Séminaire Delange-Pisot-Poitou. Théorie des nombres J EAN -L OUIS N ICOLAS Sur l’ordre maximum d’un élément dans le groupe Sn des permutations, II Séminaire Delange-Pisot-Poitou. Théorie des nombres, tome exp. no 11, p. 1-18 8, no 2 (1966-1967), <http://www.numdam.org/item?id=SDPP_1966-1967__8_2_A2_0> © Séminaire Delange-Pisot-Poitou. Théorie des nombres (Secrétariat mathématique, Paris), 1966-1967, tous droits réservés. L’accès aux archives de la collection « Séminaire Delange-Pisot-Poitou. Théorie des nombres » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/legal.php). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques http://www.numdam.org/ Séminaire DELANGE-PISOT-POITOU (Théorie 8e 11-01 nombres) des année, 1966/67, 6 février 1967 n° 11 SUR L’ORDRE MAXIMUM D’UN ÉLÉMENT DANS LE GROUPE Sn DES PERMUTATIONS, II. par Jean-Louis NICOLAS 1. g(n) g(n) g(n) propriétés élémentaires de Rappel est n.+n~+...+iL==n sup (p Définition. - ~ est et sa fonction une On non p. k a strictement a C e qui Remarquons que nombres pa ( p est n ~ ... ~n.) ]; N*) est pour tout k 3 premier, a et équivalent ,~ (k~ p03B1 = 1 . à (3) croissante ; additive : donc : équivaut jl2]). et ~ N . Remarque. - Si 03B1 = 0 , l(p03B1) = 0 ~ On (ni , c.m. arithmétique aux g(n) ([l]~ § 61, premier, Soit l : N* restriction tique. [p. sup = = mais croissante, de à (3’~ : = k E entraine l’application k = p~ . iden- Propriété caractéristique. - Les deux propriétés suivantes sont équivalentes : Démonstration. (b) et (a) . .-~~> bornée, non (3’) et On construit a (2) n M = M > g(n) Si et ~ (r~~~ ~ (m~ , m Soit f : N* ~ R d(n) (a) pour étudier tions, et en number" ces 1° Calcul de n le est croissante fonction une nombre M al rs g(n) . arithmétique. alors : où £ un qui contredit l’hypothèse. en est n est exactement ([1], § 60). lequel nombres des méthodes petite, RAMANUJAN la fonction d est [3] g(N) . appelle grande, et g . ~(g(n)) . On définit plus petit élément et utili- qui peuvent s ’appliquer à d’ autres fonc- particulier à ~ . Rel ation entre ~ Soit g (b) . ==> le nombre de diviseurs de "Highly composite ce ~(g(n)) , et si façon d’écrire : autre une g(n) , L’ensemble des nombres se comme tel que propriété caractéristique s’écrit Soit m ~ g(r~~ , Si donnent : Remarque. - La (b). vérifiant m il existe COROLLAIRE. C’est Soit sur N de la classe de la relation n . On a d’équivalence (3’) On a en g(N) . E donc g(l(N)) 3° .~(~(n~~ 1 n 9 donne n m > N (g N ~ N* . pour tout avec L’égalité sup est N k f lieu a une g(n) , g(m) (2) , Soit sur croissante) et, est g(l(N)) = Puisque donc équivalences : est strictement croissante ,~ g(n) , g(m) ~2~ et fait démontré les 2° N n, donne si, valeur alors et seulement possible de si9 k 9 et g(l(N)) >, N . N ~ g(1V) ? il ne peut y avoir égalité, ~J g(n) , g(~~ (g(n) ) ) g(n) g(n) . Si Si A 4° Soient On a E g(~~ p A~ et = = 5° On 2. Etude de la pelle cela, que et (5) on va P (N) v utiliser désigne a + 1 . donne nous décomposition PROPRIETE 1. - Soient alors {3 $ aurait on g(~(N)) ~ le en g(N) à l’application réciproque et n ~ ,~~g(N~ ~ s Pour l(g(N)). e D’autre Part, A . la restriction de ~ Finalement, si l(A*) car g(~ (i~~ ~ ~ A ~ . donc si ~(N) ~ ( A ~ 9 ~(g~N~ ~ ~ A* , = alors dans a >, l~ ~ Or A le suivant de g(l(A*)) g(n) g[j&#x26;(A’) - 1] > g(2(A~~ A , donc g(N) . E = = == g(l(N)) car est une facteurs d’après ~4~ ~ A est g . (4) bijection croissante nous permet minoration la plus grand exposant deux nombres g(n) N ~ g~~J} . g(n) . propriété caractéristique. a sur de calculer si remiers de systématiquement p, q une d’où contradiction. tel que premiers, p p q . Si divise On rap- N . M = p q g(n) , Soit On ce ~~ a > g(n~ ~ défini par k avec = 0 ou 1 , c’est évident). > q . ~(~2~ > ~’~ (g(n~ ~ 9 donc (si 03B2 2 Démonstration. - On peut supposer P donc si qui entraîne Si a > 0 , = ~(g(n)) mêmes 9 les calculs sont les s’écrit : la (6) majoration pq - 1 pq n’ayant pas à être faite. PROPRIÉTÉ v 2. - Soit désigne D’après car le la fonction p ~ 3 y Si p = le nombre q de Bertrand postulat Si Si par 2 , 3, solutions sont plus grand nombre premier divisant premier ~(M) = 2~ g(2) = 3 2 On a p . q 2p , donc est décroissante. il y 0 , il reste à résoudre M suivant (C1~, § 22)~ p~" - p~ )2014~ o~ g(n) . n=4 . sauf pour p ~g~n~ ~ = 1 , On le p g(n) = a contradiction. 2~ . g(n) et j&#x26;(M) et g(4) 4 . Seule > = = 3 - 2~~ cette dernière est 0 ; les seules exception. PROPRIETE 3. - g(n) est pair n~3 y 8 , pour LEMME. - Si deux nombres premiers distincts tout nombre premier Démonstration du lemme. - Soit g(n) . pas Soit pt ne g(n) , divisent pas g(n) . et supposons que p’ ,y p et p divise pas ne 15 . q ~- p + p’ ne divise est "qua- k J 1 , défini par k , et posons D’autre donc on a part , g(n) y M il y a contradiction. Démonstration de la propriété 3. - Si (propriété 1), g(n) , M > g(n) , 2 drattfrei" et 11 12 11 et l(M) - l(g(n)) M == tout nombre premier supérieur vise = 3.5.7 ception où COROLLAIRE. - Pour tout n tout A e = g(N) , Effectivement, Supposons prés (5), A = A* A si que A + g(n). 13 ne vaut g(n) . divise pas g(n) ~ on trouve Donc g(n) comme seule diex- 3 ? 15 y 105 . ~ N* , g(n + 1) g(n) 1) ~ g(n) , soit pair et que l(A* 2) l(A*) , 2 y 12 y 84 y a : égal à 4 + 6 - 11 0 . effet, soit D’après le lemme, en 2 ou, ce qui est équivalent, pour 2 . g(n ce 03BB , en A* A > 2 , encore g(n) posant qui est faux. Si la relation est PROPRIÉTÉ 4. - Soient on g(n) . Sinon, divise pas 105 . En examinant les valeurs de 3 , 8 , 15 y n ou ne g(n) , g(n) divise pas ne on A* = A , aurait A == on a g(n + l) = A* 2 A* , donc, 3 , 15 y 105 , on A* . dia- trouve vérifiée. deux nombres premiers, et p=v (g(n)), Il suffit de vérifier l’une des ~,~1~~ k ~ ï..(J. - 1) .On par Posons M = Posons x = ~k g~n~ , ~--- x~ Ce raisonnement Pour j3 on 2014 ~ == on (?) toujours 03BB03B1 p=0 y Si a - si X - si B > ~ : si on a . k=~,1 défi- k sz À > BJ . obtient 1 y l’inégalité Si Soit a vaut que pour ne 1 03BB 03B 03B1 03B2 . ~~~ I~ inégalités, par exemple a donc k>2 si o~ est et 1 encore j3 ~ 2 . vérifiée. 1 03BB . =0 : d’après g == la propriété 1~ 1 ~ a on 6 X+~’6-1 -~ >0 . Posons bien 1 P ~ 1 2014~ 2014 ; ~ et y-~ 2014 ; si 6~2~ l’inégalité (7) devient x=2014~ ~" Dans ce cas, PROPRIÉTÉ nombre on obtient d’ailleurs 5. - Soit premier suivant p le un meilleur résultat. plus grand nombre premier divisant p ; soit X un nombre premier tel que g(n) ; soit q le a = v ~g~n~ ~ ~ 2 ~ alors, On pose donc fient M = ~ g(n) , B~ - X*~* Xq~+ NI > q . D’autre 1 . g(n) , part, donc les solutions de cette inéquation en X véri- PROPRIÉTÉ 6. - A Soient plus gr and nombre premier divi s ant Soit COROLLAIRE. - Quand g(n) visant D’après tend la D’après (4) tend n vers et la pour est fixé p p premiers. On suppose Alors il existe D’autre ~, > e vérifiant l ’infini, chaque 03BB le a Aq p A . On a, d’après plus grand nombre premier .9 que est n soient p , p on p y n -~ ~ (g~n~ ~ propriété 6, PROPRIÉTÉ 7. - Soit g(n) . vers suivant. On s on q 03BB03B1 a q03BB 03BB - 1 , constante c. part, soit ~ alors p (5), di- donc q - p . Donc, majorer ce qui établit le corollaire. 2 3 ... ? p. les k premiers nombres étant toujours le plus grand nombre premier On pose : une le p l’infini. propriété On voit que 9 si divisant A , plus petit nombre de le A g~~~ ~ deux éléments consécutifs de A et un nombre indépendante premier de p telle que divisant pas ne ~ ~, g(n) et tel que 2014201420142014201420142014 Démonstration. -- Soit y : N* ~ N , la fonction définie par On a, pour tout j, y(j) étant un de produit k nombres de somme au , plus j. D’autre part, si l’on fait on voit que v où est la fonction de e Considérons maintenant M On déduit De on a méme, P2 = D’autre part, on a ~~mpy +m ~- g(n) . °’ ’ g(n) , donc en Cebysev. on pose g(n) . 0 3 B 3 ( m ) 0 3 B 3 ( m ) 0, M g(n) , M = l(M) - l(g(n)) Si donc m , le résultat est acquis, sinon Comme > ck , PROPRIÉTÉ 8. n ~ ~ , on X Soit un nombre premier fixe ; Démonstration. - Etudions d’abord le le résultat découlera de la propriété Utilisant les notations de la à l’aide de la nombres propriété On en On propriété premiers. La déduit 03B103BB = v03BB(g(n)) . Quand a g(n) . étant le plus grand nombre premier divisant p soit 4 On nous a 4. 2 X = 2 . Pour une autre valeur de N peut même préciser : X ~ 4. propriété 7, est défini pour comme k donnée étant la somme des k donc donne a2 log Pk cas ~~, ~ p ~ ~ ~ 1 ~ ~. = 2~ : 2 ~2 log p . si lton fait k = [log on a 2p ~ donc premiers * ~ PROPRIETE 9. - Avec les mêmes notations Soit toujours fixé et, pour k priété précédente, assez n pour 1. i grand, qu’à k , 03B1i a 03B1i ~ 1 on . Pour n un En f aisant à 12 log grand, on peut appliquer premier suivant p. assez étant le nombre tendre q vers log k , quand k tend l ’ infini, p 0 on a (g(n)) . D’après la pro.. et propriété 7, voit que on v -- 1 la l’infinie vers proposition 8, la q 03B12 03C9k . donc 22 avec ~ Or q tend 03C903BA vers = q y est q équivalent l’ infini avec n . On on a peut même préciser : bien d~où la > c~ ~ propriété puisque PROPRIETE 10. - Soit le et plus petit nombre p faisant on k on a obtient q rBj p . le premier plus grand nombre premier divisant ne divisant pas g(n) . On pose a g(n) , soit ~ = ~ . Alors, La démonstration 1er On temps : notations de la On se a fait lim n fait on k = la S’il existait une sous-suite vers infinité de vérifiant de a assez p 7y 1 , alors ~ an G Il existe lim 1 a + M> > n > il existerait alors 1 ; M 7 . Posons a e g(n) = e ces > -~- g(n) . 0 , est le nombre premier suivant p ~ et on (cf. ~3~~ ~ 32). e l’ensemble des nombres p N deux en faisant inégalités. tel que, pour Pour les n il y aurait contradiction. est démontrée. G 0 6, et ~(~~Z~ -- ~ (g(n~ ~ grand, 3. Construction de Soit n ait dont la limite soit a pourrait réaliser simultanément on ne que on n y l+ea propriété La l’infini, temps : Supposons Si étudie : propriété 7, nj tendre j Pour on les = 6 . Donc, Mais, d’après une et 2 , Reprenant an y(m) , e 2e lim a ~ 6 . plus précisément g(n) . H donc Soit car temps. et + a propriété 7, a deux en qui vérifient tel que, pour tout A la propriété : a lim an= 1 . (propriété caractéristique). 1° 2° On sait A Si Si q Supposons N ~ 4 , et soit (propriété 2) v =p N obtient on p ~I~~ ~ p > obtient on est le que log Or la fonction Pour 03BB = Si E Soit 3 , q = p == nombre 2 , les deux U premier =yy on N , on A pose et = premiers x E est est rationnel, ce On a donc q 2 . On constatera que 3 E G la > p ’ avec la v a ~~~~ . E~ E. ~ R :s est strictement croissante. termes sont confondus. la valeur de E.. x > e . trouve : un a = est donc déterminée par ensemble discret de majorable et donc sont distincts : si l’on avait serait divisant pas premier, la suite constituant nombres inférieurs à E A et A ~ 2, = X de un p donne on se ne premiery considérons l’ensemble Pour tout X Pour tout 1 . est croissante pour ~ x log x exception possible étant valeur p = 2, ~3 . A = N03BB N . q x À plus grand nombre premier divisant log p seule Etudions le plus petit nombre premier p 3° Soient p qui est faux. finie). R (la quantité D’ autre part, de tels deux éléments 4° Table des valeurs. p p 3/log 3 2,73 N N 3 2/log 2 = (4 - 2)/log 2 3 5/log 5 3,11 7/log 7 3,6 4.3 12 7 4.3.5 60 12 4 20 19 4 620 30 4.3.5.7.11.13 60060 43 4.9.5.7.11.13 180 180 49 8.9.5.7.11.13 360 360 53 6 126 120 70 116 396 280 89 4.3.5.7 11/log 11 13/lo g 13 4,58 5,06 (9 - 3)/log 3 (8 - 4)/log 2 1 1 4.3.5.7.11 5,46 5,76 17/log 17 19/log 17 6,45 23/log 23 7,33 6 8.9.5.7.11.13.17 8.9.5.7.11.13.17.19 Pour et un chaque valeur de p E R - E , tel que seul, détermine par sa décomposition en Remarques : -Si p ~ p’ , - Si I ment de et E03BB , divise p sont deux intervalles et si p p > 3 log 3 , facteurs il existe v 5° Soit E I , pt si’ , contigus de alors R - E , séparés Réciproque : Montrons que tout A quelconque, et, nombre N , I~ par un élé- N P = 03BBN03C1 . t (N) un nombre premiers. est une fonction décroissante de p , car la fonction p P est croissante pour x 2 , quelle que soit la valeur du paramètre - un N alors I’t 3 2,88 ainsi construit P pour tout nombre y = x03B1+1log - x03B1 x 03B1 1 . appartient bien à premier X , posons G . il suffit de montrer que, pour tout ~ à considérer : Il y a cinq On a ainsi défini sition en cas facteurs lorsque N e G g(N) , de des nombres de premiers 1° LEMME. - Si on partie une log g(n) 4. Etud-e de tel que G y et on connaît exactement la décompo- G . n2014>oo . et si est le p plus grand nombre premier divisant a sauf pour N = ~ 3 Démonstration. Pour montrer N 12 . L’inégalité e03C8(p) où e03B8(p) N 1 03C8(x) = pour N ~ 3 résulte du § 3, 2°. log p y il faut montrer que, pour 03B1 2 , m P ~x Soit sult at q ,, 5 q le nombre premier suivant suivant ([1 ], § 23) p, on sait que qui améliore le po stul at p . On démontre ainsi que, pour X = p q log q . On utilise le ré- de Bertrand : pour p 29 , La fonction la propriété X 03B 03B1 - 03B 03B1-1 log 03B p ~ 29 ; ~ pour étant croissante pour tout pour p ~ 23 , on regarde 03B1 2 , cela démontre les valeurs numériques. ° 2~ Etude de logg(n) Le calcul est le même que cela gêne ne en rien les quand dans [2], g(n) eG. On l ~inégalité calculs, l’inégalité a est n sur g(n) sur un plus large, mais peu est meilleure. On obtient ainai et on peut prolonger le développement à un ordre (log n) k obtient le même résultat pour deux éléments consécutifs de à g(N) . Riemann On est en fait limité par la connaissance de permettrait d’ obtenir e pour tout G, et . L’hypothèse En fait, où de meilleurs résultats. en sur lesquels on va cela revient à démontrer démontrer est le p tion de est constante. D’après le § 1, 4°, A E tenant plus grand nombre premier divisant A G , d’après le § 4, 1°, p N log A , donc compte du § 4 9 2°. et, on comme démontre on le résultat s’étend 5. THEOREME. - Il existe des intervalles aussi grands que l’on veut g(n) k . Comme dans la démonstraen même temps La démonstration du théorème résulte de deux lemmesô LEMME 1. - Soit tels que divise s où ) p ~ p ( E N, est la G ;9 soient r, s ~ N* deux nombres minore et de même En ajoutant, composante B -X par X~"* - X~ ~ - p" on de connexe p dans R - E . à p log X ~ log X . On on a peut réciproque (§ 3, 5~). aussi bien minorer par log X ~ ainsi une infinité d’ intervalles ~ p~ ~ p+~ de longueur supérieu- 1 a Démonstration. - Soit Soient Si p Lors- obtient : LEMME 2. - Il existe re entre eux,y on a Démonstration. - Il suffit d’examiner de plus près la qu’on premiers est le nombre des nombres premiers inférieurs ou égaux à x 9 D’autre Et le 03C62(x) part, plus grand a Finalement, Card{03C1 rait seulement p ~T~-~ on est 2x log x} . 03C1 de l’exposant >~-~ (p(x) intervalles -201420142014 - (p(x) puisque E j1 est possible (p~(x) ~~T+ Si pour tout e 2 : ç~(x) = 0(~E) , et p~- p"~l , avait de positif longueur pour x au assez entre plus y-2014 1 ~ grand. ce et 20142014~ il y serait insuffisant Démonstration du théorème. - Appliquons le lemme 1 à la famille infinie de bres N p tels que suppose y ~ nom- p~- P~~-l . ~ Or la fonction au- a log minimum est minoré par ~1 ~> + x -- 1 , log x ~~~20142014~ alors admet un et minimum pour x _ a + 1 et ce log a , donc _ Cette relation vaut ~* en particulier pour N -y = 2014 s Ny et le théorème est établi. BIBLIOGRAPHIE [1] LANDAU (Edmund). - Handbuch der Lehre von der Verteilung der Primzahlen, Bände Leipzig und Berlin, B. G. Teubner, 1909 [2te Auflage, New York, Chelsea publishing Company, 1953]. 1 und 2. - 11-18 [2] NICOLAS (Jean - Louis). - Sur l’ordre maximum d’un élément dans le groupe des permutations, I., Séminaire Delange-Pisot-Poitou : Théorie des nombres, 7e année, 1965/66, n° 13, 8 p. [3] RAMANUJAN (Srinivasa). - Highly composite numbers, Proc. London math. Soc. , Series 2, t. 14, 1915, p. 347-400 ; Collected papers, p. 78-128. - Cambridge, at the University Press, 1927. Sn Table numérique facteurs g(n) n d premiers de 3 4 ~~3 4 5 *7 6 12 8 15 9 20 10 ~~12 14 15 30 60 84 105 140 16 17 210 *19 23 25 420 840 260 540 310 5 20 1 1 2 2 4 620 27 28 29 ~~30 32 34 5 460 9240 36 13 860 16 380 38 40 27 720 30 030 41 42 32 760 ~43 60060 47 120 120 180 180 *49 Si n dans la Un premiers g(n) 1 2 1 2 f acteurs () g(n) n . 3 4 2 3 4 3 3 5 4 5 2 3 5 4 3 5 4 3 3 5 4 5 2 35 4 3 5 8 3 5 4 9 5 4 5 2 3 5 8 9 5 4 3 5 4 3 5 8 3 5 4 9 5 4 9 5 471 240 510510 556920 59 60 62 1 021 020 64 1 141 140 2 ~~~; 2 040 66 3 063 060 68 3 423 420 7 ~70 6 126 120 7 7 7 7 72 6846840 8 953 560 9699690 76 77 78 7 7 7 11 7 11 7 7 11 7 13 79 83 85 ~~89 93 95 97 7 11 7 11 101 102 7 13 8 9 5 7 11 2 3 5 7 11 13 8 9 5 7 13 4 3 5 7 11 13 8 3 5 7 11 13 4 9 5 7 11 13 n’est pas dans la table, 360 360 ~~-53 57 58 2 g(n) = astérisque signale table, 106 108 ~~~ 112 118 12252240 19 399 380 38 798 760 58 198 140 116 396 280 140900760 157 477 320 232792560 281801520 446 185 740 892 1 338 2 677 3 375 n’ si g(n~) . les nombres de G . 371 557 114 492 480 220 440 120 13 9 5 7 11 3 5 7 11 13 9 5 7 13 3 5 7 11 13 3 5 7 11 13 8 3 5 7 11 13 495 7 11 13 4 9 5 7 11 13 8 9 5 7 11 13 8957 11 13 8 9 5 7 11 2 3 5 7 Il 13 16 95 7 11 13 4 3 5 7 11 13 8 3 5 7 11 13 4 9 5 7 11 13 8 9 5 7 11 13 8 9 5 7 11 13 8 9 5 7 11 13 8 9 5 7 11 8 2 8 4 4 17 17 17 17 19 17 17 19 17 19 17 19 17 19 17 17 17 17 17 17 19 19 19 19 23 19 23 17 19 17 23 17 19 23 17 19 23 17 19 23 16 9 5 7 11 13 1695 7 11 13 4 3 5 7 11 13 8 3 5 7 11 13 4 9 5 7 11 13 8 9 5 7 11 13 17 19 23 8 9 5 7 11 13 17 19 29 avec n0 et nl consécutifs