Következik, hogy B-nek minden prímosztója 4k + 1 alakú, de akkor B maga is 4k + 1 alakú, s ez ellentmondás.

Hasonló dokumentumok
Prímszámok. A cikkben szereplő eredmények 2008 decemberéből származnak.

Tartalom. Algebrai és transzcendens számok

Algebra es sz amelm elet 3 el oad as Nevezetes sz amelm eleti probl em ak Waldhauser Tam as 2014 oszi f el ev

Szakács Lili Kata megoldása

OSZTHATÓSÁG. Osztók és többszörösök : a 3 többszörösei : a 4 többszörösei Ahol mindkét jel megtalálható a 12 többszöröseit találjuk.

Dr. Tóth László Hány osztója van egy adott számnak? április

SZÁMELMÉLETI FELADATOK

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Számelmélet I.

Bizonyítási módszerek - megoldások. 1. Igazoljuk, hogy menden természetes szám esetén ha. Megoldás: 9 n n = 9k = 3 3k 3 n.

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Számelmélet. 4. Igazolja, hogy ha hat egész szám összege páratlan, akkor e számok szorzata páros!

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

4. Sorozatok. 2. Igazoljuk minél rövidebben, hogy a következő egyenlőség helyes: 100 =

1.1. Definíció. Azt mondjuk, hogy a oszója b-nek, vagy más szóval, b osztható a-val, ha létezik olyan x Z, hogy b = ax. Ennek jelölése a b.

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE

Diszkrét matematika I.

10.M ALGEBRA < <

Számelmélet (2017. február 8.) Bogya Norbert, Kátai-Urbán Kamilla

Sorozatok I. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

Számelméleti alapfogalmak

Diszkrét matematika I.

Diszkrét matematika 1. estis képzés. Komputeralgebra Tanszék ősz

Oszthatóság. Oszthatóság definíciója (az egészek illetve a természetes számok halmazán):

illetve a n 3 illetve a 2n 5

2. Feladatsor. N k = {(a 1,...,a k ) : a 1,...,a k N}

Számelmélet. 1. Oszthatóság Prímszámok

7. Számelmélet. 1. Lehet-e négyzetszám az a pozitív egész szám, amelynek tízes számrendszerbeli alakjában 510 darab 1-es és valahány 0 szerepel?

Az R halmazt a valós számok halmazának nevezzük, ha teljesíti az alábbi 3 axiómacsoport axiómáit.

Számelmélet Megoldások

Számítógépes Számelmélet

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE

Oszthatósági problémák

ismertetem, hogy milyen probléma vizsgálatában jelent meg ez az eredmény. A kérdés a következő: Mikor mondhatjuk azt, hogy bizonyos események közül

Megoldások 9. osztály

Elemi matematika szakkör

Bevezetés az algebrába az egész számok 2

A lehetetlenségre visszavezetés módszere (A reductio ad absurdum módszer)

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Számelmélet

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2015/2016-os tanév 1. forduló Haladók III. kategória

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Számelmélet

SzA XIII. gyakorlat, december. 3/5.

4. Számelmélet, számrendszerek

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Egészrészes feladatok

NEVEZETES SZÁMELMÉLETI FÜGGVÉNYEKRŐL

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2010/2011-es tanév 1. forduló haladók III. kategória

XXIV. NEMZETKÖZI MAGYAR MATEMATIKAVERSENY Szabadka, április 8-12.

Oszthatósági alapfogalmak, oszthatósági szabályok

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

RSA algoritmus. P(M) = M e mod n. S(C) = C d mod n. A helyesség igazoláshoz szükséges számelméleti háttér. a φ(n) = 1 mod n, a (a 1,a 2,...

Hatványozás. A hatványozás azonosságai

A prímszámok eloszlása, avagy az első 50 millió

Itt és a továbbiakban a számhalmazokra az alábbi jelöléseket használjuk:

HHF0CX. k darab halmaz sorbarendezésének a lehetősége k! Így adódik az alábbi képlet:

1. melléklet: A tanárokkal készített interjúk főbb kérdései

Kiegészítő részelőadás 2. Algebrai és transzcendens számok, nevezetes konstansok

Analízis előadás és gyakorlat vázlat

Számelmélet, műveletek, egyenletek, algebrai kifejezések, egyéb

25. tétel: Bizonyítási módszerek és bemutatásuk tételek bizonyításában, tétel és megfordítása, szükséges és elégséges feltétel

Logika és informatikai alkalmazásai

Megyei matematikaverseny évfolyam 2. forduló

Titkosírás. Biztos, hogy titkos? Szabó István előadása. Az életben sok helyen használunk titkosítást (mobil, internet, jelszavak...

Analízis I. Vizsgatételsor

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2014/2015-ös tanév első (iskolai) forduló Haladók II. kategória

Prímek a középiskolai szakkörön

MEMO (Middle European Mathematical Olympiad) Szoldatics József, Dunakeszi

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Prímszámok a Fibonacci sorozatban

13.1.Állítás. Legyen " 2 C primitív n-edik egységgyök és K C olyan számtest, amelyre " =2 K, ekkor K(") az x n 1 2 K[x] polinomnak a felbontási teste

Sorozatok határértéke SOROZAT FOGALMA, MEGADÁSA, ÁBRÁZOLÁSA; KORLÁTOS ÉS MONOTON SOROZATOK

Kalkulus I. Első zárthelyi dolgozat szeptember 16. MINTA. és q = k 2. k 2. = k 1l 2 k 2 l 1. l 1 l n 6n + 8

Diszkrét matematika 2.

4. SOROK. a n. a k (n N) a n = s, azaz. a n := lim

Algoritmuselmélet 18. előadás

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Prímszámok statisztikai analízise

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások. 21 és 5 7 = 15

Oktatási Hivatal. 1 pont. A feltételek alapján felírhatók az. összevonás után az. 1 pont

2018, Diszkre t matematika. 10. elo ada s

Elemi algebrai eszközökkel megoldható versenyfeladatok Ábrahám Gábor, Szeged

2016, Diszkrét matematika

Haladók III. kategória 2. (dönt ) forduló

Az Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny tanévi első fordulójának feladatmegoldásai

Elemi feladatsorok; 2G

HALMAZOK TULAJDONSÁGAI,

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2008/2009-es tanév első (iskolai) forduló haladók II. kategória

1. Egészítsük ki az alábbi Python függvényt úgy, hogy a függvény meghatározza, egy listába, az első n szám faktoriális értékét:

1. zárthelyi,

1000 forintos adósságunkat, de csak 600 forintunk van. Egyetlen lehetőségünk, hogy a

Matematika 7. osztály

Negatív alapú számrendszerek

Differenciál és integrálszámítás diszkréten

A folyammenti kultúrák. (a, b, c) N 3 Pithagoraszi számhármas, ha. Pithagoraszi számhármasok, a Fermat problémakör. a 2 + b 2 = c 2.

A törzsszámok sorozatáról

Átírás:

Prímszámok A (pozitív) prímszámok sorozata a következő: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19,... 1. Tétel. Végtelen sok prímszám van. Első bizonyítás. (Euklidész) Tegyük fel, hogy állításunk nem igaz, tehát véges sok prímszám létezik, legyenek ezek: p 1, p 2,..., p k. Tekintsük az A = p 1 p 2 p k + 1 számot, amelynek van egy q prímosztója. A feltevés szerint q = p i valamely i-re, hiszen csak a p 1, p 2,..., p k prímek léteznek és következik, hogy p i 1, ami ellentmondás. Második bizonyítás. Megmutatjuk, hogy minden n 1 számnál van nagyobb prímszám. Legyen N = n! + 1 > 1, így N-nek van legalább egy p prímosztója. Itt p > n, mert ha p n lenne, akkor p n!, ahonnan p 1, ami ellentmondás. Harmadik bizonyítás. Tekintsük az F n = 2 2n +1, n 0 számsorozatot. Minden F n számnak létezik egy q n prímosztója. Az F n = 2 2n + 1 sorozat tagjai páronként relatív prímek, lásd Feladat. Így a q n prímszámok páronként különbözők, tehát q 1, q 2,... prímszámok végtelen sorozata. 2. Feladat. Igazoljuk, hogy az F n = 2 2n + 1, n 0 sorozat tagjai páronként relatív prímek. 3. Megjegyzés. Az F n = 2 2n + 1, n 0 számokat Fermat-számoknak, az ilyen alakú prímeket pedig Fermat-prímeknek nevezzük. Fermat azt sejtette, hogy az F n számok mind prímek. Nos, F 0 = 3, F 1 = 5, F 2 = 17, F 3 = 257, F 4 = 65537 prímek, F 5 viszont nem prím, osztható 641-gyel (ezt először Euler igazolta). Nem tudjuk, hogy léteznek-e további Fermat-prímek. A 2 az egyedüli páros prímszám, a többi prím 4k 1 alakú (3, 7, 11, 19,...) vagy 4k + 1 alakú (5, 13, 17, 29,...). 4. Tétel. 1) Végtelen sok 4k 1 alakú prím létezik. 2) Végtelen sok 4k + 1 alakú prím létezik. Bizonyítás. 1) Az euklidészi bizonyításhoz hasonlóan tegyük fel, hogy véges sok 4k 1 alakú prím létezik: p 1, p 2,..., p r. Legyen B = 4p 1 p 2 p r 1. Azonnali, hogy 2 B és p 1 B, p 2 B,..., p r B. Következik, hogy B-nek minden prímosztója 4k + 1 alakú, de akkor B maga is 4k + 1 alakú, s ez ellentmondás. 2) A második állítás hasonlóképpen igazolható. Tegyük fel, hogy véges sok 4k + 1 alakú prímszám van: p 1, p 2,..., p s. Ha a C = 4p 1 p 2 p s + 1 számot vizsgáljuk, akkor nem jutunk ellentmondásra, mert megtörténhet, hogy C-nek páros számú 4k 1 alakú prímosztója van. Legyen D = (2p 1 p 2 p s ) 2 + 1, melyre 2 D, p 1 D, p 2 D,..., p s D. Kapjuk, hogy D-nek létezik egy q = 4k 1 alakú prímosztója. Így q 2 + 1, ahol = 2p 1 p 2 p s, azaz 2 1 (mod q), innen q 1 ( 1) q 1 2 ( 1) 2k 1 1 (mod q). A Fermat-tétel szerint q 1 1 (mod q), és kapjuk, hogy 1 1 (mod q). Innen q = 2, ellentmondás. Másképp: Legyen n > 1. Olyan 4k + 1 alakú prímet szerkesztünk, amely n-nél nagyobb. Tekintsük az m = (n!) 2 + 1 páratlan szám valamely p prímosztóját. Ekkor p páratlan, p > n és (n!) 2 1 (mod p), (n!) p 1 ( 1) p 1 2 (mod p). A Fermat-tétel szerint (n!) p 1 1 (mod p), és kapjuk, hogy ( 1) p 1 2 1 (mod p). Innen ( 1) p 1 2 = 1, azaz p 1 (mod 4). A 2 és 3 prímek kivételével minden prím 6k 1 alakú (5, 11, 17,...) vagy 6k + 1 alakú (7, 13, 19,...). Itt a 3-nál nagyobb 6k, 6k + 2, 6k + 3 és 6k + 4 alakú számok biztosan összetettek. A 6k + 5 alakú számok helyett tekinthetjük a 6k 1 alakúakat. Hasonlóképpen igazolható, hogy végtelen sok 6k 1 alakú és végtelen sok 6k + 1 alakú prímszám létezik. Mindezeknél általánosabb a következő tétel: 5. Tétel. (Dirichlet) Minden ak + b, k 0 számtani sorozatban, ahol (a, b) = 1, végtelen sok prímszám van. 6. Feladat. Igazoljuk, hogy végtelen sok 6k 1 alakú prímszám van. 1

Megoldás. Tegyük fel, hogy véges sok 6k 1 alakú prím létezik: p 1, p 2,..., p r. Legyen N = 6p 1 p 2 p r 1. Azonnali, hogy 2 N és p 1 N, p 2 N,..., p r N. Következik, hogy N-nek minden prímosztója 6k + 1 alakú, de akkor N maga is 6k + 1 alakú, ami ellentmondás. 7. Feladat. Igazoljuk, hogy minden n 2 szám felírható prímek összegeként. Megoldás. n = 2k = 2 + 2 + {{... + 2, n = 2k + 1 = 2 + 2 + {{... + 2 +3. k k 1 8. Megjegyzés. A (mindmáig bizonyítatlan) 1742-ben kimondott Goldbach-sejtés szerint minden n > 2 páros szám felírható két prímszám összegeként. Ebből azonnal következik, hogy minden n > 5 páratlan szám felírható három prímszám összegeként. Itt n = 3 + (n 3), ahol n 3 > 2 páros szám. 9. Feladat. Igazoljuk, hogy minden n 12 szám felírható két összetett szám összegeként. 10. Feladat. Felírható-e F n = 2 2n + 1, n 0 két prímszám összegeként? 11. Tétel. Minden n > 1 számhoz megadható n egymásutáni összetett szám. Bizonyítás. Legyen a k = (n + 1)! + k + 1, ahol k {1, 2,..., n. Ezek egymásutáni számok és mindegyik összetett, hiszen k + 1 a k és a k > k + 1 minden k {1, 2,..., n esetén. Legyen d n = p n+1 p n. Az előző tétel szerint a (d n ) n 1 sorozat nem korlátos. Ez a tétel nem jelenti azt, hogy nagy számokat vizsgálva a prímek egyre ritkábban fordulnak elő. Léteznek olyan prímszámok, melyek különbsége 2. Ilyen prímek, úgynevezett ikerprímek, például a következők: (3, 5), (5, 7), (11, 13), (17, 19),..., (10 9 + 7, 10 9 + 9),... Vannak olyan prímek, sőt végtelen sok, lásd Feladat, amelyek nem tagjai ikerprímszámpároknak, pl. 23, 37, 47,... A prímszámelmélet egy nevezetes, mindmáig megoldatlan kérdése az, hogy létezik-e végtelen sok ikerprímszámpár. 12. Feladat. Lehet-e a p, p + 2, p + 4 számok mindegyike prímszám? 13. Feladat. Ha p, q 5 ikerprímek, akkor 12 p + q. Megoldás. 6-tal osztva minden p > 3 prímszám 6k + 1 vagy 6k + 5 alakú. Ha p, q 5 ikerprímek, akkor így p = 6k 1 és q = 6k + 1 alakú, ugyanazzal a k-val. Innen azonnali, hogy p + q = 12k osztható 12-vel. 14. Feladat. Lehetnek-e 2 n 1 és 2 n + 1 ikerprímek, ahol n 1? 15. Tétel. (Prímszámtétel) Ha π() = p 1 jelöli a prímszámok számát -ig, akkor azaz π() log Innen azonnali, hogy π() = 1, log (a jelet olvasd: aszimptotikusan egyenlő). π() = 0. 16. Megjegyzés. Ha (a n ) n 1 egy természetes számokból álló sorozat, akkor jelölje u() = a n 1 a sorozat -nél nem nagyobb tagjainak a számát. Az adott sorozat sűrűségén a u() határértéket értjük, feltéve, hogy ez létezik. A páros számok sűrűsége például 1/2, a négyzetszámok sűrűsége nulla, és az előbbiek szerint a prímszámok sűrűsége is nulla, azaz a prímek ritkán fordulnak elő a természetes számok között. Jelölje p n az n-edik prímszámot. Így p 1 = 2, p 2 = 3, p 3 = 5, p 4 = 7, p 5 = 11,... és p n, ha n. 17. Tétel. (Csebisev) Ha n 2, akkor létezik olyan p prímszám, melyre n < p < 2n. 2

18. Feladat. Igazoljuk, hogy p n+1 < 2p n minden n 1 esetén. Megoldás. Azonnali a Csebisev-tételből: p n és 2p n között van prím, így p n+1 < 2p n. 19. Feladat. A Csebisev-tétel alkalmazásaként igazoljuk, hogy minden n 2 esetén p n < 2 n. Megoldás. Indukcióval bizonyítunk. Ha n = 2, akkor p 2 = 3 < 2 2, igaz. Tegyük fel, hogy a tulajdonság igaz valamely k 2-re, azaz p k < 2 k. Akkor a Tétel alapján 2 k és 2 k+1 között létezik prímszám, amely nagyobb mint p k, így p k+1 < 2 k+1. 20. Tétel. (A prímszámtétel másik alakja) azaz p n n log n. n p n n log n = 1, 21. Feladat. Igazoljuk, hogy létezik végtelen sok olyan prímszám, melyeknek első számjegye 1-es (10-es számrendszerben felírva). Megoldás. A Csebisev-tétel szerint minden k 1-re 10 k és 2 10 k között van prímszám, és ez olyan szám, amelynek első jegye 1-es és k + 1-jegyű. Így különböző k értékekre különböző ilyen prímeket kapunk. 22. Feladat. Lehet-e egy pozitív egészekből álló végtelen számtani sorozat minden tagja prímszám? Megoldás. Legyen a, a + r, a + 2r,..., a + nr,... egy számtani sorozat, ahol a > 1 (a = 1 nem prím) és r 0. Ha r = 0, akkor lehet minden tag prím, pl. 2, 2, 2,... Ha r 1, akkor a + ar = a(1 + r) összetett (a 2, 1 + r 2), nem lehet minden tag prím. 23. Megjegyzés. Példák véges sok tagú számtani sorozatokra, amelyek tagjai mind prímek. Háromtagú: 3, 7, 11 és 3, 11, 19, négytagú: 41, 47, 53, 59, öttagú: 5, 11, 17, 23, 29, hattagú: 7, 37, 67, 97, 127, 157, tíztagú: 199 + 210k, 0 k 9. 24. Tétel. (Ben Green, Terence Tao, 2004) Minden k 1 számra a prímszámok sorozatában létezik végtelen sok k hosszúságú számtani sorozat. További feladatok: 25. Feladat. Mutassuk meg, hogy végtelen sok olyan prímszám van, amely nem tagja egyetlen ikerprímszámpárnak sem. Megoldás. A Dirichlet-tétel szerint végtelen sok 15k + 7 alakú prím létezik, ahol (15, 7) = 1. Itt (15k + 7) 2 = 15k + 5 osztható 5-tel, (15k + 7) + 2 = 15k + 9 osztható 3-mal, tehát nem prím. 26. Feladat. Mutassuk meg, hogy minden k 1 esetén létezik végtelen sok olyan p prímszám, hogy a p k,..., p 2, p 1, p + 1, p + 2,..., p + k számok mindegyike összetett szám (azaz létezik végtelen sok ún. izolált prím). Megoldás. Legyen q prím, úgy, hogy q k + 2 és legyen a = 2 3 (q 2)(q 1)(q + 1)(q + 2) (2q 2), ahol (a, q) = 1. A Dirichlet-tétel alapján létezik végtelen sok p = al + q alakú prím. Itt minden 1 i k-ra p i = (al + q) i = 2 3 (q 2)(q 1)(q + 1)(q + 2) (2q 2)l + q i = = (q i)(2 3 (q i 1)(q i + 1) (q 2)(q 1)(q + 1)(q + 2) (2q 2)l + 1). Következik, hogy (q i) (p i) és q i q k 2 és q i < (al + q) i = p i, tehát p i összetett. Hasonlóan, p + j összetett minden 1 j k-ra. 27. Feladat. Milyen n számokra prím n 4 + 4? 3

28. Táblázat. A π() függvény értékei: pi() ---------------------------------------------------------------------- 10 4 100 25 1 000 168 10 000 1 229 100 000 9 592 1 000 000 78 498 10 000 000 664 579 100 000 000 5 761 455 1 000 000 000 50 847 534 10 000 000 000 455 052 511 100 000 000 000 4 118 054 813 1 000 000 000 000 37 607 912 018 10 000 000 000 000 346 065 536 839 100 000 000 000 000 3 204 941 750 802 1 000 000 000 000 000 29 844 570 422 669 10 000 000 000 000 000 279 238 341 033 925 100 000 000 000 000 000 2 623 557 157 654 233 1 000 000 000 000 000 000 24 739 954 287 740 860 10 000 000 000 000 000 000 234 057 667 276 344 607 100 000 000 000 000 000 000 2 220 819 602 560 918 840 1 000 000 000 000 000 000 000 21 127 269 486 018 731 928 10 000 000 000 000 000 000 000 201 467 286 689 315 906 290 Forrás: http://primes.utm.edu/howmany.shtml#table 4

29. π() és / log grafikonja (2 100, Maple) > p:=plot([seq([n,nops(select(isprime,[$1..n]))],n=2..100)], =0..100,y=0..30, color=red): q:=plot(/ln(),=2..100,y=0..30,color=green): plots[display](\{p,q\, title= pi() es /log osszehasonlitasa ); pi() es /log osszehasonlitasa 30 28 26 24 22 20 18 16 y 14 12 10 8 6 4 2 0 20 40 60 80 100 5