I PROBLEMI DI LANDAU Congettura e infinità dei Numeri di Landau di forma n2 +1 (dimostrazione ed estensione a forme numeriche simili) Gruppo “B. Riemann”* Francesco Di Noto, Michele Nardelli *Gruppo amatoriale per la ricerca matematica sui numeri primi, sulle loro congetture e sulle loro connessioni con le teorie di stringa. Abstract In this paper we proof the of Landau’s conjecture and infinity of Landau’s prime numbers ; possible extensions at forms n2 + 2 with n odd n2 - 2 with n odd Riassunto In questo lavoro dimostreremo la congettura di Landau sui numeri 1 primi di forma n2 +1 e di conseguenza la loro infinità; possibili estensioni a forme numeriche simili : n2 + 2 con n dispari n2 - 2 con n dispari I problemi di Landau sono inclusi nella lista dei problemi matematici ancora irrisolti, e così riportati dall’omonima voce di Wikipedia: “ Problemi di Landau Da Wikipedia, l'enciclopedia libera. “I problemi di Landau sono quattro problemi di base riguardanti i numeri primi che furono elencati nel 1912 all'International Congress of Mathematicians a Cambridge da Edmund Landau. Egli affermò che questi problemi fossero "inattaccabili allo stato attuale della scienza". I problemi sono: 1. La congettura di Goldbach: può ogni numero pari maggiore di 2 essere scritto come somma di due numeri primi? 2. La congettura dei numeri primi gemelli: esistono infiniti numeri primi tali che anche sia un numero primo? 3. La congettura di Legendre: esiste sempre un numero primo compreso tra due quadrati perfetti consecutivi? 4. Esistono infiniti numeri primi della forma ? Fino ad oggi, questi quattro problemi sono ancora irrisolti. “ … Circa i primi tre problemi, li abbiamo già risolti, parzialmente o totalmente, e i relativi lavori sono stati già pubblicati sul nostro sito, vedi Rif. finali. In questo lavoro dimostreremo il quarto, la congettura di Landau, e 2 quindi l’infinità dei numeri primi di forma Costruendo infatti una tabella apposita, vediamo che il loro numero a(L) fino a 10n cresce in modo direttamente proporzionale all’esponente n, con una stima attendibile di a(L) di n2: Tabella dei numeri di landau fino a N =10n TABELLA 1 n 10^n Numeri di Landau fino a 10^n Stima logaritmica a*n e (ln 10^n) log(10^n) 1 10 a(L) 2 2 100 4 3 1 000 10 3n + 1 6,90 < 10 10 ≈ 1,44 3 4 10 000 19 4n + 3 ? … 9,21< 19 19 ≈ 2 ln(10^4) 4 5n + ? … 5 … 100 000 … 3 2n 2,30 > 2 1 2n 4,60 > 4 2 Osservazioni: Gli a(L), i numeri di Landau fino a 10n, sono sempre maggiori del ln (10n), salvo che nei primi due valori, il che significa che vanno più veloci del logaritmo di n(10n) e quindi sono infiniti. Per log (10n), il numero dei numeri di Landau a(L) supera fin dal primo valore il log (10n), e prosegue con la stima approssimativa a(L) ≈ log (10n)2, con valori reali leggermente in eccesso a tale stima molto attendibile, infatti: Log(10^n) Log(10^n)^2 ≈ <a(L) 1 1^2 = 1 2 2^2 = 4 3 3^2 = 9 < 10 4 4^2 = 16 < 19 … a(L) = a(10^n) 2 4 10 19 … Questo ci permette di stimare approssimativamente, per leggero eccesso, a(L) con qualsiasi esponente n di 10n: a(10n) ≈ n2, con a(n) > n2 già a partire da n = 3 (per n = 1 ed n = 2 si ha la parità) Per esempio, per 1020 avremo un valore di a(L) un po’ superiore al quadrato di 20: a(1020) ≈ 202 = 400, approssimato per difetto. Poiché n2 cresce con n, i valori di n sono infiniti e così anche i loro 4 quadrati, anche i numeri primi di Landau sono infiniti, ed anche i numeri di Landau sono infiniti, ed anche un po’ maggiori di n2. Infine i numeri di landau si possono generalizzare, poiché affinché un numero di forma n2 +1 sia dispari e quindi potenzialmente anche primo, n deve essere necessariamente pari: 2^2+1 = 5 primo 4^2 +1 = 17 primo 6^2 +1 = 37 primo 8^2 +1 = 65 non primo 10^2+1=101 primo … Per i numeri n dispari avremmo invece : 3^2+1 = 10 pari 5^2+1 = 26 pari 7^2+1 = 50 pari 9^2+1 = 82 pari 11^2+1 = 122 pari … Per generalizzare i numeri di Landau, estendendoli ai numeri dispari, dobbiamo considerare invece la forma n2 + 2 con n dispari: 1^2 + 3^2 + 5^2 + 7^2 + 9^2 + 11^2 + 2 2 2 2 2 2 = 3 primo = 11 primo = 27 non primo = 51 non primo = 83 primo =123 non primo 5 13^2 + 2 = 171 non primo 15^2 + 2 = 227 primo … Ma anche a n2 - 2 poiché 1^2 3^2 5^2 7^2 9^2 11^2 13^2 15^2 17^2 19^2 21^2 … - 2 = 1 2= 7 primo 2 = 23 primo 2 = 47 primo 2= 79 primo -2 =119 non primo = 7*17 - 2 = 167 primo - 2 = 223 primo - 2 = 287 non primo = 7*41 -2 = 359 primo -2 = 439 primo … La congettura si potrebbe estendere anche ad n pari, ma con - 1 invece di +1, osserveremo che non si ottiene nessun numero primo, tranne il 3 iniziale: nuovi presunti numeri di Landau = n2 -1 Esempi 2^2 4^2 6^2 8^2 10^2 12^2 14^2 16^2 18^2 - 1 = 1 = 1 = 1 = 1 = 1 = 1 = 1 = 1 = 3 primo 15 non primo 35 non primo 63 non primo 99 non primo 143 non primo 195 non primo 255 non primo 323 non primo = = = = = = = = 6 3*5 5*7 3^2*7 3^2 *11 11*13 3*5*13 3*5*17 17*19 20^2 22^2 24^2 26^2 28^2 30^2 32^2 … - 1 = 1 = 1 = 1 = 1= 1= 1 = … 399 non primo = 483 non primo = 575 non primo = 675 non primo = 783 = non primo 899 = non primo 1023 = non primo … … 3*7*19 3*7*23 5^2 * 23 3^3*5^2 = 3^3 * 29 = 29*31 = 3*11*31 … L’estensione a n2 -1 non è quindi valida, dando sempre numeri composti tranne il 3 iniziale , e quindi le estensioni possibili sono solo: n2 + 2 con n dispari n2 - 2 con n dispari La stima di a (L) in questi casi non è molto lontana da n2, come per la forma originaria n2 +1 dei numeri di Landau. Per i tutti i composti della forma n2 - 1 possiamo osservare che: a) se n pari è una potenza pari di 2, queste sono di forma 6k -2 (per esempio 24 = 16 = 6*3 -2 =18 -2 =16 , e sottraendo 1, si hanno sempre multipli di 3 e quindi non primi (vedi i numeri segnati in blu nella precedente tabella) b) se n pari è il doppio di un numero dispari, e anche se primo, e come tutti i numeri pari è di forma 6k - 2, 6k e 6k +2, con le seguenti tre possibilità circa la forma n2 -1 7 ● 6k – 2 - 1 = 6k - 3 = multipli di 3, e quindi composti; ● 6k - 1, dispari e quindi potenzialmente primo, essendo di forma 6k - 1 (che insieme a 6k +1 costituiscono le forme dei numeri primi, tranne i soli 2 e 3 iniziali), ma fino a 322 - 1 non dà numeri primi, ma solo composti con fattori spesso molto piccoli (3, 5, ecc.) ● 6k + 2 - 1 = 6k + 1 , idem come sopra. Succede però che tanti numeri di forma 6k -1 e 6k +1 sono anche multipli di 3, e quindi non primi, mentre altri sono prodotti di numeri primi rispettivamente di forma 6k-1 e 6k +1 per lo stesso valore di k Per esempio 5*7 per k = 1, 11*13 per k = 2, con 5 e 7, e 11 e 13 coppie di numeri primi gemelli (come pure 17 e 19 per k = 3) , oppure di numeri misti ma che anch’essi differiscono di 2, per esempio: 3^2*7 3^2 *11 3*5*13 3*5*17 3*7*19 = = = = = 9*7 9*11 15*13 15*17 21*19 con 9 con 11 con 15 con 17 con 21 - 7 = 9 = 13 = 15 = 19 = 2 2 2 2 2 (in rosso i numeri primi coinvolti nelle coppie di numeri con differenza 2) E così via, fino a 3*11*31 =33*31 con 33 - 31 = 2 8 Ma anche con n dispari succede lo stesso, per esempio: 7*7 = 49, 49 -1 = 6*8, 8 - 6 = 2 11*11 = 121, 121 – 1 = 120 = 10*12, 12 – 10 = 2 Solo che in questo caso n – 1 è un numero pari e quindi non primo. Ecco quindi spiegato parzialmente perché la formula n2 con n pari non dà mai numeri primi tranne il 3 iniziale: che i numeri pari n siano o no potenze pari di 2, i loro fattori sono sempre o due numeri primi gemelli, o due numeri misti, di cui uno è primo e l’altro un prodotto di due fattori dei quadrati di n pari meno 1 , oppure entrambi misti, come per esempio 675 = 33*52 = 27*25 , ma in ogni caso con differenza 2 tra i due numeri (gemelli, misti o entrambi composti) Conclusioni Mentre gli infiniti numeri normali di Landau sono di forma canonica n2 + 1, i nuovi numeri di Landau (estesi) sono ora di forma: n2 + 2 con n dispari n2 - 2 con n dispari, e anch’essi infiniti, mentre la forma n2 -1 con n pari non dà numeri primi, tranne il 3 iniziale per quanto sopra detto (prodotti di numeri primi gemelli o di numeri misti o composti che differiscono sempre di 9 2, come nei vari esempi riportati). Per cui la congettura, o quarto problema di Landau può ritenersi definitivamente dimostrata, essendo infiniti i numeri di Landau canonici, ma anche quelli ottenuti con le versioni estese n2 + 2 con n dispari n2 - 2 con n dispari, e soltanto uno, il 3, nella versione n2 -1 con n pari, al contrario della versione canonica n2 +1 con n pari. Connessioni tra i vari problemi di Landau: a) numeri di Landau n2 +1 : se passiamo alla forma n2 - 1, con n pari, abbiamo prodotti di due numeri dispari con differenza 2, e se sono entrambi primi abbiamo una coppia di numeri primi gemelli b) una coppia di gemelli è l’ultima coppia di Goldbach per molti numeri pari di forma 12k , per esempio per 24 = 2*12, abbiamo come ultima coppia 11 e 13, con 11+13 = 24; le altre due possibili coppie di Goldbach per N = 24 sono 5 e 19 , 7 e 17, poiché 5 +19 = 24 e 7+17 = 24, oltre a 11+13 = 24 . Infatti se ordiniamo le coppie di Goldbach per ordine crescente abbiamo: 10 5 + 19 7 + 17 11 +13 = 24 = 24 = 24 a N/2 = 24/2 = 12 , in questo caso 12 + 1 = 11 e 13, si risale fino ad N – p = 24 – 5, vedi Rif. 1 e relativi esempi per N = 210 Notiamo che il numero 24 (12 = 24 / 2 ) è connesso ai modi corrispondenti alle vibrazioni fisiche delle stringhe bosoniche attraverso la seguente equazioni modulare di Ramanujan: ∞ cos πtxw' − πx 2 w ' ∫0 cosh πx e dx 142 4 anti log ⋅ 2 πt 2 t w' − w' e 4 φw' (itw') . 24 = 10 + 11 2 10 + 7 2 + log 4 4 c) la congettura di Legendre è vera, poiché tra un quadrato n2 e il successivo (n +1)2 ci sono sempre più numeri primi al crescere di n, (vedi Rif. 7) , crescendo l’intervallo tra i due quadrati più velocemente del logaritmo di n2 , e quindi l’intervallo diviso il logaritmo di n2 (frequenza media dei numeri primi) dà un numero di numeri primi ivi compresi sempre più grande. Appendice I problemi di Landau, oltre ad essere connessi tra di loro, hanno anche qualche relazione con l’ipotesi di Riemann (RH)/ o con l’ipotesi 11 di Riemann generalizzata (GRH), e con la crittografia RSA, e che qui accenneremo brevemente: a) relazioni con la RH e GRH - numeri primi gemelli (GRH) ----da Wikipedia - congettura di Goldbach ( grafico simile alla RH1, Rif. 9, lavori vari sull’ipotesi di Riemann) Congettura debole di Goldbach (GRH e congettura di Levy, che è anche ipotesi RH – equivalente (Rif. 10) Wikipedia, Congettura debole di Goldbach: “…Nel 1997, Deshouillers, Effinger, Te Riele e Zinoviev dimostrarono[1] che l'ipotesi di Riemann generalizzata implica la congettura di Goldbach debole. Questo risultato combina un'affermazione generale per numeri maggiori di 1020 con una ricerca estensiva al computer per casi piccoli. Inoltre, se la Congettura di Levy fosse vera, la congettura debole di Goldbach sarebbe vera anch'essa…” Vedi anche Rif. 3, dal quale riportiamo il seguente brano, relativo alla crittografia: Terence Tao, matematico dell'Università della California, ha dimostrato che è possibile scrivere i numeri dispari come somme di, al massimo , cinque primi e sta conducendo le ricerche su come abbassare a tre il numero di primi necessari sfruttando le dimostrazioni fatte sui numeri "grandi" e su quelli "piccoli". Tao ha affermato che la dimostrazione della congettura debole, seppur non aiuti la dimostrazione della sua versione "forte", potrebbe aprire nuovi studi matematici applicabili nella vita quotidiana, come ad esempio la crittografia dei dati sensibili.” - congettura di Legendre (non vi sono connessioni dirette con l’ipotesi di Riemann e neppure 12 con la crittografia) b) relazioni tra i problemi di Landau e la fattorizzazione veloce e quindi anche con la crittografia RSA) - prodotti numeri primi gemelli (ipotesi percentuale, 0,d 0 99…) Esempio: N = 101*103 = 10403; n = √10403 = 101,99, parte decimale 0,99… quindi p ≈ n , infatti 101 ≈ 101,99… (Rif. 11) - coppie di Goldbach. Esempio raro di parte decimale ottimale 29083 = 127 * 229, n =√ 29083 = 170, 53; parte decimale 0,53 Corrispondente al rapporto ottimale 1,88 molto vicino a 1,80 con % circa 74% (Rif.10) - Numeri primi di Sophie Germain, estensione dei primi gemelli a p + 2p+1, come prodotto p*(2p+1) = 2p2 + p e rapporto (2p +1)/p ≈ 2 (rapporto r =2, % = 70%, parte decimale ottimale 0,50 poiché 1 / 2 = 0,50, ma molto rara , come 0,53 del caso precedente. Per esempio, per p = 11 e 2p +1 = 23, N = 11*23 = 253, con n = √253 = 15,90, con p ≈ n*0,70 = 11,90*0,70 = 11, 13≈ 11 valore reale; 0,90 non è la parte decimale ottimale, ma per rapporti r ≈ 2 molto spesso la parte decimale è circa il doppio o la metà di quella ottimale; 13 per cui , essendo alta 0,90 , la metà è 0,45, molto vicina a 0,50. Quindi 1/0,45 = 2,22, con√2,22 =1,4907 al quale corrisponde una percentuale di 1/4907 = 0,67, molto prossimo a 0,70; per cui avremo p ≈ 15,90*0,67 = 10,653 ≈ 11, valore reale. (Notiamo che 15,90 è un valore molto vicino a 16 = 2 * 8, dove 8 è un numero di Fibonacci ed è connesso ai modi corrispondenti alle vibrazioni fisiche delle superstringhe attraverso la seguente equazione modulare di Ramanujan: ∞ cos πtxw' − πx 2 w ' ∫0 cosh πx e dx 142 4 anti log ⋅ 2 πt 2 t w' − w' e 4 φw' (itw') 1 8= ). 3 10 + 11 2 10 + 7 2 + log 4 4 Ricordiamo che per i numeri RSA il rapporto q/p varia da 1 a 2, con qualche eccezione anche 2,10, per il quale la percentuale scende a 0,69 ( e a 0,66,666…≈ 67% se il rapporto dovesse arrivare a 2,25, per il quale avremo anche p ≈ 2n/3 e q ≈ 3n/2) Congettura di Legendre (spettroscopio matematico per soli primi) Riferimenti finali (nostri lavori vari sui tutti gli altri problemi di Landau (numeri primi 14 gemelli, congettura di Goldbach, congettura di Legendre), tutti sul nostro sito. 1) “I numeri primoriali p# alla base della dimostrazione definitiva della congettura di Goldbach (nuove evidenze numeriche) Francesco Di Noto, Michele Nardelli 2) “ESTENSIONI DELLE CONGETTURE, FORTE E DEBOLE, DI GOLDBACH” Gruppo “B. Riemann”* Francesco Di Noto, Michele Nardelli 3)”NOVITA ‘ SULLA CONGETTURA DEBOLE DI GOLDBACH Gruppo “B.Riemann” Francesco Di Noto,Michele Nardelli 4)”MAX NUMERI PRIMI E ANCHE GEMELLI “ Ing. Pier Francesco Roggero 5)”INFINITA’ DEI NUMERI PRIMI DI SOPHIE GERMAIN E DEI NUMERI PRIMI GEMELLI “ Gruppo “B. Riemann” Francesco Di Noto, Michele Nardell 6) “ QUADRUPLE DI NUMERI PRIMI TRAMITE LE FORME 6K + 1 E LORO INFINITA’ “ Francesco Di Noto, Michele Nardelli 7) “ La congettura di Legendre” ing. Rosario Turco, prof. Maria Colonnese, Dr . Michele Nardelli, prof. Giovanni Di Maria, Francesco Di Noto, prof. Annarita Tulumello 15 8)” IPOTESI SULLA VERITA’ DELLE CONGETTURE SUI NUMERI PRIMI CON GRAFICI COMET E CONTRO ESEMPI NULLI (Legendre, Goldbach, Riemann...” Michele Nardelli ,Francesco Di Noto, 9)Lavori vari sull’ipotesi di Riemann, tra i quali anche il Rif. 9 10)“Congettura di Levy come ipotesi RH equivalente e relativo grafico comet” Gruppo “B. Riemann”* Francesco Di Noto, Michele Nardelli 10) Ipotesi percentuale 11) Articoli vari sulla Fattorizzazine e i numeri RSA 16