Devoir maison de mathématiques · Une preuve par dénombrement de l’infinité des nombres premiers
Trop d’entiers pour trop peu de nombres premiers
Un DM de Terminale spécialité où l’infinité des nombres premiers apparaît comme une application surprenante du dénombrement : séparation carré × partie sans facteur carré, choix binaires, majoration du nombre de représentations et contradiction. Le corrigé replace cette idée dans un argument de Paul Erdős publié en 1938.
Objectifs
Ce que ce DM fait travailler
- Coder un choix de facteurs par des mots binaires et obtenir un dénombrement en puissance de 2
- Construire une écriture n = ab² en séparant les exposants pairs et impairs à partir d’une factorisation fournie
- Majorer le nombre d’entiers représentables à partir du nombre de couples disponibles
- Choisir une borne adaptée pour faire apparaître une contradiction et conclure à l’infinité des nombres premiers
Notions
Notions utiles pour ce devoir
Ce problème mobilise notamment les notions suivantes.
- Principe multiplicatif de dénombrement
- Carrés et racine carrée
- Raisonnement par l’absurde
- Définition d’un nombre premier
Méthode
Comment l’utiliser
Prévoir environ 1 h 30 à 2 h et garder une trace des essais, y compris ceux qui échouent.
Écrire une solution justifiée avant d’ouvrir le corrigé, même si certaines questions restent incomplètes.
Repérer les différences de méthode, de précision et de rédaction plutôt que seulement les résultats.
Pour aller avec ce devoir
Énoncé
Le devoir
On peut prouver qu'il existe une infinité de nombres premiers sans chercher à en construire un nouveau. L'idée de ce problème est différente : supposons qu'il n'existe qu'un nombre fini de nombres premiers, puis comptons combien d'entiers on pourrait fabriquer avec eux. Le conflit viendra du dénombrement lui-même.
Résultat fourni. Tout entier peut s'écrire comme un produit de nombres premiers. On ne demande ni de démontrer ce résultat ni d'en connaître l'unicité. Pour , on utilisera la convention qu'un produit ne contenant aucun facteur vaut .
I — Mettre de côté les carrés
On donne les décompositions
(a) Écrire chacun de ces deux entiers sous la forme , où est un produit de nombres premiers distincts.
(b) Dans chaque exemple, comparer les nombres premiers qui apparaissent dans avec la parité des exposants de la décomposition donnée.
- Soit . Dans une écriture de comme produit de puissances de nombres premiers distincts, regrouper, pour chaque nombre premier, les facteurs par paires. Montrer qu'il existe alors deux entiers et tels que
avec produit de nombres premiers distincts. Préciser un choix de et lorsque .
II — Un choix binaire par nombre premier
Supposons maintenant, par l'absurde, qu'il n'existe qu'un nombre fini de nombres premiers. On les note
où .
(a) À tout mot de longueur formé de et de , on associe
Expliquer pourquoi toute valeur de obtenue dans la partie I est la valeur de pour au moins un tel mot. Que donne le mot ?
(b) Combien existe-t-il de mots de longueur formés de et de ? En déduire qu'il existe au plus valeurs possibles pour .
III — Combien d'entiers peut-on alors fabriquer ?
On fixe un entier . Sous l'hypothèse précédente, chacun des entiers possède une écriture construite comme dans la partie I.
(a) Si avec , montrer que .
(b) En déduire qu'il existe au plus valeurs possibles pour l'entier positif .
(a) À l'aide du principe multiplicatif, donner une majoration du nombre de couples susceptibles d'intervenir pour représenter des entiers compris entre et .
(b) Deux couples différents pourraient, a priori, donner le même entier. Expliquer pourquoi cette éventuelle coïncidence ne peut qu'abaisser le nombre d'entiers distincts obtenus, et ne remet donc pas en cause la majoration précédente.
(c) Tous les entiers devant être représentés, établir la condition nécessaire
IV — Choisir une borne qui fait craquer l'hypothèse
- On cherche désormais parmi les carrés parfaits. Écrire avec entier strictement positif. Déterminer une condition simple sur qui assure
puis proposer un choix explicite et aussi simple que possible de , et donc de , en fonction de .
V — Trop d'entiers
- Pour la valeur de choisie à la question 6, comparer précisément le nombre d'entiers
avec le nombre maximal de couples disponibles. Faire apparaître la contradiction, puis conclure sur le nombre de nombres premiers.
Le mécanisme découvert ici est entièrement global : aucun nouveau nombre premier n'a été construit. Sous l'hypothèse d'un stock fini de nombres premiers, il n'existerait que trop peu de choix binaires pour les facteurs laissés hors du carré, puis trop peu de couples pour fabriquer tous les entiers.
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