Agr´egation Interne
Nombres premiers, in´egalit´e de Tchebytchev
On pourra consulter les ouvrages suivants.
V. Beck, J. Malick, G. Peyre. Objectif Agr´egation. H et K (2004).
O. Bordelles. Th`emes d’arithm´etique. Ellipses (2006).
J. M. De Koninck, A. Mercier. 1001 probl`emes en th´eorie classique des nombres. Ellipses.
(2003).
S. Francinou, H. Gianella, S. Nicolas. Oraux X-ENS. Alg`ebre 1. Cassini (2009).
S. Francinou, H. Gianella. Exercices de math´ematiques pour l’agr´egation. Alg`ebre 1. Mas-
son (1994).
X. Gourdon. Les Maths en tˆete. Alg`ebre. Ellipses.
D. Perrin. Cours d’alg`ebre. Ellipses (1996).
J. P. Ramis, A. Warusfel. Math´ematiques tout en un pour la licence. L1, L2, L3. Dunod.
(2007).
F. Moulin, J. P. Ramis, A. Warusfel. Cours de math´ematiques pures et appliqu´ees. Alg`ebre
et g´eom´etrie. De Boeck. (2010).
P. Tauvel. Math´ematiques g´en´erales pour l’agr´egation. Masson (1993).
G. Tenenbaum. Introduction to analytic and probabilistic number theory. Cambridge Univer-
sity Press. (1995).
1
1´
Enonc´e
On note (pn)nNla suite strictement croissante des nombres premiers et Pl’ensemble de ces
nombres premiers.
Pour tout entier naturel non nul n, on note :
Pn=P [1, n]
l’ensemble des nombres premiers compris entre 1 et net :
π(n) = card (Pn)
son cardinal.
Pour tout nombre premier pet tout entier naturel n2,on note νp(n) l’exposant de pdans la
d´ecomposition de nen facteurs premiers (νp(n) = 0 si pne figure pas dans cette d´ecomposition),
soit :
νp(n) = max kN|pkdivise n
On a :
νp(n)̸= 0 (pdivise n).
On dit que νp(n) est la valuation p-adique de n.
Par convention, on note νp(1) = 0.
La d´ecomposition en facteurs premiers d’un entier n2 peut donc s’´ecrire sous la forme :
n=
p∈Pn
pνp(n)
– I – In´egalit´es de Tchebychev
Le th´eor`eme des nombres premiers (de d´emonstration d´elicate) nous dit que :
π(n)
n+
n
ln (n)
Dans cette partie, on se propose de montrer que :
n3,ln (2) n
ln (n)π(n)en
ln (n)(1)
1. Pour tout entier n2,on note :
µn= ppcm (1,2,··· , n)
et on se propose de montrer que :
n7, µn2n
(th´eor`eme de Nair).
(a) Calculer µnpour ncompris entre 2 et 8.
(b) Pour 1 mnentiers, on note :
In,m =1
0
xm1(1 x)nmdx
2
i. Montrer qu’il existe un entier an,m Ntel que :
In,m =an,m
µn
ii. En calculant la somme :
Pn(y) =
n
m=1 n1
m1In,mym1
pour tout r´eel y]0,1[ ,montrer que :
In,m =1
mn
m
iii. Montrer que, pour 1 mn, mn
mdivise µn.
iv. Montrer que, pour tout entier n1, µ2n+1 est multiple de n(2n+ 1) 2n
n.
v. Montrer que, pour tout entier n1,on a :
max
0k2n2n
k=2n
n
puis en d´eduire que (2n+ 1) 2n
n22n.
vi. D´eduire de ce qui pr´ec`ede que µ2n+1 22n+1 pour tout n2, µ2n+2 22n+2 pour
tout n4,puis que µn2npour tout n7.
2. En utilisant la d´ecomposition en facteurs premiers de µn,montrer que :
n2, µnnπ(n)
puis en d´eduire que :
n3,ln (2) n
ln (n)π(n)
3. Pour tout entier n2,on note :
Pn=
p∈Pn
p
(a) Montrer que :
n2, π (n)! Pn
(b) Montrer que :
n1,P2n+1
Pn+1 2n+ 1
n22n
(c) En d´eduire que :
n2, Pn22n
(d) Montrer que :
n1, n (ln (n)1) ln (n!)
(e) Montrer que :
n2, π (n) (ln (π(n)) 1) 2nln (2)
3
(f) En utilisant la fonction φ:x7→ x(ln (x)1) ,montrer que :
n2,2nln (2) φen
ln (n)
et en d´eduire que :
n2, π (n)en
ln (n)
– II – Quelques cons´equences des in´egalit´es de Tchebychev
Il r´esulte imm´ediatement de l’encadrement (1) que π(n) = o
n+(n) (th´eor`eme de Legendre).
1. Des in´egalit´es de Tchebychev, on peut d´eduire que :
n2,1
enln (n)pn2
ln (2)nln (n)
(a) Montrer que :
n1, pn>1
enln (n)
(b) Montrer que :
n2,pn2
ln (2)nln pn
pn
puis en d´eduire que :
n7, pnn2
et :
n2, pn2
ln (2)nln (n)
2.
(a) ´
Etudier la s´erie 1
pα
n
,o`u αest un nombre r´eel.
(b) ´
Etudier la s´erie 1
pα
n(ln (pn))β,o`u α, β sont deux nombres r´eels.
(c) Quel est le rayon de convergence de la s´erie enti`ere zpn
pn
.
3. Pour tout entier n2,on d´esigne par :
Sn=
p∈Pn
1
p=
π(n)
k=1
1
pk
la somme partielle d’indice π(n) de la s´erie 1
pn
.
(a) Montrer que :
n2, Sn=
n
k=2
π(k)π(k1)
k
(b) En d´eduire que Sn=O
n+ln (ln (n)) .
4
(c) D´eduire des in´egalit´es de Tchebychev que ln (pn)
n+ln (n),puis en admettant le
th´eor`eme des nombres premiers montrer que :
pn
n+nln (n)
et en d´eduire que :
Sn
n+ln (ln (n))
4. Pour tout r´eel x, on note [x] la partie enti`ere de x.
On se donne un entier n2,un nombre premier p2 et on se propose de montrer que :
νp(n!) =
+
k=1 n
pk
(formule de Legendre).
(a) Montrer que, pour tout entier naturel k, le nombre d’entiers compris entre 1 et nqui sont
multiples de pkest ´egal `a n
pk.
(b) Montrer que, pour tout entier naturel k, le nombre d’entiers compris entre 1 et ndont la
valuation vaut kest ´egal `a n
pkn
pk+1 .
(c) En notant qn,p =ln (n)
ln (p),montrer que :
νp(n!) =
qn,p
k=1 n
pk=
+
k=1 n
pk
(d) D´eduire de ce qui pr´ec`ede que, pour pn, on a :
0n
p1< νp(n!) n
p+n
p(p1)
5. Pour tout entier n2,on d´esigne par :
Tn=
p∈Pn
ln (p)
p=
π(n)
k=1
ln (pk)
pk
la somme partielle d’indice π(n) de la s´erie ln (pn)
pn
.
(a) Montrer que :
n2,ln (n!) =
π(n)
k=1
νpk(n!) ln (pk)
(b) Comme en I.3, on note Pn=
p∈Pn
ppour tout n2 et on rappelle que Pn22n.
Montrer qu’il existe un r´eel S > 0 tel que :
n2,ln (n!)
nSTnln (n!)
n+ 2 ln (2)
(c) En d´eduire que Tn
n+ln (n) (th´eor`eme de Mertens).
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