente:

$$ S = \{q_1r_1+...+q_nr_n \bmod s, r_i \in \{1, ..., p_i-1\} \}$$

Ahora vamos a $x_2 \in S$ ser el segundo más pequeño en el conjunto. La demanda ahora es:

Deje $q\in S$ tal que $q<x_2^2$. A continuación, $q$ es un primer e $q > p_n$.

Por ejemplo:

$ p_1, p_2, ..., p_n = 2, 3, 5 \\$

$ q_1 = 3\cdot5 = 15 \\ q_2 = 2\cdot5 = 10 \\ q_3 = 2\cdot3 = 6 \\$

$ r_1 \in \{1\} \\ r_2 \in \{1, 2\} \\ r_3 \en \{1, 2, 3, 4\} \\$

$ s = 2\cdot3\cdot5=30 \\$

$ x_2 \equiv 7 \equiv 15\cdot1 +10\cdot1 +6\cdot2 \:\text{mod}\: 30 \\ 7^2 = 49 \\$

La secuencia completa de los números primos está claro que no es al azar.

$ 0 \\ \color{blue}{1 \equiv 31 \equiv 15\cdot1 +10\cdot1 +6\cdot1 \:\text{mod}\: 30} \\ 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \\ \color{red}{5} \\$

$ 6 \\ \color{blue}{7 \equiv 37 \equiv 15\cdot1 +10\cdot1 +6\cdot2 \:\text{mod}\: 30} \\ 8 \\ 9 \\ 10 \\ \color{red}{11 \equiv 41 \equiv 15\cdot1 +10\cdot2 +6\cdot1 \:\text{mod}\: 30} \\$

$ 12 \\ \color{blue}{13 \equiv 43 \equiv 15\cdot1 +10\cdot1 +6\cdot3 \:\text{mod}\: 30} \\ 14 \\ 15 \\ 16 \\ \color{red}{17 \equiv 47 \equiv 15\cdot1 +10\cdot2 +6\cdot2 \:\text{mod}\: 30} \\$

$ 18 \\ \color{blue}{19 \equiv 15\cdot1 +10\cdot1 +6\cdot4 \:\text{mod}\: 30} \\ 20 \\ 21 \\ 22 \\ \color{red}{23 \equiv 15\cdot1 +10\cdot2 +6\cdot3 \:\text{mod}\: 30} \\$

$ 24 \\ \color{blue}{25} \\ 26 \\ 27 \\ 28 \\ \color{red}{29 \equiv 15\cdot1 +10\cdot2 +6\cdot4 \:\text{mod}\: 30} \\$

25voto

SahibPrime Puntos 229

Tuve que decir que yo era sospechoso cuando leí la pregunta, pero he codificado el problema y, al menos, $n=10$ definitivamente las obras.

Edit: he encontrado una prueba! Funciona. Consulte los detalles a continuación.

La prueba consta de dos pasos principales: en primer lugar, demostrar que la suma de $r_1 q_1 + \cdots + r_n q_n$ nunca puede ser dividido por $p_i$ cualquier $i$ entre $1$ e $n$. Después de eso, vamos a mostrar que el $x_2 = p_{n+1}$.

Para demostrar la primera parte, primero vamos a olvidar el modulo $p_1p_2\cdots p_n$ plazo por un momento. Ahora, tenga en cuenta que tanto $q_i$ e $r_i$ no son divisibles por $p_i$ y todos los demás $q_i$ son divisibles por $p_i$. Por lo tanto, nuestra suma $$r_1q_1 + \cdots + r_n q_n = r_i q_i (\neq 0) \mod p_i$$ can never be divisible by $p_i$. Adding a multiple of $p_1\cdots p_n$ (which is divisible by $p_i$) doesn't change this fact. Hence, $$\Big(r_1 q_1 + \cdots + r_n q_n\mod (p_1\cdots p_n)\Big) \neq 0 \mod p_i$$ para cualquier $i$ entre $1$ e $n$. Resumiendo, la primera $n$ primos $p_1$, $p_2$, $\dots$ ,$p_n$ nunca serán divisores de nuestros suma. Ahora, la pregunta sigue siendo: podría ser divisible por $p_{n+1}$ , por ejemplo? No podemos excluir esta! Pero esto no termina la primera parte de la prueba.

Lema existen opciones de $(r_1,\dots,r_n)$ e $(r_1',\dots,r_n')$tal que $$ r_1 q_1 + \cdots + r_n q_n = 1\mod (p_1p_2\cdots p_n) $$y $$ r_1 q_1 + \cdots + r_n q_n = p_{n+1}\mod (p_1p_2\cdots p_n). $$

La prueba de Este lema es una aplicación del Teorema del Resto Chino. Este teorema establece que dada una secuencia $$(a_1,\dots,a_n)\in \prod_{i=1}^{n}\mathbb{F}_{p_i}$$ está exclusivamente relacionada con un $a\in\mathbb{F}_{\prod_{i=1}^{n} p_i}$ donde puedo utilizar la notación $\mathbb{F}_z$ a representar el grupo relacionadas con el cálculo del modulo $z$.

Sabemos que en realidad $(1,1,\dots,1)$ está relacionado con $1$ pero no sabemos exactamente cuál es la secuencia que está relacionado con $p_{n+1}$. Resulta que no es necesario conocer esta secuencia a la prueba de su existencia! Veamos ahora los valores arbitrarios $z_1,\dots,z_n$ que cumplir las mismas condiciones que el $r_i$, $r_i'$. Vamos a simplificar nuestra expresión ahora modulo $p_i$ $$ z_1 q_1 + \cdots + z_n q_n = z_i q_i \mod p_i $$ Desde $p_i$ es primo, sabemos que $c q_i$ para $c\in\{1,\dots,p_i-1\}$ realmente genera el grupo completo, es decir, $$ \{c q_i \mod p_i:\ c\in\{1,\dots,p_i-1\}\} = \{1,2,\dots,p_i-1\}.$$ This essentially means that we can make the right-hand side equal to almost any number in $\prod_{i=1}^{n}\mathbb{F}_{p_i}$. Para ser precisos, $$ \prod_{i=1}^{n}\{z_1 q_1 + \cdots + z_n q_n \mod p_i:\ \forall j:\ 1\leq z_j\leq p_j-1\} \\ = \prod_{i=1}^{n}\{z_i q_i \mod p_i:\ 1\leq z_i\leq p_i-1\} = \prod_{i=1}^{n} (\mathbb{F}_{p_i}\setminus\{0\}). $$ Una ligera adaptación de la norma Teorema del Resto Chino nos da ahora que $$ \{z_1 q_1 + \cdots + z_n q_n \mod (p_1\cdots p_n):\ \forall j:\ 1\leq z_j\leq p_j-1\} = \mathbb{F}_{\prod_{i=1}^{n} p_i}\setminus A $$ donde $A$ es el conjunto de todos los múltiplos de $0,\ p_1,\ p_2,\ \dots,\ p_n$.
Ahora, vamos a traducir esto al inglés. Vemos que $1$ no es un elemento de $A$ y, por lo tanto, no existe una secuencia $(z_1,\dots,z_n)$ tales que $$ z_1 q_1 + \cdots + z_n q_n = 1 \mod (p_1\cdots p_n)$$ y simplemente tomamos $r_i = z_i$. Por otra parte, el siguiente elemento que no forma parte de $A$ es $p_{n+1}$ y por lo tanto no existe una secuencia $(w_1,\dots,w_n)$ tales que $$ w_1 q_1 + \cdots + w_n q_n = p_{n+1} \mod (p_1\cdots p_n) $$ y tomamos $r_i'=w_i$. Esto completa la prueba del lema.

Ahora, hemos tratado con la parte más difícil y no es demasiado difícil para finalizar la prueba. En aras de la exhaustividad, vamos a $s = r_1 q_1 + \cdots + r_n q_n\mod (p_1p_2\cdots p_n)$ tal que $s< p_{n+1}^2$ y supongamos que es compuesto. Hemos demostrado anteriormente que $s$ no es divisible por $p_1,\ p_2,\ \dots,\ p_n$. Esto significa que el primer candidato a primer factor es en realidad $\geq p_{n+1}$. Sin embargo, desde la $s$ es compuesto, tiene un segundo factor primo y esto también debe ser $\geq p_{n+1}$. Por lo tanto $s\geq p_{n+1}^2$ lo cual es una contradicción. Esto completa la general de la prueba!

Nota adicional: hemos desarrollado una manera de construir la primera $n$ números primos. Sin embargo, dado que no está claro cómo la secuencia de $(r_1',\dots,r_n')$ es elegido en la práctica, el método no es particularmente eficiente computacionalmente para decirlo suavemente.

Nota Final: Utilizando la misma estrategia como en el anterior, no es demasiado difícil probar que de hecho, para cualquier $n\geq 4$, podemos escribir cualquier número primo entre $p_n$ e $p_{n+1}^2$ en el formulario $$ r_1 q_1 + \cdots + r_n q_n \mod(p_1 p_2\cdots p_n)$$ lo que es un corolario interesante! (Para $n=3$, esto también es cierto si nos olvidamos de las $\mod 30$ plazo)

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