Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Jornada na História da Matemática Problemas, problemas, problemas... Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Apesar de os números primos serem estudados há milhares de anos, existem mais problemas em aberto sobre eles hoje do que antigamente. Problemas, problemas, problemas... Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Apesar de os números primos serem estudados há milhares de anos, existem mais problemas em aberto sobre eles hoje do que antigamente. Normalmente os problemas que envolvem números primos e teoria de números em geral são de fácil enunciado e difı́cil demonstração. Problemas, problemas, problemas... Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Apesar de os números primos serem estudados há milhares de anos, existem mais problemas em aberto sobre eles hoje do que antigamente. Normalmente os problemas que envolvem números primos e teoria de números em geral são de fácil enunciado e difı́cil demonstração. Todos os números nesta palestra serão elementos do conjunto dos números inteiros. Números compostos e primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Números compostos A maioria dos inteiros positivos podem ser expressos como um produtos de inteiros menores. Tais produtos são chamados números compostos. Ex: 4 = 2 × 2 , 6 = 2 × 3 , 8 = 2 × 4 , 9 = 3 × 3 , 10 = 2 × 5 Números compostos e primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números compostos A maioria dos inteiros positivos podem ser expressos como um produtos de inteiros menores. Tais produtos são chamados números compostos. Ex: 4 = 2 × 2 , 6 = 2 × 3 , 8 = 2 × 4 , 9 = 3 × 3 , 10 = 2 × 5 Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Números primos Os restantes maiores que 1 são chamados números primos: Ex: 2 , 3 , 5 , 7 , 11 , 13 , 17 , 19 , 23 , 29 , 31 , 37 , 41 , · · · Problemas, problemas, problemas... Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Definição Um número primo é um número natural maior que 1 cujos únicos divisores são 1 e ele próprio. Problemas, problemas, problemas... Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Definição Um número primo é um número natural maior que 1 cujos únicos divisores são 1 e ele próprio. Se 1 fosse primo, invalidaria o Infinitude dos primos Teorema fundamental da aritmética Números curiosos Todo número composto tem uma única decomposição em fatores primos, a menos da ordem dos fatores. Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Problemas, problemas, problemas... Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Definição Um número primo é um número natural maior que 1 cujos únicos divisores são 1 e ele próprio. Se 1 fosse primo, invalidaria o Infinitude dos primos Teorema fundamental da aritmética Números curiosos Todo número composto tem uma única decomposição em fatores primos, a menos da ordem dos fatores. Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Mas antes: Primeiro teorema de Euclides Se p é primo e p | ab, então p | a ou p | b. Teorema fundamental da aritmética Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto “Todo número composto tem uma única decomposição em fatores primos, a menos da ordem dos fatores.” Teorema fundamental da aritmética Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto “Todo número composto tem uma única decomposição em fatores primos, a menos da ordem dos fatores.” Demonstração: Suponha que n = p1 p2 · · · pk = q1 q2 · · · qj Teorema fundamental da aritmética Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto “Todo número composto tem uma única decomposição em fatores primos, a menos da ordem dos fatores.” Demonstração: Suponha que n = p1 p2 · · · pk = q1 q2 · · · qj então p1 | q1 · · · qj . Pelo primeiro teorema de Euclides, p1 | q1 ou p1 | q2 , ou · · · p1 | qj . Teorema fundamental da aritmética Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto “Todo número composto tem uma única decomposição em fatores primos, a menos da ordem dos fatores.” Demonstração: Suponha que n = p1 p2 · · · pk = q1 q2 · · · qj então p1 | q1 · · · qj . Pelo primeiro teorema de Euclides, p1 | q1 ou p1 | q2 , ou · · · p1 | qj . Suponha, s.p.g., que p1 | q1 . Como q1 é primo, só é possı́vel: 1 | q1 q1 | q1 Teorema fundamental da aritmética Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Então p1 = q1 Teorema fundamental da aritmética Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Então p1 = q1 Analogamente, cada termo q1 , q2 , · · · , qj é igual a um dos termos p1 , p2 , · · · , pk . Teorema fundamental da aritmética Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Então p1 = q1 Infinitude dos primos Analogamente, cada termo q1 , q2 , · · · , qj é igual a um dos termos p1 , p2 , · · · , pk . Números curiosos Ou seja, p1 p2 · · · pk = q1 q2 · · · qj . Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Descobrindo primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Existem várias maneiras de encontrar números primos. Um dos métodos mais antigos para encontrá-los foi dado por Eratóstenes (276-194 A.C.), antigo bibliotecário da grandiosa biblioteca de Alexandria. Eratóstenes Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Eratóstenes também ficou conhecido por medir o raio da Terra usando um mastro e sua sombra em pontos diferentes da Terra. Eratóstenes Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Eratóstenes também ficou conhecido por medir o raio da Terra usando um mastro e sua sombra em pontos diferentes da Terra. O método de Eratóstenes para achar primos chama-se Crivo de Eratóstenes. Eratóstenes Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Eratóstenes também ficou conhecido por medir o raio da Terra usando um mastro e sua sombra em pontos diferentes da Terra. O método de Eratóstenes para achar primos chama-se Crivo de Eratóstenes. O Crivo de Eratóstenes consiste em organizar os números em ordem crescente uma tabela e remover os múltiplos de cada primo que encontrar. Os primos são dados pelos números que não forem removidos. O Crivo de Eratóstenes Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto O Crivo de Eratóstenes Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Através do Crivo de Eratóstenes, foi publicado um trabalho por Derrick Norman Lehmer em 1914. Tal trabalho consiste em uma tabela com os números primos até dez milhões chamado “Factor Table for the First Ten Million”. Lehmer considerou o número 1 como sendo primo. O Crivo de Eratóstenes Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Através do Crivo de Eratóstenes, foi publicado um trabalho por Derrick Norman Lehmer em 1914. Tal trabalho consiste em uma tabela com os números primos até dez milhões chamado “Factor Table for the First Ten Million”. Lehmer considerou o número 1 como sendo primo. Um matemático austrı́aco chamado J. P. Kulik (1773-1863) dedicou 20 anos de sua vida preparando uma tabela a mão com 100 milhões de números. Todavia tal trabalho nunca foi publicado, e o volume da obra que continha os números de 12.642.600 até 22.852.800 não foi encontrado. n é primo? Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Uma conseqüência dos trabalhos sobre o crivo de Eratóstenes leva ao resultado sobre identificar a primaridade de um número qualquer com mais facilidade. n é primo? Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Uma conseqüência dos trabalhos sobre o crivo de Eratóstenes leva ao resultado sobre identificar a primaridade de um número qualquer com mais facilidade. Note que todos os múltiplos de primos no crivo estão eliminados na verificação do próximo primo. Significa que um número n não terá mais chances de ser composto se √ não houver divisores dele menores que n n é primo? Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Uma conseqüência dos trabalhos sobre o crivo de Eratóstenes leva ao resultado sobre identificar a primaridade de um número qualquer com mais facilidade. Note que todos os múltiplos de primos no crivo estão eliminados na verificação do próximo primo. Significa que um número n não terá mais chances de ser composto se √ não houver divisores dele menores que n Exemplo: √ b 41c = 6. 2 - 41, 3 - 41, 5 - 41. Então 41 é primo Há uma infinidade? Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Há diversas maneiras de demonstrar que o conjunto dos primos é infinito. Provavelmente a mais antiga é atribuı́da a Euclides (Elementos IX) e apresentada como: Há uma infinidade? Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Há diversas maneiras de demonstrar que o conjunto dos primos é infinito. Provavelmente a mais antiga é atribuı́da a Euclides (Elementos IX) e apresentada como: Segundo teorema de Euclides Há uma infinidade de números primos. Há uma infinidade? Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Há diversas maneiras de demonstrar que o conjunto dos primos é infinito. Provavelmente a mais antiga é atribuı́da a Euclides (Elementos IX) e apresentada como: Segundo teorema de Euclides Há uma infinidade de números primos. A demonstração que se segue é também uma das mais antigas a usar o método de redução ao absurdo. Há uma infinidade? Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Há diversas maneiras de demonstrar que o conjunto dos primos é infinito. Provavelmente a mais antiga é atribuı́da a Euclides (Elementos IX) e apresentada como: Segundo teorema de Euclides Há uma infinidade de números primos. A demonstração que se segue é também uma das mais antigas a usar o método de redução ao absurdo. Demonstração: Suponha que o conjunto dos primos seja finito: P = {2, 3, 5, · · · , p} Segundo teorema de Euclides Números primos Gustavo Felisberto Valente P = {2, 3, 5, · · · , p} Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Seja o número: q = 2 · 3 · 5···p + 1 Segundo teorema de Euclides Números primos Gustavo Felisberto Valente P = {2, 3, 5, · · · , p} Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Seja o número: q = 2 · 3 · 5···p + 1 Então q não é divisı́vel por nenhum dos primos 2, 3, 5, · · · , p. Ele é, portanto, primo; ou divisı́vel por um primo entre p e q. Em ambos os casos há um primo maior que p, o que prova o teorema. Números de Fermat Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Em 1640, Pierre de Fermat (1601-1665) conjecturou que os números da seguinte forma são primos n Fn = 22 + 1 n Números de Fermat: Fn = 22 + 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto De fato, Fermat sabia que para n = 0, 1, 2, 3 e 4 são todos primos. F0 = 3, F1 = 5, F2 = 17, F3 = 257, F4 = 65537 n Números de Fermat: Fn = 22 + 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto De fato, Fermat sabia que para n = 0, 1, 2, 3 e 4 são todos primos. F0 = 3, F1 = 5, F2 = 17, F3 = 257, F4 = 65537 Mas, em 1732 Euler descobriu que o próximo número de Fermat é composto: F5 = 232 + 1 = 4294967297 = 641 × 6700417 Em 1880, F. Landry, com 82 anos, mostrou que F6 = 264 + 1 = 274177 × 67280421310721 n Números de Fermat: Fn = 22 + 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Em 1975, Brillhart e Morrison descobriram que F7 =2128 + 1 = 59649589127497217 × ×5704689200685129054721 Em 1981 Richard Brent e John Pollard fatoraram F8 . n Números de Fermat: Fn = 22 + 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Em 1975, Brillhart e Morrison descobriram que F7 =2128 + 1 = 59649589127497217 × ×5704689200685129054721 Em 1981 Richard Brent e John Pollard fatoraram F8 . Os 12 primeiros números de Fermat foram fatorados. n Números de Fermat: Fn = 22 + 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Em 1975, Brillhart e Morrison descobriram que F7 =2128 + 1 = 59649589127497217 × ×5704689200685129054721 Em 1981 Richard Brent e John Pollard fatoraram F8 . Os 12 primeiros números de Fermat foram fatorados. Mesmo antes dessas fatorações serem feitas, já se sabia que os seguintes números são compostos: F9 , F10 , F11 , · · · , F23 Números de Mersenne Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Antes da popularização dos jornais e revistas cientı́ficos, muitas pessoas só podiam comunicar os matemáticos suas descobertas através de cartas enviadas diretamente a eles. Grande parte dos trabalhos de Fermat ficaram conhecidas através das cartas do Padre Marin Mersenne (1588-1648). Números de Mersenne Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Em uma carta enviada ao matemático Frénicle de Bessy, Padre Mersenne anunciou a possibilidade de números primos na forma Mp = 2p − 1 e fez a surpreendende asserção de que aquele número é primo para p = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 67, 127, 257 e para nenhum outro p menor que 257. Números de Mersenne Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Em uma carta enviada ao matemático Frénicle de Bessy, Padre Mersenne anunciou a possibilidade de números primos na forma Mp = 2p − 1 e fez a surpreendende asserção de que aquele número é primo para p = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 67, 127, 257 e para nenhum outro p menor que 257. Todavia M67 e M257 não são primos e M61 , M89 e M107 o são. Números de Mersenne: Mp = 2p − 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto A afirmação de Mersenne foi dada como “aceitável” pois os números são tão grandes que pelos 200 anos seguintes ninguém foi capaz de confirmá-la ou negá-la. Números de Mersenne: Mp = 2p − 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto A afirmação de Mersenne foi dada como “aceitável” pois os números são tão grandes que pelos 200 anos seguintes ninguém foi capaz de confirmá-la ou negá-la. Em 1876, Édouard Lucas provou que 2127 − 1 era de fato primo, e este permaneceu por mais de 70 anos o maior primo conhecido. O número tem 39 dı́gitos. Números de Mersenne: Mp = 2p − 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto A afirmação de Mersenne foi dada como “aceitável” pois os números são tão grandes que pelos 200 anos seguintes ninguém foi capaz de confirmá-la ou negá-la. Em 1876, Édouard Lucas provou que 2127 − 1 era de fato primo, e este permaneceu por mais de 70 anos o maior primo conhecido. O número tem 39 dı́gitos. Em 1951, Miller e Wheeler quebraram um novo recorde anunciando o primo 180(2127 − 1)2 + 1. Números de Mersenne: Mp = 2p − 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto A afirmação de Mersenne foi dada como “aceitável” pois os números são tão grandes que pelos 200 anos seguintes ninguém foi capaz de confirmá-la ou negá-la. Em 1876, Édouard Lucas provou que 2127 − 1 era de fato primo, e este permaneceu por mais de 70 anos o maior primo conhecido. O número tem 39 dı́gitos. Em 1951, Miller e Wheeler quebraram um novo recorde anunciando o primo 180(2127 − 1)2 + 1. Por volta de 1989-1992, J.Brown entre outros provaram que 391581 × 2216193 − 1 também é primo. Números de Mersenne: Mp = 2p − 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto O maior número primo de hoje é também o 44o primo de Mersenne: 232.582.657 − 1 O número tem 9.808.358 algarismos, 650.000 dı́gitos a mais que o recorde descoberto anteriormente. O número foi descoberto em 4 de setembro de 2006 pela CMSU Department of Communication lab. Números de Mersenne: Mp = 2p − 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto O maior número primo de hoje é também o 44o primo de Mersenne: 232.582.657 − 1 O número tem 9.808.358 algarismos, 650.000 dı́gitos a mais que o recorde descoberto anteriormente. O número foi descoberto em 4 de setembro de 2006 pela CMSU Department of Communication lab. Os recordes de números primos foram obtidos através do programa GIMPS (Great Internet Mersenne Prime Search). Números de Mersenne: Mp = 2p − 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Existe um prêmio para quem encontrar um número primo com pelo menos 10 milhões de dı́gitos. O prêmio é fornecido pela Electronic Frontier Foundation e é de 100.000 dólares. Números de Mersenne: Mp = 2p − 1 Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Existe um prêmio para quem encontrar um número primo com pelo menos 10 milhões de dı́gitos. O prêmio é fornecido pela Electronic Frontier Foundation e é de 100.000 dólares. Posição Número primo Dı́gitos Ano 1 232.582.657 − 1 9.808.358 2006 2 230.402.457 − 1 9.152.052 2005 3 225.964.951 − 1 7.816.230 2005 4 224.036.583 − 1 7.235.733 2004 5 220.996.011 − 1 6.320.430 2003 Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Os antigos eram particularmente intrigados com os números 6=1+2+3 28 = 1 + 2 + 4 + 7 + 14 que mostravam que ambos 6 e 28 são a soma de todos os seus divisores exceto o próprio número. Estes são os números perfeitos. Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Os antigos eram particularmente intrigados com os números 6=1+2+3 28 = 1 + 2 + 4 + 7 + 14 que mostravam que ambos 6 e 28 são a soma de todos os seus divisores exceto o próprio número. Estes são os números perfeitos. Diziam que Deus fez o mundo em 6 dias porque 6 é um número perfeito. Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Dois mil anos antes de Mersenne, Euclides (Livro IX, Prop. 36) descobriu uma conexão interessante entre os números perfeitos e os de Mersenne: Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Dois mil anos antes de Mersenne, Euclides (Livro IX, Prop. 36) descobriu uma conexão interessante entre os números perfeitos e os de Mersenne: Se M é um primo de Mersenne, então o M-ésimo número triangular 1 4M = M(M + 1) 2 é um número perfeito Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Por exemplo, 31 é um primo de Mersenne, e o 31o número triangular é: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto 1 431 = 31(31 + 1) = 496 2 Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Por exemplo, 31 é um primo de Mersenne, e o 31o número triangular é: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto 1 431 = 31(31 + 1) = 496 2 cujos divisores são: 1 , 2 , 4 , 8 , 16, que somam 31. 31 , 2 × 31 , 4 × 31 , 8 × 31, cuja soma é 15 × 31. Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Por exemplo, 31 é um primo de Mersenne, e o 31o número triangular é: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto 1 431 = 31(31 + 1) = 496 2 cujos divisores são: 1 , 2 , 4 , 8 , 16, que somam 31. 31 , 2 × 31 , 4 × 31 , 8 × 31, cuja soma é 15 × 31. A soma dos divisores é: 16 × 31 = 496. Então é um número perfeito. Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Por exemplo, 31 é um primo de Mersenne, e o 31o número triangular é: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto 1 431 = 31(31 + 1) = 496 2 cujos divisores são: 1 , 2 , 4 , 8 , 16, que somam 31. 31 , 2 × 31 , 4 × 31 , 8 × 31, cuja soma é 15 × 31. A soma dos divisores é: 16 × 31 = 496. Então é um número perfeito. O mesmo acontece com cada primo de Mersenne Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Existem outros tipos de números perfeitos? Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Existem outros tipos de números perfeitos? O grande matemático suı́ço Leonhard Euler (1707-1783) mostrou que todos os números perfeitos pares são da forma de Euclides. Números perfeitos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Existem outros tipos de números perfeitos? O grande matemático suı́ço Leonhard Euler (1707-1783) mostrou que todos os números perfeitos pares são da forma de Euclides. Tudo o que se sabe sobre os ı́mpares é que eles devem ter pelo menos 300 dı́gitos. Soma de dois Quadrados Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Existem números primos que podem ser escrito como soma de 2 ou 4 quadrados, por exemplo: 5 = 12 +22 , 13 = 22 +32 , 17 = 12 +42 , 29 = 22 +52 . Soma de dois Quadrados Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Existem números primos que podem ser escrito como soma de 2 ou 4 quadrados, por exemplo: 5 = 12 +22 , 13 = 22 +32 , 17 = 12 +42 , 29 = 22 +52 . Fermat conjeturou que todo primo p ≡ 1 (mod 4) pode ser escrito unicamente como soma de dois quadrados. Anos mais tarde, Euler provou este teorema. Soma de quatro Quadrados Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Lagrange provou que todos os números inteiros podem ser representados como soma de quatro quadrados: 3 = 12 + 12 + 12 + 02 31 = 52 + 22 + 12 + 12 310 = 172 + 42 + 22 + 12 . Soma de quatro Quadrados Números primos Gustavo Felisberto Valente Identidade de Euler: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto (x12 + x22 + x32 + x42 )(y12 + y22 + y32 + y42 ) = (x1 y1 + x2 y2 + x3 y3 + x4 y4 )2 + +(x1 y2 − x2 y1 + x3 y4 − x4 y3 )2 + +(x1 y3 − x3 y1 + x4 y2 − x2 y4 )2 + +(x1 y4 − x4 y1 + x2 y3 − x3 y2 )2 . Soma de quatro Quadrados Números primos Gustavo Felisberto Valente Identidade de Euler: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes (x12 + x22 + x32 + x42 )(y12 + y22 + y32 + y42 ) = (x1 y1 + x2 y2 + x3 y3 + x4 y4 )2 + +(x1 y2 − x2 y1 + x3 y4 − x4 y3 )2 + +(x1 y3 − x3 y1 + x4 y2 − x2 y4 )2 + +(x1 y4 − x4 y1 + x2 y3 − x3 y2 )2 . Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Basta provar para os números primos! Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Dada a seguinte progressão aritmética: PA(a, a + r , a + 2r , · · · ) Se mdc(a, r ) = 1, então esta PA tem uma infinidade de números primos. Em outras palavras: Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Dada a seguinte progressão aritmética: PA(a, a + r , a + 2r , · · · ) Se mdc(a, r ) = 1, então esta PA tem uma infinidade de números primos. Em outras palavras: Há uma infinidade de primos na forma an + b se mdc(a, b) = 1 “A prova deste teorema é muito difı́cil para inserção neste livro.” ( An Introduction to the Theory of Numbers. G. H. Hardy e E. M. Wright) Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Segue a demonstração de um caso particular. Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Segue a demonstração de um caso particular. Há uma infinidade de primos na forma 4n + 3 Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Segue a demonstração de um caso particular. Há uma infinidade de primos na forma 4n + 3 Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Demonstração: Seja P4n+3 = {3, 7, 11, · · · , pk } o conjunto de todos os primos da forma 4n + 3. Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Segue a demonstração de um caso particular. Há uma infinidade de primos na forma 4n + 3 Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Demonstração: Seja P4n+3 = {3, 7, 11, · · · , pk } o conjunto de todos os primos da forma 4n + 3. Considere o número: q = 2 · 2 · (3 · 7 · · · pk ) + 3 Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto q = 2 · 2 · (3 · 7 · · · pk ) + 3 Então q é da forma 4n + 3, e não é divisı́vel por nenhum dos primos do conjunto P4n+3 . E mais, não existem primos na forma 4n e 4n + 2, então... Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos q = 2 · 2 · (3 · 7 · · · pk ) + 3 Então q é da forma 4n + 3, e não é divisı́vel por nenhum dos primos do conjunto P4n+3 . E mais, não existem primos na forma 4n e 4n + 2, então... Não pode ser um produto de primos só na forma 4n + 1, pois Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto (4k1 + 1)(4k2 + 1) = = 4(k1 k2 ) + 4 + 4k2 + 1 = 4(k) + 5 = = 4k + (4 + 1) = 4x + 1 Teorema de Dirichlet Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos q = 2 · 2 · (3 · 7 · · · pk ) + 3 Então q é da forma 4n + 3, e não é divisı́vel por nenhum dos primos do conjunto P4n+3 . E mais, não existem primos na forma 4n e 4n + 2, então... Não pode ser um produto de primos só na forma 4n + 1, pois Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto (4k1 + 1)(4k2 + 1) = = 4(k1 k2 ) + 4 + 4k2 + 1 = 4(k) + 5 = = 4k + (4 + 1) = 4x + 1 Portanto q é divisı́vel por um primo 4n + 3, maior do que p. Distribuição dos primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto A função π é a função que conta os números primos até um certo número. Distribuição dos primos Números primos Gustavo Felisberto Valente A função π é a função que conta os números primos até um certo número. Exemplo: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto π(1) = 0, π(2) = 1, π(17) = 7, π(20) = 8, π(29) = 10 Distribuição dos primos Números primos Gustavo Felisberto Valente A função π é a função que conta os números primos até um certo número. Exemplo: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto π(1) = 0, π(2) = 1, π(17) = 7, π(20) = 8, π(29) = 10 A medida que os números aumentam, o “deserto de primos” aumenta cada vez mais. Distribuição dos primos Números primos Gustavo Felisberto Valente A função π é a função que conta os números primos até um certo número. Exemplo: Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto π(1) = 0, π(2) = 1, π(17) = 7, π(20) = 8, π(29) = 10 A medida que os números aumentam, o “deserto de primos” aumenta cada vez mais. Teorema dos números primos A quantidade de números primos até x é assintótico à isto é, x π(x) ∼ log x x log x , Distribuição dos primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto π(x) para x = 103 , 106 , 109 : π(103 ) = 168, π(106 ) = 78.498, π(109 ) = 50.847.478 Distribuição dos primos Números primos Gustavo Felisberto Valente π(x) para x = 103 , 106 , 109 : π(103 ) = 168, π(106 ) = 78.498, π(109 ) = 50.847.478 Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Valores de x log x : 103 106 109 = 145, = 72.382, = 48.254.942 log 103 log 106 log 109 Distribuição dos primos Números primos Gustavo Felisberto Valente π(x) para x = 103 , 106 , 109 : π(103 ) = 168, π(106 ) = 78.498, π(109 ) = 50.847.478 Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Valores de 103 106 109 = 145, = 72.382, = 48.254.942 log 103 log 106 log 109 Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto x log x : Razão π(x) x log x 168 78.498 50.847.478 = 1, 159; = 1, 084; = 1, 053 145 72.382 48.254.942 Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto A grande questão que aborda os números primos é: Existem funções que geram os números primos? Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente A grande questão que aborda os números primos é: Existem funções que geram os números primos? Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto 1. Encontrar uma função f tal que: ∀n f (n) = pn onde pn é o n-ésimo número primo. Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente A grande questão que aborda os números primos é: Existem funções que geram os números primos? Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto 1. Encontrar uma função f tal que: ∀n f (n) = pn onde pn é o n-ésimo número primo. 2. Encontrar uma função f tal que: ∀n f (n) é primo e se n 6= m então f (n) 6= f (m). Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente A grande questão que aborda os números primos é: Existem funções que geram os números primos? Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto 1. Encontrar uma função f tal que: ∀n f (n) = pn onde pn é o n-ésimo número primo. 2. Encontrar uma função f tal que: ∀n f (n) é primo e se n 6= m então f (n) 6= f (m). 3. Descrever o conjunto dos números primos por meio de polinômios. Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Polinômio de Euler p(x) = x 2 + x + 41 Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Polinômio de Euler p(x) = x 2 + x + 41 Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Este polinômio é tal que para x = 0 , 1 , 2 , 3 , · · · , 39, p(x) é primo, mas para n = 40: p(40) = 40(40 + 1) + 1 = 41 × 41 Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Polinômio de Euler p(x) = x 2 + x + 41 Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Este polinômio é tal que para x = 0 , 1 , 2 , 3 , · · · , 39, p(x) é primo, mas para n = 40: p(40) = 40(40 + 1) + 1 = 41 × 41 Teorema de Wilson (n − 1)! ≡ −1 (mod n) se e somente se n é primo. Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Fórmula de Willans (1964) Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto n pn = 1 + 2 r X n m=1 n 1 + π(m) Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Fórmula de Willans (1964) Introdução n Teorema fundamental da aritmética pn = 1 + n m=1 Infinitude dos primos Números curiosos 2 r X Fórmula para primos Problemas em aberto Exemplo: Teoremas interessantes Deserto de primos n 1 + π(m) 10 p10 = 1 + 2 X m=1 $s 10 10 1 + π(m) % Fórmula para primos Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto p10 = 1 + 1024 X m=1 $s n 10 1 + π(m) % = 29 “A fórmula é inútil mas é bonita! Observe como ela é engraçada: Se desejarmos saber qual é o décimo primo, devemos contar quantos primos existem até 1024 (!!). Certamente existem muito mais que até 29 (!).” ( Paulo Ribenboim) Problemas em aberto Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Primos gêmeos. Números primos da forma (p, p + 2). Problemas em aberto Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Primos gêmeos. Números primos da forma (p, p + 2). Exemplo: 3 e 5, 101 e 103, 10.016.957 e 10.016.959 Problemas em aberto Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Primos gêmeos. Números primos da forma (p, p + 2). Exemplo: 3 e 5, 101 e 103, 10.016.957 e 10.016.959 Primos trigêmeos. Números primos da forma (p, p + 2, p + 6) e (p, p + 4, p + 6). Problemas em aberto Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Primos gêmeos. Números primos da forma (p, p + 2). Exemplo: 3 e 5, 101 e 103, 10.016.957 e 10.016.959 Primos trigêmeos. Números primos da forma (p, p + 2, p + 6) e (p, p + 4, p + 6). Exemplo: 10.014.491, 10.014.493 e 10.014.497 Problemas em aberto Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Primos gêmeos. Números primos da forma (p, p + 2). Exemplo: 3 e 5, 101 e 103, 10.016.957 e 10.016.959 Primos trigêmeos. Números primos da forma (p, p + 2, p + 6) e (p, p + 4, p + 6). Exemplo: 10.014.491, 10.014.493 e 10.014.497 Conjetura de Goldbach (1742) Todo número par ≥ 6 pode ser representado como a soma de dois primos e todo número ı́mpar ≥ 9, como uma soma de três primos ı́mpares. . Paulo Ribenboim Números primos Gustavo Felisberto Valente Introdução Teorema fundamental da aritmética Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto Fotografia: Soyara Carolina Biazotto Números primos Gustavo Felisberto Valente HARDY, G. H.; WRIGHT, E. M.; An Introduction to the Theory of Numbers. 1945. Introdução CONWAY, J. H.; GUY, R. K.; The Book of Numbers. 1996. Teorema fundamental da aritmética SANTOS, J. P. de O.; Introdução à Teoria dos Números. 2000. Infinitude dos primos Números curiosos Teoremas interessantes Deserto de primos Fórmula para primos Problemas em aberto GUNDLACH, B. H.; História dos Números e Numerais. 2001. RIBENBOIM, P.; Existem funções que geram os números primos?. Revista Matemática Universitária, Dezembro de 1993. BATISTA, E.; Notas dos seminários em Teoria de números. 2008