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Dado un primer $p$ ¿cuántos números primos $\ell<p$ de un determinado cuadrática carácter mod $p$?

No era esta pregunta para que mi respuesta fue unusally popular, por lo que me atrevo a preguntar lo siguiente:

(1) Dado un primer $p>2$, ¿cuántos números primos $\ell < p$ no existen residuos cuadráticos mod $p$?

(2) Dado un primer $p>2$, ¿cuántos números primos $\ell < p$ no existen cuadrática nonresidues mod $p$?

Como para (1) puedo probarlo $\gg\log p/\log\log p$ elemental argumento. De hecho, poner $p':=(-1)^{(p-1)/2}p$ y observar, por la reciprocidad cuadrática, que un primer $\ell\neq p$ divide algún valor $x^2-p'$ para $x\in\mathbb{Z}$ si y sólo si $\ell$ es una ecuación cuadrática de residuos de mod $p$. Ahora considere el $|x^2-p'|$ para $0 < x < \sqrt{p}$: estos son los números enteros en $(0,p)$ o $(p,2p)$ dependiendo $p$ mod $4$. En cualquier caso, estos números se construyen a partir de la $k$ primos enumerados en (1), y su número es $\gg\sqrt{p}$. Como cada una de las $k$ primer exponentes es $\ll\log p$, llegamos a la conclusión de $\sqrt{p}\ll(\log p)^k$ y mi reclamo de la siguiente manera.

Añadido 1. Como Anónimo señaló, se debe restringir a impar $0 < x < \sqrt{p}$, y hablar de la extraña parte de $|x^2-p'|$. Además, el uso de la cota superior de la parte de (7.16) en la p. 203 de Montgomery-Vaughan: Multiplicativo de la Teoría de números (prueba en las páginas 204-208), podemos ver $k>(\log p)^{2-o(1)}$ para el número de números primos menores (1).

Agregó 2. Con respecto a (2), Lucía señaló que $\gg p^\delta$ sigue con una decente $\delta>0$ a partir de un resultado de Bourgain y Lindenstrauss. He encontrado esta respuesta muy satisfactoria, y he aceptado oficialmente. Aún así, me daría la bienvenida a cualquier novedad con respecto a las preguntas anteriores (1) y (2).

Añadido 3. La reciente preprint de Pablo Pollack contiene varios buenos resultados nuevos y valiosos referencias históricas respecto a los dos anteriores preguntas. Aún más reciente preprint por él y Kübra Benli se asienta (1) en el sentido de que no se $\gg p^{1/9}$ primer residuos cuadráticos $\ell<p$.

12voto

Lucia Puntos 20609

GH de MO y Anónimo ha comentado anteriormente en (modesto) cotas inferiores para el primer problema. Permítanme mencionar aquí que una versión del problema 2 (de la producción de muchos no-residuos) apareció en el trabajo de Bourgain y Lindenstrauss en relación con la QUE una conjetura. En particular, desde el Teorema 5.1 de su papel, se desprende que existe una constante positiva $\delta$ tal que al menos el $p^{\delta}$ de los números primos $\ell$ bajo $p$ son cuadrática no residuos de $\pmod p$. La prueba se basa en el lema fundamental de tamiz de la teoría junto con la cancelación de carácter sumas.

Añadido: elaborar, Teorema 5.1 de Bourgain y Lindenstrauss del documento muestra que si $N=p^{\beta}$ con $\beta \ge 1/4+\epsilon$ entonces existe $\alpha>0$ tal que ($\ell$ ejecuta a través de los números primos por debajo) $$ \sum_{N^{\alpha} <\ell < N; (\frac{\ell}{p}) = -1} \frac{1}{\ell} \ge \frac 12 -\epsilon. $$ En particular, el número de números primos $\ell$ con $(\frac{\ell}{p}) =-1$ es trivialmente al menos $(1/2-\epsilon)N^{\alpha}$. Ahora uso esta con $N=p$, y deducimos que el resultado se mencionó anteriormente. Yo no comprobar los detalles, pero yo creo que se puede obtener un buen valor de $\delta$ por encima de, tal vez, aún tan grande como $3/8$ (el nivel de distribución es como $p^{\frac 34}$ y el tamizado límite debería ser $1/2$).

4voto

Nikita Samoylov Puntos 114

Un comentario a la GH de primaria del límite inferior en cuestión (1): tal vez hay un muy pequeño error aquí. Por ejemplo, si $p=7$ e $x=2$,, a continuación, $x^2-p' = 11$ no se construye de números primos enumerados en (1). Pero esto es fácilmente resuelto mediante la restricción para valores impares de $x$, en el caso de $p\equiv3\pmod{4}$, y observando entonces nosotros ya sabemos que el primer factor de $2$ de %de$x^2-p'$.

Más sustancial comentario: no esta construcción de dar a algo un poco mejor que el $\log p/\log\log p$? Si $q_1, \dots, q_k$ son los números primos enumerados en (1), entonces tenemos que $\gg\sqrt{p}$ cifras en $[1, 2p]$ son compatibles en números primos de la lista $2, q_1, \dots, q_k$. Pero la cantidad de números en $[1,2p]$ compatible con este conjunto de números primos es en la mayoría de la cantidad de números apoyado sobre los números primos $2, 3, 5, \dots, p_{k+1}$ donde $p_i$ indica el $i$th prime en orden creciente. En otras palabras, es en la mayoría de las $\Psi(2p, p_{k+1})$. Se conoce a partir de la teoría de la suave números que $\Psi(x, (\log x)^{A}) = x^{1-1/A +o(1)}$, como $x\to\infty$. Por lo que se ve como la GH es el argumento que da ese $k \geq (\log{p})^{2-o(1)}$, como $p\to\infty$. (Por supuesto, esto es un poco menos de primaria.)

4voto

Doliveras Puntos 206

Deje $\chi(n)$ denotar el cuadrática carácter modulo $p$ (por lo $\chi(n) = 1$ si $n$ es un residuo cuadrático módulo $p$, e $\chi(n)=-1$ si $n$ es una ecuación cuadrática nonresidue modulo $p$). La diferencia entre el número de números primos que son residuos cuadráticos y cuadrática nonresidues es exactamente $\sum_{\ell\lt p} \chi(\ell)$ donde $\ell$ denota un primo. Uno puede deducir que la información sobre $\sum_{\ell\lt p} \chi(\ell)$ a partir de la información sobre $\sum_{\ell\lt p} \chi(\ell)\log\ell$, que a su vez es casi el mismo que $\sum_{n\lt p} \chi(n)\Lambda(n)$ donde $\Lambda$ es la de von Mangoldt función. Dicha información es clásicamente conocido, ya que la prueba del teorema de los números primos para progresiones aritméticas depende de ella; es importante señalar aquí que la suma sube a $p$ sí, en vez de un general de un gran $x$ como es típico para este tipo de declaraciones. La respuesta depende de lo que cero región libre de los asociados $L(s,\chi)$ desea utilizar, o asumir, si te llega un límite que es $o(p)$, entonces los números del primer cuadrática de los residuos y el primer cuadrática nonresidues están muy cerca de la igualdad.

2voto

thattolleyguy Puntos 128

Esto fue muy divertido. Hice mi habitual experimento. Para cada nuevo primer $p,$ miré los números primos de 2 a $p-2,$ contado estos por el símbolo de Jacobi como res o no, a continuación, tomó la diferencia diff = res - no. Entonces me imprime una línea si diff tomó un nuevo récord mundial de valor negativo o un récord mundial de valor positivo. Finalmente, me puse un valor decimal, diff/(res + no), donde res + no es el número total de números primos hasta el $p-2.$

Mi interpretación es que la relación de la columna se aproxima a 0, con inusual rapidez para este tipo de problema. Tenga en cuenta que, para cualquier prime no se imprime, el final de la columna debe estar aún más cerca de 0 que la vecina de los números primos que están impresos.

En resumen, si $R(p)$ es el número de números primos hasta el $p-2$ que son residuos cuadráticos $\pmod p,$ e si $N(p)$ es el número de números primos hasta el $p-2$ que son cuadrática nonresidues $\pmod p,$ me sugieren

$$ \lim_{p \rightarrow \infty} \frac{R(p) \log p}{p} = \lim_{p \rightarrow \infty} \frac{N(p) \log p}{p} = \frac{1}{2}. $$

Los de David comentario, esta es también la predicción de una cierta generalizado de la Hipótesis de Riemann.

phoebus:~/Cplusplus> ./prime_res
     p    res   non  diff    diff/(res + non)
     5     0     2    -2              -1
    13     1     4    -3            -0.6
    19     4     3     1        0.142857
    37     3     8    -5       -0.454545
   107    15    12     3        0.111111
   113    11    18    -7       -0.241379
   139    19    14     5        0.151515
   163    11    26   -15       -0.405405
   211    26    20     6        0.130435
   317    37    28     9        0.138462
   373    28    45   -17       -0.232877
   571    59    45    14        0.134615
   647    49    68   -19       -0.162393
   911    66    89   -23       -0.148387
  1013    92    77    15       0.0887574
  1031    74    98   -24       -0.139535
  1093    77   105   -28       -0.153846
  1097   100    83    17       0.0928962
  1487   102   133   -31       -0.131915
  1553   131   113    18       0.0737705
  1613   139   115    24       0.0944882
  1741   119   151   -32       -0.118519
  1871   126   159   -33       -0.115789
  2029   135   172   -37       -0.120521
  2179   177   149    28       0.0858896
  2293   149   191   -42       -0.123529
  2851   223   190    33       0.0799031
  2971   235   193    42       0.0981308
  3637   230   278   -48      -0.0944882
  4957   303   359   -56      -0.0845921
  5419   379   336    43       0.0601399
  5879   358   415   -57      -0.0737387
  5923   357   420   -63      -0.0810811
  6211   427   380    47       0.0582404
  7213   423   498   -75      -0.0814332
  7219   491   431    60       0.0650759
  8731   581   506    75       0.0689972
 10357   596   674   -78      -0.0614173
 10627   596   699  -103      -0.0795367
 15451   945   859    86       0.0476718
 17491  1054   958    96       0.0477137
 18119   985  1089  -104      -0.0501446
 18439  1002  1109  -107      -0.0506869
 21739  1277  1161   116         0.04758
 21839  1168  1280  -112      -0.0457516
 22669  1204  1327  -123      -0.0485974
 23251  1355  1237   118       0.0455247
 24181  1281  1410  -129      -0.0479376
 26701  1396  1532  -136      -0.0464481
 28607  1487  1626  -139      -0.0446515
 31253  1748  1620   128       0.0380048
 34483  1765  1917  -152      -0.0412819
 35491  1958  1819   139       0.0368017
 35933  1980  1836   144       0.0377358
 36373  1852  2006  -154      -0.0399171
 39839  2013  2173  -160      -0.0382226
 43117  2168  2336  -168      -0.0373002
 52453  2581  2775  -194      -0.0362211
 56039  2744  2941  -197      -0.0346526
 56333  2936  2775   161       0.0281912
 59399  2902  3102  -200      -0.0333111
 61333  2976  3193  -217      -0.0351759
 65539  3354  3189   165       0.0252178
 69833  3351  3571  -220      -0.0317827
 71971  3652  3471   181       0.0254106
 81197  4074  3872   202       0.0254216
 85223  4038  4259  -221      -0.0266361
 85669  4053  4285  -232      -0.0278244
 88919  4188  4425  -237      -0.0275165
 89591  4216  4458  -242      -0.0278995
 89659  4454  4229   225       0.0259127
 95989  4504  4747  -243      -0.0262674
     p    res   non  diff    diff/(res + non)
phoebus:~/Cplusplus>

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