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+1 voto
Por cuestiones personales me puse a investigar como matemática recreativa los valores de $ps-qr$ donde $p<q<r<s$ son primos consecutivos. Puse en una hoja de cálculo los primeros mil primos y calculé esa diferencia. Noté que la mayoría de los valores sólo aparecen una vez. Sin embargo, hay muchos que sí se repiten:

El -24 aparece 40 veces.
El -48 aparece 21 veces.
El -60 aparece 16 veces.
El -120 aparece 15 veces.
...

El punto es que con estos casi mil datos, todos los valores que se repiten 3 o más veces son múltiplos de 12.

Hay 5 números que no son múltiplos de 12 que se repiten 2 veces: 16 350, 16 964, 17970, 27 930, y 46 830.

¿Hay alguna razón teórica que explique este fenómeno?
por (8,1m puntos) en Avanzadas
editado por

3 Respuestas

+1 voto

La "aparición" de los múltiplos de $12$ entre los resultados se puede explicar asumiendo la conjetura de los primos en $k$-tuplas.

He aquí el enunciado de la conjetura de los primos en $k$-tuplas (cf. R. Crandall & C. Pomerance, "Prime numbers: a computational perspective", 2nd. edition. Springer Verlag, 2005, p. 17.):

Si $a_{1}, b_{1}, \ldots, a_{k}, b_{k}$ son números enteros tales que $a_{1}, \ldots, a_{k}$ son positivos y $\mathrm{mcd}(a_{i}, b_{i})=1$ para cada $i \in \{1, \ldots, k\}$ y, además, para cada número primo $p \leq k$ se cumple que existe un número entero $n$ tal que $p$ no divide a ninguno de los $a_{i}n+b_{i}$, entonces hay una infinidad de números enteros $n$ tales que $an_{1}+b_{1}, \ldots, an_{k}+b_{k}$ son números primos.

Asumiendo la validez de esa conjetura se desprende que hay una infinidad de números naturales $N$ tales que

$$840N+73, \qquad 840N+79, \qquad 840N+83 \qquad \mbox{y} \qquad 840N+89$$

son números primos. No resulta difícil convencerse que, cuando esos cuatro números son primos, de hecho son números primos consecutivos. Además, para cada $N \in \mathbb{Z}$ se tiene que

$$(840N+73)(840N+89)-(840N+79)(840N+83) \equiv 0 \pmod{12}$$

y así lo "observado" en la primera parte del fénomeno empieza a hacer un tanto más de sentido...

(TO BE CONTINUED)

por (39,8m puntos)
editado por
Eso está interesante, no conocía esa conjetura. Pero de los ejemplos que describes, sólo k=1 entra en la muestra que yo tomé. Creo que será interesante tomar una muestra mucho más grande.

EDIT: no es verdad, tomé los primeros mil primos, no los primos menores que mil. La muestra llega hasta 7919. Igual creo que no son muchos los ejemplos de la forma $(840k+73, 840k+79, 840k+83, 840k+89)$.
Bueno, al menos la conjetura te dice que si haces el experimento con más y más números primos entonces será inevitable que sigas observando múltiplos de $12$ entre tus resultados... Veré si puedo refinar el argumento condicional para sacar una "explicación" más cercana a los números que obtienes.
De hecho, lo que parece que ocurre es que cuando $pr-qs$ es negativo y de magnitud pequeña da casi siempre múltiplos de 12. Las excepciones son $2\cdot 7-3\cdot 5=-1$, $3\cdot 11-5\cdot 7=-2$ y $19\cdot 31-23\cdot 29=-78$. De ahí en fuera, todos los valores entre -180 y 0 son múltiplos de 12.
+1 voto

(... CONTINUACIÓN)

Hice algunos experimentos con Mathematica. Para cada $n \in (1,10^{5}]=:\mathcal{I}$, calculé la reducción módulo $12$ de la diferencia $d_{n}:=p_{n}p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2}$ donde $p_{k}$ denota aquí al $k$-ésimo número primo. Los resultados que obtuve son los siguientes:

* $p_{n}p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2} \equiv 0 \pmod{12}$ para $26\,719$ números enteros del intervalo $\mathcal{I}$;

* $p_{n}p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2} \equiv 2 \pmod{12}$ para $13\,350$ números enteros del intervalo $\mathcal{I}$;

* $p_{n}p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2} \equiv 4 \pmod{12}$ para $10\,385$ números enteros del intervalo $\mathcal{I}$;

* $p_{n}p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2} \equiv 6 \pmod{12}$ para $25\,027$ números enteros del intervalo $\mathcal{I}$;

* $p_{n}p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2} \equiv 8 \pmod{12}$ para $14\,322$ números enteros del intervalo $\mathcal{I}$ y

* $p_{n}p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2} \equiv 10 \pmod{12}$ para $10\,196$ números enteros del intervalo $\mathcal{I}$.

Como puede observarse, la expresión resultó congruente con $0$ módulo $12$ en aproximadamente $1/4$ de los casos considerados; la expresión resultó congruente con $2$ módulo $12$ en aproximadamente $1/8$ de los casos, la expresión fue congruente con $4$ módulo $12$ en aproximadamente $1/8$ de los casos, la expresión resultó congruente con $6$ módulo $12$ en aproximadamente $1/4$ de los casos y la expresión resultó congruente con $10$ en aproximadamente $1/8$ de las ocasiones.

¿Cómo se puede entender esa tendencia o distribución de las reducciones módulo $12$ de la expresión considerada?

Un número primo impar es congruente con $1$, $5$, $7$ u $11$ módulo $12$. En consecuencia,  al hacer la reducción módulo $12$ de cada entrada de una cuarteta del  tipo $(p_{n}, p_{n+1}, p_{n+2}, p_{n+3})$, se obtienen las $4^{4} = 256$ posibles cuartetas de entradas en  $\{1, 5, 7, 11\}$. Para cada cuarteta $(a, b, c, d) \in \{1, 5, 7, 11\}^{4}$, calculé con ayuda de Mathematica la reducción módulo $12$ de $a\cdot d - b\cdot c$ y observé que los resultados (los cuales sólo pueden ser $0$, $2$, $4$, $6$, $8$ y $10$) aparecen exactamente  con las frecuencias $1/4$ (el $0$), $1/8$ (el $2$), $1/8$ (el $4$), $1/4$ (el $6$), $1/8$ (el $8$) y $1/8$ (el $10$).

Quizá la duda que surge ahora es si alguna de las congruencias

$$p_{n}p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2} \equiv \ell \pmod{12},$$

donde $\ell$ es alguno de los elementos de $\{1, 5, 7, 11\}$, se deja de cumplir eventualmente. Asumiendo la validez de la conjetura de los números primos en $k$-tuplas, mostraremos a continuación que ello no ocurre.

- Por la conjetura de los números primos en $k$-tuplas, hay una infinidad de números de números naturales $N$ tales que

$$420 N + 73, \qquad 420N+79, \qquad 420N+83 \qquad \mbox{y} \qquad 420N+89$$

son números primos (consecutivos); los números primos en una cuarteta de este tipo satisfacen

$$(420N+73)(420N+89)-(420N+79)(420N+83) \equiv 0 \pmod{12}.$$

- Del mismo modo, de la mencionada conjetura sobre números primos en $k$-tuplas se desprende que hay una infinidad de números naturales $N$ tales que

$$84N+25, \qquad 84N+29, \qquad 84N+31 \qquad \mbox{y} \qquad 84N+37$$

son números primos consecutivos; los números primos en una cuarteta de este tipo son tales que

$$(84N+25)(84N+37) - (84N+29)(84N+31) \equiv 2 \pmod{12}.$$

- Nuevamente, por la conjetura de los números primos en $k$-tuplas podemos garantizar la existencia de una infinidad de números naturales $N$ tales que

$$60060N+ 57481, \quad 60060N+ 57487, \quad 60060N+ 57493 \quad \mbox{y} \quad 60060N+ 57503$$

son números primos (consecutivos); los números primos en esta cuartetas son tales que

$$(60060N+ 57481)(60060N+ 57503)-(60060N+ 57487)(60060N+ 57493) \equiv 4 \pod{12}.$$

- Una vez más, de la conjetura de los números primos en $k$-tuplas se desprende la existencia de una infinidad de números naturales $N$ tales que

$$660N+505, \qquad 660N+509, \qquad 660N+511, \qquad \mbox{y} \qquad 660N+521$$

son números primos (consecutivos); además, se observa que los números primos en una cuarteta de esta índole satisfacen

$$(660N+505)(660N+521)-(660N+509)(660N+511) \equiv 6 \pmod{12}.$$

- De la misma forma, la conjetura de los números primos en $k$-tuplas nos permite colegir que, para una infinidad de números naturales $N$, se cumple que

$$12012N+10735, \quad 12012N+10739, \quad 12012N+10741 \quad \mbox{y} \quad 12012N+10753$$

son números primos (consecutivos); además, no resulta difícil convencerse de que en toda cuarteta de números primos de este tipo se tiene

$$(12012N+10735)(12012N+10753)-(12012N+10739)(12012N+10741) \equiv 8 \pod{12}.$$

- Por último, la validez de la conjetura también implica(ría) la existencia de una infinidad de números naturales $N$ tales que

$$924N+661, \qquad 924N+667, \qquad 924N+673 \qquad \mbox{y} \qquad 924N+677$$

son números primos (consecutivos); además, se observa que los números primos en una cuarteta de esta índole satisfacen

$$(924N+661)(924N+677)-(924N+667)(924N+673) \equiv 10 \pmod{12}.$$

por (39,8m puntos)
editado por
yo también llegué a esas frecuencias esperadas.  Como el conjunto de unidades módulo 12 forma un grupo, los valores $pq$ deben estar uniformemente distribuidos (dónde $p$ y $q$ son unidades módulo 12). Entonces sólo tienes que hacer la tabla a $a-b$ donde $a$ y $b$ son unidades. Como la ecuación $a-x=0$ siempre tiene solución única, cada fila de la tabla tiene exactamente un 0, por lo que la frecuencia del 0 es uno entre el número de unidades. El 6 y las otras frecuencias no sé cómo las sacaría sin hacer la tabla completa.

Pero bueno. De cualquier modo, parece que para valores de $p_n p_{n+3}-p_{n+1}p_{n+2}$ "poco negativos" (i.e. entre 0 y -120) la frecuencia del 0 como residuo  módulo 12 es mucho más grande que 1/4, y además estos parecen ser los valores que tienden a repetirse.
Por si acaso, ya tengo los resultados de las evaluaciones de $d_{n} \pmod{12}$ para cada $n \in (1, 10^{6}]$. Obtuve: 263401 (para $d_{n} \equiv 0 \pmod{12}$), 134909, 107621, 249075, 139699, 105294...

En fin... Creo que, al final de cuentas, el fenómeno al que te referías era más bien al de los valores "poco negativos" que asume $d_{n}$.

Saludos.
+1 voto

Suponiendo la versión de la conjetura de las k-tuplas de acá, se puede ver no sólo que hay una infinidad de múltiplos de $12$, sino que el $-12$ aparece una infinidad de veces. La tupla $(0,2,6,8)$ es admisible, de modo que hay una infinidad de enteros $n$ tales que $n,n+2,n+6,n+8$ son primos. Como $n$ es primo y $n+2$ también, se puede mostrar que $n=6k+5$ y que por lo tanto $n,n+2,n+6,n+8$ son primos consecutivos. En este caso, la cuenta da $n(n+8)-(n+2)(n+6)=-12$.

por (4m puntos)
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