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Lycée généralTerminale · spécialité maths≈ 1 h 30 à 2 h

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.

DénombrementRaisonnement par l’absurdeNombres premiers

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

1. Chercher

Prévoir environ 1 h 30 à 2 h et garder une trace des essais, y compris ceux qui échouent.

2. Rédiger

Écrire une solution justifiée avant d’ouvrir le corrigé, même si certaines questions restent incomplètes.

3. Comparer

Repérer les différences de méthode, de précision et de rédaction plutôt que seulement les résultats.

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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 n2n\ge 2 peut s'écrire comme un produit de nombres premiers. On ne demande ni de démontrer ce résultat ni d'en connaître l'unicité. Pour n=1n=1, on utilisera la convention qu'un produit ne contenant aucun facteur vaut 11.

I — Mettre de côté les carrés

On donne les décompositions

72=23×32,540=22×33×5.72=2^3\times 3^2, \qquad 540=2^2\times 3^3\times 5.

(a) Écrire chacun de ces deux entiers sous la forme n=ab2n=ab^2, où aa est un produit de nombres premiers distincts.

(b) Dans chaque exemple, comparer les nombres premiers qui apparaissent dans aa avec la parité des exposants de la décomposition donnée.

  1. Soit n2n\ge 2. Dans une écriture de nn comme produit de puissances de nombres premiers distincts, regrouper, pour chaque nombre premier, les facteurs par paires. Montrer qu'il existe alors deux entiers a1a\ge 1 et b1b\ge 1 tels que
n=ab2,n=ab^2,

avec aa produit de nombres premiers distincts. Préciser un choix de aa et bb lorsque n=1n=1.

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

p1,p2,,pr,p_1,p_2,\ldots,p_r,

r1r\ge 1.

(a) À tout mot (ε1,,εr)(\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_r) de longueur rr formé de 00 et de 11, on associe

A(ε1,,εr)=p1ε1prεr.A(\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_r) =p_1^{\varepsilon_1}\cdots p_r^{\varepsilon_r}.

Expliquer pourquoi toute valeur de aa obtenue dans la partie I est la valeur de AA pour au moins un tel mot. Que donne le mot (0,,0)(0,\ldots,0) ?

(b) Combien existe-t-il de mots de longueur rr formés de 00 et de 11 ? En déduire qu'il existe au plus 2r2^r valeurs possibles pour aa.

III — Combien d'entiers peut-on alors fabriquer ?

On fixe un entier N1N\ge 1. Sous l'hypothèse précédente, chacun des entiers 1,2,,N1,2,\ldots,N possède une écriture n=ab2n=ab^2 construite comme dans la partie I.

(a) Si n=ab2Nn=ab^2\le N avec a1a\ge 1, montrer que bNb\le \sqrt N.

(b) En déduire qu'il existe au plus N\lfloor\sqrt N\rfloor valeurs possibles pour l'entier positif bb.

(a) À l'aide du principe multiplicatif, donner une majoration du nombre de couples (a,b)(a,b) susceptibles d'intervenir pour représenter des entiers compris entre 11 et NN.

(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 1,2,,N1,2,\ldots,N devant être représentés, établir la condition nécessaire

N2rN2rN.N\le 2^r\lfloor\sqrt N\rfloor\le 2^r\sqrt N.

IV — Choisir une borne qui fait craquer l'hypothèse

  1. On cherche désormais NN parmi les carrés parfaits. Écrire N=M2N=M^2 avec MM entier strictement positif. Déterminer une condition simple sur MM qui assure
N>2rN,N>2^r\sqrt N,

puis proposer un choix explicite et aussi simple que possible de MM, et donc de NN, en fonction de rr.

V — Trop d'entiers

  1. Pour la valeur de NN choisie à la question 6, comparer précisément le nombre NN d'entiers
1,2,,N1,2,\ldots,N

avec le nombre maximal de couples (a,b)(a,b) 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 (a,b)(a,b) pour fabriquer tous les entiers.

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