GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE



Hasonló dokumentumok
GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE

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

Számelméleti alapfogalmak

1. Egész együtthatós polinomok

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

1. Polinomok számelmélete

Hatványozás. A hatványozás azonosságai

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

Diszkrét matematika 2.

1. Komplex szám rendje

Waldhauser Tamás december 1.

1. Polinomfüggvények. Állítás Ha f, g C[x] és b C, akkor ( f + g) (b) = f (b) + g (b) és ( f g) (b) = f (b)g (b).

SZÁMELMÉLETI FELADATOK

Szakács Lili Kata megoldása

Diszkrét matematika 2.C szakirány

NEVEZETES SZÁMELMÉLETI FÜGGVÉNYEKRŐL

1. A maradékos osztás

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

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

Polinomok (el adásvázlat, április 15.) Maróti Miklós

Elemi matematika szakkör

Tartalom. Algebrai és transzcendens számok

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

illetve a n 3 illetve a 2n 5

Számelmélet. 1. Oszthatóság Prímszámok

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

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

Diszkrét matematika 1. estis képzés. Komputeralgebra Tanszék ősz

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

Bevezetés az algebrába az egész számok 2

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

1. A Horner-elrendezés

SzA XIII. gyakorlat, december. 3/5.

1. A polinom fogalma. Számolás formális kifejezésekkel. Feladat Oldjuk meg az x2 + x + 1 x + 1. = x egyenletet.

Kongruenciák. Waldhauser Tamás

4. Algebrai Módszerek Klasszikus Eredmények

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

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.

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

Egészrészes feladatok

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

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

Diszkrét matematika 2.C szakirány

FFT. Második nekifutás. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék október 2.

5. Az Algebrai Számelmélet Elemei

Bevezetés az algebrába 1

Zárthelyi feladatok megoldásai tanulságokkal Csikvári Péter 1. a) Számítsuk ki a 2i + 3j + 6k kvaternió inverzét.

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,...

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

Irodalom. (a) A T, B T, (b) A + B, C + D, D C, (c) 3A, (d) AD, DA, B T A, 1 2 B = 1 C = A = 1 0 D = (a) 1 1 3, B T = = ( ) ; A T = 1 0

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

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

VERSENYFELADATOK AZ ÁLTALÁNOS ÉS KÖZÉPISKOLÁBAN SZAKDOLGOZAT. Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar

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

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

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Prímszámok. A cikkben szereplő eredmények 2008 decemberéből származnak.

Diszkrét matematika I.

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

Analízis I. Vizsgatételsor

Klasszikus algebra előadás. Waldhauser Tamás március 24.

Polinomok (előadásvázlat, október 21.) Maróti Miklós

Bevezetés. 1. fejezet. Algebrai feladatok. Feladatok

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

A Dirichlet-tétel. Matematika BSc szakdolgozat. Témavezető: Dr. Waldhauser Tamás Algebra és Számelmélet Tanszék. Szerző: Körmendi Kristóf

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

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

ARCHIMEDES MATEMATIKA VERSENY

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Logaritmus

Minden egész szám osztója önmagának, azaz a a minden egész a-ra.

10.M ALGEBRA < <

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

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

Az Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny tanévi első fordulójának feladatmegoldásai

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Analízis elo adások. Vajda István szeptember 10. Neumann János Informatika Kar Óbudai Egyetem. Vajda István (Óbudai Egyetem)

Németh László Matematikaverseny, Hódmezővásárhely március 30. A osztályosok feladatainak javítókulcsa

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

4. Számelmélet, számrendszerek

karakterisztikus egyenlet Ortogonális mátrixok. Kvadratikus alakok főtengelytranszformációja

Elemi algebrai eszközökkel megoldható versenyfeladatok Ábrahám Gábor, Szeged

1. Interpoláció. Egyértelműség Ha f és g ilyen polinomok, akkor n helyen megegyeznek, így a polinomok azonossági tétele miatt egyenlők.

Fermat kongruencia-tétele, pszeudoprímszámok

1. Részcsoportok (1) C + R + Q + Z +. (2) C R Q. (3) Q nem részcsoportja C + -nak, mert más a művelet!

1. Hatvány és többszörös gyűrűben

MTN714: BEVEZETÉS AZ ABSZTRAKT ALGEBRÁBA. 1. Csoportelméleti alapfogalmak

Klasszikus algebra előadás. Waldhauser Tamás április 28.

M. 33. Határozza meg az összes olyan kétjegyű szám összegét, amelyek 4-gyel osztva maradékul 3-at adnak!

I. Egyenlet fogalma, algebrai megoldása

2017, Diszkrét matematika

Hadamard-mátrixok Előadó: Hajnal Péter február 23.

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

2016, Diszkrét matematika

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

VEKTORTEREK I. VEKTORTÉR, ALTÉR, GENERÁTORRENDSZER október 15. Irodalom. További ajánlott feladatok

Polinomgy r k. 1. Bevezet. 2. Polinomok. Dr. Vattamány Szabolcs.

Komplex számok. Wettl Ferenc előadása alapján Wettl Ferenc előadása alapján Komplex számok / 18

Átírás:

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE KEITH KEARNES, KISS EMIL, SZENDREI ÁGNES Első rész 1. Bevezetés Tekintsük az ak + b számtani sorozatot, ahol a > 0. Ha a és b nem relatív prímek, akkor (a,b) > 1 osztója a sorozat mindegyik tagjának, és így a sorozatban legföljebb egy prímszám szerepelhet (a kényelem kedvéért a prímszámokat pozitívnak tekintjük). 1.1. Tétel [Dirichlet, 1837]. Ha a > 0 és a, b relatív prím egész számok, akkor az ak + b (k = 1, 2,...) számtani sorozatban végtelen sok prímszám található. A tételnek csak olyan bizonyítása ismeretes, amely komplex analízist használ. Egy ilyen, középiskolások számára is érthetően leírt bizonyítás olvasható Szalay Mihály [6] középiskolás tagozatos tankönyvének függelékében. Ugyanakkor a tételnek vannak olyan speciális esetei, melyeket elemi úton is be tudunk bizonyítani. Ebben a kétrészes cikkben így igazoljuk a tételnek az nk + 1, illetve az nk 1 alakú számok sorozatára vonatkozó állítását. Az n betű végig ezt a pozitív egészet jelöli majd. Az a, b, c, d, i, j, k, l, m, u és p betűk is végig egész számokat jelölnek, melyek közül p prímszám. Feltételezzük, hogy az Olvasó ismeri a számelmélet alapvető fogalmait és tételeit, valamint a komplex számok és a polinomok legfontosabb tulajdonságait. Ezeknek a [2], illetve a [3] tankönyvek első fejezeteiben nézhet utána. Mindkét könyv tartalmazza az nk + 1 eset bizonyítását is ([2], 5.3.4. tétel, illetve [3], 5.8.15. feladat, melynek megoldása az internetről letölthető). Az alább következő gondolatmenet kicsit elemibb. Ennek ismertetésével ér véget a cikk első része. Bauer Mihály 1900 táján talált elemi bizonyítást a tétel nk 1 esetére. Erdős Pál és Surányi János [1] könyvükben megemlítik a két alapötletet (203. oldal). Cikkünk második részében, a már bevezetett fogalmakra alapozva, egy ehhez hasonló gondolatmenetet mutatunk be. Szerepel egy bizonyítás Schur [5] cikkében is. Felmerül a kérdés, hogy milyen számtani sorozatok esetében létezik még hasonló elemi bizonyítás. Erre Murty [4] eredménye ad választ: az ak + b számok sorozata akkor és csak akkor ilyen, ha b 2 1 (a). Érdekesség, hogy ennek igazolásához olyan mély tételt alkalmaz (Csebotarjov sűrűségi tételét 1922-ből), amely Dirichlet tételének általánosítása. Murty bizonyítása az algebrai számelmélet eszköztárát használja. Ebből az Olvasó kap majd kis ízelítőt, mert a Gauss-egészek fogalmát mi is bevezetjük a cikk második 1

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE 2 részében. Ugyanakkor cikkünk algebrai szempontból is elemi, a számelméleti elemrend és a körosztási polinomok fogalmát felhasználjuk majd, de testekről már nem beszélünk. A test fogalmának birtokában néhány számolás egyszerűsödött volna, de nem lényegesen. Az ilyen lehetőségre mindig utalunk a szövegben, biztatva az Olvasót, hogy az egyszerűsítést végezze el. A bizonyítást feladatsorozat formájában ismertetjük. A feladatok nem nehezek, érdemes velük önállóan próbálkozni. Mindegyik feladat után közvetlenül szerepel a megoldása. 2. Két elemi bizonyítás 2.1. Feladat. Igazoljuk, hogy végtelen sok 4k 1 alakú prímszám van. Megoldás. Tegyük föl indirekt, hogy csak véges sok ilyen prímszám van, legyenek ezek p 1,p 2,...,p l. Tekintsük az N = 4p 1 p 2...p l 1 számot. Ez 1-nél nagyobb, ezért prímszámok szorzata. E prímtényezők mindegyike 2-től és mindegyik p j -től különbözik, és így 4-gyel osztva már csak 1 maradékot adhat. Ekkor azonban a szorzatuk is 1-et ad maradékul, ami ellentmondás, mert N 1 (4). Megjegyezzük, hogy Dirichlet tételének analitikus bizonyítása már az egyszerű esetekben is többet ad, mint az elemi bizonyítások, mert segítségével meg lehet becsülni, hogy az adott számtani sorozatban mennyi prímszám van. Például ha a = 12, akkor csak négy sorozat jön szóba: 12k+1, 12k+5, 12k+7, 12k+11. Ezekben egymáshoz képest ugyanannyi prímszám van, a következő értelemben. Jelölje π b (x) a 12k +b alakú, x-nél nem nagyobb prímek számát. Ekkor b = 1, 5, 7, 11 mindegyikére π b (x) x/log(x) 1 4 (x ) (a logaritmus természetes alapú). Vagyis a négy sorozat mindegyikébe a prímek körülbelül egynegyede esik. Ez az eredmény erősítése a Nagy Prímszámtételnek (mely szerint a prímek száma x-ig körülbelül x/log(x), lásd [2], 5.4.1. tétel). Ugyanakkor a 2.1. feladat megoldása nagyon kevés 4k 1 alakú prímet szolgáltat. A kapott új prímről ugyanis nem tudunk mást, mint hogy legföljebbn. Ez a sorozat pedig nagyon gyorsan növekszik: a 3-ból kiindulva a kapott számok 11, 131, 17291, 298995971. Az Olvasónak érdemes meggondolnia, hogy az eljárás x-ig csak körülbelül log log(x) darab 4k 1 alakú prímet biztosít. Ugyanakkor az x-nél nem nagyobb 4k 1 alakú prímek számának nagyságrendje x/2log(x). Elemien bizonyítható az is, hogy végtelen sok 4k +1 alakú prím van. Ehhez már egy segédállításra van szükségünk. 2.2. Feladat. Igazoljuk, hogy ha a p prímszám 4k 1 alakú, akkor p a 2 + b 2 -ből p a és p b következik. Speciálisan az u 2 + 1 alakú számok mindegyik páratlan prímosztója 4k + 1 alakú.

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE 3 Megoldás. Ha a és b valamelyike osztható p-vel, akkor p a 2 + b 2 miatt a másik is. Ha egyik sem, akkor az a 2 b 2 (p) kongruenciát (p 1)/2-edik hatványra emelve az Euler Fermat-tétel miatt 1 ( 1) (p 1)/2 (p) adódik. Mivel p 1 (4), ezért ( 1) (p 1)/2 = 1. Így 1 1 (p), ami ellentmond annak, hogy p páratlan. 2.3. Feladat. Igazoljuk, hogy végtelen sok 4k +1 alakú prímszám van. Megoldás. Tegyük föl indirekt, hogy csak véges sok ilyen prímszám van, legyenek ezek p 1,p 2,...,p l. Tekintsük az N = (2p 1 p 2...p l ) 2 + 1 számot. Ez 1-nél nagyobb, ezért prímszámok szorzata. E tényezők mindegyike 2-től és mindegyik p j -től különbözik, és a 2.2. feladat miatt 4-gyel osztva 1 maradékot ad. Ez az ellentmondás bizonyítja az állítást. 3. Körosztási polinomok A továbblépéshez érdemes másik megoldást adni a 2.2. feladat második állítására. Ez bonyolultabb lesz, mert felhasználja a számelméleti elemrend fogalmát, de lehetővé teszi az általánosítást. Emlékeztetőül összefoglaljuk a renddel kapcsolatos tudnivalókat (lásd [2], 3.2. szakasz). 3.1. Feladat. Tegyük föl, hogy (c,m) = 1. Mutassuk meg, hogy van olyan pozitív k egész, melyre c k 1 (m). Megoldás. Mivel véges sok modulo m maradék van, léteznek olyan i < j egészek, hogy c i c j (m). A modulushoz relatív prím c i -vel egyszerűsítve c j i 1 (m) adódik. Ha r a legkisebb olyan tulajdonságú pozitív k szám, ami az előző feladatban szerepel, akkor c hatványai egy r hosszúságú periódus szerint ismétlődnek, és így c különböző hatványainak száma r. Ezt az r számot c rendjének nevezzük modulo m, jele o m (c). A periodicitás miatt c k 1 (m) o m (c) k. Az Euler Fermat-tételből ezért következik, hogy o m (c) ϕ(m). 3.2. Gyakorlat. Számítsuk ki 2 és 3 rendjét modulo 7. Megoldás. Mivel 2 hatványai modulo 7 rendre 2, 4, 8 1 (7), ezért o 7 (2) = 3. Hasonlóan, 3 első három hatványa modulo 7 rendre 3, 9 2 és 3 3 = 3 2 3 2 3 = 6. Tovább nem érdemes számolni a következő okból. Az eddigiek szerint 3 rendje nagyobb, mint 3. De ez a rend osztója ϕ(7) = 6-nak, ezért csakis 6 lehet. 3.3. Feladat. Legyen p prímosztója az u 2 + 1 számnak. Igazoljuk, hogy o p (u) = 4 vagy p = 2. Megoldás. Mivel p u 2 + 1 u 4 1, ezért u 4 1 (p), azaz o p (u) 4. Ha ez a rend nem 4, akkor 1 vagy 2. Mindkét esetben u 2 1 (p). A feltétel szerint u 2 1 (p), ezért 1 1 (p), azaz p = 2.

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE 4 Innen persze páratlan p esetén 4 = o p (u) ϕ(p) = p 1, azaz megkaptuk a 2.2. feladat második állítását. Ez a megoldás azt sugallja, hogy ha a 4k+1 sorozat helyett az nk+1 sorozatban keresünk prímeket, akkor u 2 +1 u 4 1 helyett az u n 1 kifejezés alkalmas tényezőjével célszerű dolgoznunk. Az x n 1 polinom szorzatra bontását körosztási polinomok segítségével végezhetjük el. Az x n 1 gyökei az ε k = cos(2πk/n) + isin(2πk/n) komplex számok, ahol 1 k n, vagyis az n-edik komplex egységgyökök (lásd [3], 1.5. szakasz). Mivel egész együtthatós polinomokat szeretnénk kapni, ezért x n 1 gyöktényezői közül bizonyosakat összevonunk. Legyen Φ n (x) = ( ) x εk. 1 k n (k,n)=1 E polinom gyökei a primitív n-edik egységgyökök, maga Φ n (x) pedig az n-edik körosztási polinom. Az alábbi tétel x n 1 kívánt szorzatra bontását szolgáltatja. 3.4. Tétel. Ha n 1, akkor a következők teljesülnek. (1) Φ n (x) foka ϕ(n). (2) Érvényes az azonosság. (3) Φ n (x) egész együtthatós. x n 1 = d n Φ d (x) Az előző tételt az Olvasó könnyen igazolhatja, vagy megtalálhatja a bizonyítást a [3] könyv 3.9. szakaszában. A (2) pont képletéből a körosztási polinomokat kiszámíthatjuk rekurzívan, egységgyökökre való hivatkozás nélkül is. 3.5. Gyakorlat. Számítsuk ki a Φ n (x) polinomokat, amikor n = 1,2,3,4,12. Megoldás. Mivel a nevezőn = 1 esetén üres szorzat, Φ 1 (x) = x 1 (vagy a definícióból közvetlenül láthatjuk, hogy az 1 az egyetlen primitív 1-edik egységgyök). A képletből Φ 2 (x) = (x 2 1)/(x 1) = x+1 és Φ 3 (x) = (x 3 1)/(x 1) = x 2 +x+1. Mivel Φ 1 (x)φ 2 (x) = x 2 1, ezért Φ 4 (x) = (x 4 1)/(x 2 1) = x 2 +1. Hasonlóan összevonva a nevezőben Φ 12 (x) = x 12 1 Φ 1 (x)φ 2 (x)φ 3 (x)φ 4 (x)φ 6 (x) = (hiszen Φ 1 (x)φ 2 (x)φ 3 (x)φ 6 (x) = x 6 1). x 12 1 (x 6 1)Φ 4 (x) = x6 +1 x 2 +1 = x4 x 2 +1 A Φ 4 (x) = x 2 +1 összefüggés alapján a 3.3. Feladat állítása úgy is fogalmazható, hogy ha p prímosztója a Φ 4 (u) számnak, akkor o p (u) = 4 vagy p 4. Ezt általánosítja a következő tétel, amit az utána következő három feladatban látunk be. 3.6. Tétel. Legyen p prímosztója a Φ n (u) számnak. Ekkor o p (u) = n vagy p n. Mivel Φ n (u) u n 1, ezért p és u relatív prímek, tehát az o p (u) rend értelmes.

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE 5 3.7. Feladat. Legyenek f(x), g(x), h(x) egész együtthatós polinomok, és tegyük föl, hogy f és g konstans tagja is osztható p-vel. Ekkor az f(x)g(x)h(x) szorzatpolinomban a konstans tag is, az x-es tag együtthatója is osztható p-vel. Megoldás. Legyen f(x) = a 0 +a 1 x+..., g(x) = b 0 +b 1 x+..., h(x) = c 0 +c 1 x+... Ekkor a szorzatpolinomban a konstans tag a 0 b 0 c 0, az x-es tag együtthatója pedig a 0 b 0 c 1 +a 0 b 1 c 0 +a 1 b 0 c 0. Megjegyezzük, hogy ha hajlandóak vagyunk polinomok együtthatóival modulo p számolni, akkor ez a megoldás egyszerűbben is megfogalmazható. A modulo p vett maradékok egy p elemű Z p testet alkotnak. Vegyük mindhárom polinom együtthatóit modulo p, ekkor Z p fölötti polinomokat kapunk. A feltétel szerint f(x) és g(x) is osztható x-szel Z p [x]-ben, tehát f(x)g(x)h(x) osztható x 2 -tel. Ennek a gondolatmenetnek a precíz megalapozása a [3] könyvben olvasható (1.1. szakasz, illetve 2.3.8. Gyakorlat). 3.8. Feladat. Tegyük föl, hogy p prímosztója a Φ n (u) számnak, de o p (u) n. Igazoljuk, hogy ekkor van olyan m n, hogy m n és p Φ m (u). Megoldás. Mivel p Φ n (u) u n 1, ezért u n 1 (p), és így o p (u) n. Legyen o p (u) = d < n. Ekkor u d 1 (p), azaz p u d 1 = m d Φ m(u). Mivel p prím, osztója valamelyik tényezőnek. 3.9. Feladat. Igazoljuk a 3.6. tételt. Megoldás. Tegyük föl, hogy p prímosztója a Φ n (u) számnak, de o p (u) n. Az előző feladat miatt van olyan m n, hogy m n és p Φ m (u). Legyen f(x) = Φ n (x+u), g(x) = Φ m (x + u), továbbá legyen h(x) mindazon Φ l (x + u) polinomok szorzata, ahol l n de l n,m. Ha a 3.4. tétel (2) állítását x n 1 helyett (x+u) n 1-re alkalmazzuk, akkorf(x)g(x)h(x) = (x+u) n 1 adódik. Helyettesítsünkx = 0-t, ekkor láthatjuk, hogyf(x) ésg(x) konstans tagja is oszthatóp-vel. Ezért a 3.7. feladat miatt az (x+u) n 1 polinom x-es tagjának együtthatója osztható p-vel. A binomiális tétel szerint ez nu n 1. Mivel p Φ n (u) u n 1 miatt p relatív prím u-hoz, ezért p n. Az Olvasó a 3.6. tételt felhasználva most már könnyen általánosíthatja a 2.3. feladat megoldását, és beláthatja hogy végtelen sok nk + 1 alakú prímszám van. Mi ezt a lépést azért bontjuk három feladatra, mert így könnyebb lesz követni a cikk második részében az nk 1 eset gondolatmenetét. 3.10. Feladat. Mutassuk meg, hogy minden pozitív K egészhez van olyan u egész, hogy Φ n (u) osztható egy K-nál nagyobb p prímszámmal. Megoldás. Legyen u = LK!, ahol az L pozitív egész értékét később választjuk meg. Mivel Φ n (x) ha x, ezért L-et elég nagyra választva Φ n (LK!) > 1, és így Φ n (u) = Φ n (LK!)-nak van egy p prímosztója. Tudjuk, hogy Φ n (u) u n 1, ezért p relatív prím u = LK!-hoz. Így p > K. 3.11. Feladat. Igazoljuk, hogy ha a p prím nagyobb n-nél, és u olyan egész szám, amelyre p Φ n (u), akkor a p prím nk +1 alakú.

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE 6 Megoldás. A 3.6. tételből következik, hogy o p (u) = n, hiszen p > n miatt p n nem teljesül. Ezért n = o p (u) ϕ(p) = p 1. 3.12. Feladat. Bizonyítsuk be, hogy minden n > 0 esetén végtelen sok nk + 1 alakú prímszám van. Megoldás. Tegyük föl indirekt, hogy csak véges sok ilyen prímszám van, legyenek ezek p 1,p 2,...,p l. Válasszuk a K számot úgy, hogy ezek mindegyikénél, továbbá n-nél is nagyobb legyen. A 3.10. feladat miatt van olyan u egész, továbbá egy K-nál nagyobb p prím, melyre p Φ n (u). Az előző feladat szerint a p prím nk + 1 alakú, ami ellentmondás. Ajánlott irodalom [1] Erdős Pál, Surányi János: Válogatott fejezetek a számelméletből. Polygon Kiadó, 1996. [2] Freud Róbert, Gyarmati Edit: Számelmélet. Nemzeti Tankönyvkiadó, 2006. [3] Kiss Emil: Bevezetés az algebrába. TypoTEX Kiadó, 2007. [4] M. R. Murty: Primes in certain arithmetic progressions. J. Madras Univ. (1988), 161 169. [5] I. Schur: Über die existenz unendlich vieler primzahlen in einiger speziellen arithmetischen progressionen. Sitzungber. Berliner Math. Ges. 11 (1912), 40 50. [6] Szalay Mihály: Számelmélet. TypoTEX Kiadó, 1998.