Théorème des nombres premiers en
progression arithmétique
Pierron Théo
ENS Ker Lann
Stage de première année effectué à l’Institut Élie Cartan de
Nancy, dans l’équipe de théorie des nombres, sous la direction
de Gérald Tenenbaum.
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Table des matières
I Introduction et énoncé du problème . . . . . . . . . . . . . . . 4
II Mise en place des outils et premières propriétés . . . . . . . . 4
II.1 Critère d’Abel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
II.2 Fonction Λ de Von Mangoldt . . . . . . . . . . . . . . 4
II.3 Caractères de Dirichlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
II.4 Fonctions L........................ 8
II.5 Symbole de Kronecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
II.6 Formes quadratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
III Preuve analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
III.1 Démonstration du théorème dans le cas qpremier . . . 14
III.2 Démonstration dans le cas général . . . . . . . . . . . . 19
IV Densité analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
V Preuve algébrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Notations
On notera :
able pgcd de aet b, et ableur ppcm.
Pl’ensemble des nombres premiers.
ϕl’indicatrice d’Euler.
aet qdeux entiers premiers entre eux.
pνkasi pν|aet pν+1 a.
si sest un complexe, s=σ+.
log la détermination principale du logarithme complexe.
De plus, pdésignera toujours un nombre premier.
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I. INTRODUCTION ET ÉNONCÉ DU PROBLÈME
I Introduction et énoncé du problème
Nous allons ici nous intéresser au résultat suivant.
Théorème I.1 Soit (a, q)(N)2un couple de nombres entiers premiers
entre eux. Il existe une infinité de nombres premiers appartenant à l’ensemble
a+Nq.
Ce théorème a été démontré par Gustav Lejeune-Dirichlet dans une pre-
mière version en 1837 (cas qest un entier premier) puis généralisé pour
tout nombre entier qen 1839 1840. Il l’a aussi montré pour les entiers de
Gauss en 1841.
II Mise en place des outils et premières pro-
priétés
II.1 Critère d’Abel
Proposition II.1 Si (an)nCNest à sommes partielles bornées et (bn)n
(R+)Ncroît vers 0, alors
X
n=0
anbnconverge.
II.2 Fonction Λde Von Mangoldt
Définition II.1 On définit la fonction Λde Von Mangoldt par
Λ(n) :=
ln(p)si ν > 0, n =pν
0sinon
Proposition II.2 Soit (a, q)N2. Quand σ1+(σR), on a
X
na[q]
Λ(n)
nσ=X
pa[q]
ln(p)
pσ+O(1)
Démonstration. Par définition de Λ, on a
X
na[q]
Λ(n)
nσ=X
ν>0X
pνa[q]
ln(p)
pσν
=X
pa[q]
ln(p)
pσ+X
ν>1X
pνa[q]
ln(p)
pσν
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II. MISE EN PLACE DES OUTILS ET PREMIÈRES PROPRIÉTÉS
Il suffit donc de prouver que
X
ν>1X
pνa[q]
ln(p)
pσν =O(1)
On peut majorer cette somme (à termes positifs) par
X
n>1
ln(n)
n2
qui est convergente, ce qui assure le résultat.
II.3 Caractères de Dirichlet
Définition II.2 Soit qun nombre entier tel que q > 1. On appelle caractère
de Dirichlet tout morphisme de groupes de (Z/qZ)C.
Théorème II.1 Soit qun nombre premier. Il y a au plus q1caractères
de Dirichlet de module q.
Démonstration. Soit qun nombre premier. Le groupe (Z/qZ)est cyclique
d’ordre q1 donc tout caractère de Dirichlet χest entièrement déterminé par
l’image d’un générateur de (Z/qZ). On a donc au plus Card((Z/qZ)) = q1
morphismes possibles.
Proposition II.3 Si qest premier, les caractères de Dirichlet associés sont
les
χb:n7→ e2iπbρ(n)
q1, b J0, q 2K
ρest l’application définie par gρ(n)=npour tout n(Z/qZ)(où g
désigne un élément primitif de (Z/qZ)).
Démonstration. Ce sont bien des caractères. On a donc trouvé q1 carac-
tères, ce sont donc les seuls.
On va maintenant décrire les caractères associés à un nombre entier qnon
premier.
On décompose (Z/qZ)en un produit direct de groupes cycliques (la
décomposition est unique à l’ordre près). Par le théorème chinois, on a :
(Z/qZ)=Y
pνkq
(Z/pνZ)
Proposition II.4 Soit pun nombre premier différent de 2,(Z/pνZ)est
cyclique.
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