Surunsystèmefibréliéàlasuite
des nombres premiers
Alain Cost´
e
SOMMAIRE
1. Introduction
2. Le système fibré et la dynamique symbolique associée
3. La chaîne de Markov P
4. Calcul approché de la densité stationnaire
5. Résultat des calculs sous Maple
Remerciements
Bibliographie
2000 AMS Subject Classification: Primary 37E05; Secondary 37A45
Keywords: Prime numbers, Markov chain
Nous ´
etudions le syst`
eme dynamique d´
efini par la transforma-
tion Φ:]0,1] −→]0,1] o`
uΦ(x)=px 1si x]1/p, 1/q],q
et p´
etant deux nombres premiers cons´
ecutifs. La question
de l’existence d’une mesure absolument continue invariante
par Φest reli´
eeparunargumentdechaînedeMarkov`
aune
conjecture concernant un ensemble de suites de nombres pre-
miers. Cette hypoth`
ese est corrobor´
ee par des simulations de
type Monte-Carlo. Nous montrons que cela entraîne la stabilit´
e
statistique de Φsur l’intervalle ]0,2/3].En utilisant des argu-
ments heuristiques nous d´
efinissons des versions simplifi´
ees de
l’op´
erateur de Perron-Frobenius associ´
e`
aΦ.Cela nous per-
met de construire `
a l’aide de Maple une densit´
e de probabilit´
e
pr´
esentant une bonne ad´
equation exp´
erimentale avec les his-
togrammes des orbites issues de constantes fondamentales.
We study the dynamical system defined by the transformation
Φ:]0,1] −→]0,1] where Φ(x)=px 1if x]1/p, 1/q],qand
pbeing two consecutive prime numbers. The problem of the
existence of an invariant absolutely continuous measure by Φ
is related via a Markov chain argument to a conjecture con-
cerning a set of prime number sequences. This hypothesis is
corroborated by Monte Carlo simulations. We prove that this
implies the statistical stability of the transformation Φon the
interval ]0,2/3].By using heuristical arguments, we define sim-
plified versions of the Perron-Frobenius operator associated to
Φ.Using Maple, we construct a probability density presenting
a good experimental fit with the histograms of orbits stemming
from fundamental constants.
1. INTRODUCTION
Un syst`eme br´e est la donn´ee d’un ensemble I, le
plus souvent un intervalle de Ret de deux applications
Φ:I−→ I, (que l’on nomme plutˆot transformation) et
P:I−→ Neriant la propri´et´e que la restriction de
Φ`atoutP1(n) est injective. L’exemple classique est
le syst`eme li´eaud´eveloppement d´ecimal o`u: I=[0,1[,
P:x−→ [10x]etΦ:x−→ 10x[10x].Le syst`eme
br´eli´eaud´eveloppement en fraction continue est d´eni
c
AKPeters,Ltd.
1058-6458/2001 $0.50 per page
Experimental Mathematics 11:3, page 383
384 Experimental Mathematics, Vol. 11 (2002), No. 3
sur I=]0,1] par Φ:x−→ 1/x [1/x]etP:x−→ [1/x].
Nous renvoyons le lecteur `a [Schweiger 95] pour une docu-
mentation compl`ete sur le sujet.
Un syst`eme br´e est un syst`eme dynamique discret.
Etant donn´ee une condition initiale x dans I la suite des
it´er´es (x,Φ(x),Φ2(x),,...) de x sous l’action de Φforme
une orbite dont le comportement asymptotique est le
principal objet d’´etude. Cette orbite engendre la suite
n−→ Pn(x)=P(Φn(x)) que l’on appelle d´eveloppement
de x.UnesuitedeNqui est le d´eveloppement d’un
´el´ement xIest appel´ee suite admissible. La transmee
de la transformation Φpar l’application Pest le shift `a
droite sur l’ensemble des suites admissibles. On com-
prend donc l’int´erˆet de d´ecrire compl´etement ce dernier
ensemble. Dans les deux exemples pr´ec´edents l’ensemble
des suites admissibles est de la forme ANo`uAest un
sous ensemble de N. Il n’en n’est pas toujours ainsi par
exemple pour le syst`eme d’Engel not´eE[Schweiger 95].
Celui-ci est d´eni sur ]0,1] par
Φ(x)=(k+1)x1sur] 1
k+1,1
k].
Il se trouve que les suites admissibles de Esont exacte-
ment les suites d’entiers croissantes.
Dans ce travail nous ´etudions le syst`eme inspir´edeE
o`u l’on remplace la suite des entiers par celle des nombres
premiers. Ainsi nous consid´erons l’application Φenie
par x−→ px 1 sur l’intervalle [1/p, 1/q[siq<psont
deux nombres premiers cons´ecutifs. L’intervalle ]0,1] est
stable par Φcar d’apr`es un th´eor`emedeTschebychefon
atoujoursp/q 11ouencorep2q.
A l’instar de ce qui se passe pour Eon s’attend
`a ce qu’une suite admissible soit croissante. Il n’en
est rien. En fait une telle suite pr´esente de brusques
sauts suivis de descentes progressives avec une tendance
marqu´ee `a revenir vers les nombres 3, 5, 7 et 11. Nous
nous sommes alors int´eress´es aux probl`emes suivants:
(1) Caract´erisation des suites admissibles, (2) Existence
d’une densit´e stationnaire, (3) Ergodicit´edusyst`eme.
Voici maintenant expos´ees les grandes lignes de notre
travail. Du fait que l’on ait l’in´egalit´eplusne p5/3q
(si q<psont deux nombres premiers cons´ecutifs avec
2q), l’intervalle I=]0,2/3] est stable par Φ.De plus
on voit facilement que toutes les orbites restent dans I
`a partir d’un certain rang. Aussi du point de vue de
la th´eorie ergodique seul le syst`eme restreint `a cet in-
tervalle est digne d’inerˆet. Ce faisant on exclut sim-
plement les suites admissibles commen¸cant par une s´erie
de nombres 2. Par ailleurs on s’aper¸coit que par rap-
port aux probl`emes pos´es un certain ensemble joue un
ole central. Il s’agit de l’ensemble Oeni comme la
eunion des orbites issues des nombres p/q 1(o`up<q
sont deux premiers cons´ecutifs avec 2 q). Cet ensem-
ble est en eet tr`es riche car le caract`ere premier des
enominateurs pr´ec´edents fait que ces orbites sont deux
`adeuxdisjointes.
Au paragraphe 2 nous montrons qu’une suite admis-
sible tronqu´ee (ou D-suite) est une concat´enation de
ebuts de d´eveloppements de nombres 1/p (ppremier)
avec une condition aux indices de discontinuit´e(appel´es
indices de saut). Une telle suite est donc accompagn´ee
d’une “ombre” d´eniecommelasuitedeOcompos´ee de
la juxtaposition des morceaux d’orbite associ´es aux nom-
bres 1/p mentionn´es pr´ec´edemment. Le dernier terme de
cette “ombre” que l’on appelle r´esultant de la D-suite est
une notion qui se r´ev`ele tr`es utile au paragraphe 3.
L’id´ee centrale du paragraphe 3 r´eside dans la con-
statation que l’op´erateur de Perron-Frobenius Tassoci´e
`
aΦlaisse invariant le sous-espace de L1(I)constitu´edes
fonctions de la forme f=rOαr11
]0,r]o`u|αr|r
<.La matrice Zde Teduit `a cet espace dans la
base de Schauder 1
r11
]0,r]rOest colonne-stochastique.
Nous introduisons la chaˆıne de Markov Pdont l’ensemble
des ´etats est Oet dont les probabilit´es de passage sont
donn´eesparlescoecients de Z.Cette chaˆıne est d’un
grand inerˆet pour l’´etude des propri´et´es du syst`eme.
A partir d’une distribution invariante α=[αr]rOde
Pon obtient une densit´e stationnaire de Ten posant
f=rOαr/r 11
]0,r].Comme Pest irr´eductible et
ap´eriodique l’existence d’une telle distribution invariante
est ´equivalente `a l’ergodicit´edelachaˆıne, cette propri´et´e
´etant encore ´equivalente `a la non nullit´e de la limite
quand n−→ ∞ d’un quelconque des coecients diago-
naux de la matrice puissance ni`eme de Z.Dans le but de
tester cette hypoth`ese nous ´etablissons d’abord une for-
mule exprimant le coecient g´en´erique de la matrice Zn
par une somme portant sur les D-suites li´ees aux indices
du coecient par le biais de leurs r´esultants. Ainsi par
exemple si βnest le coecient diagonal de Zncorres-
pondant `a 2/3 on a
βn=n
k=1
1
pk
,(p1,p
2,...,p
n)
est une D-suite de r´esultant 2/3}.
Enexploitantlefaitqueler´esultant d’une D-suite est
li´e`a la longueur du cylindre engendr´e par cette D-
suite nous obtenons une expression du coecient diago-
nal de Zncomme probabilit´e pour qu’un nombre tir´eau
hasard dans un certain intervalle ait un d´eveloppement
Cost´
e: Sur un syst`
eme fibr´
eli
´
e`
a la suite des nombres premiers 385
de longueur n de r´esultant donn´e. Cela nous donne la
possibilit´eded´eterminer ce coecient par la m´ethode
de Monte Carlo. Au vu de simulations sur Maple nous
nous permettons d’avancer que la limite de βnest non
nulle et qu’elle est de l’ordre de 0,145, ce qui est con-
rm´e par le calcul approch´edeladensit´e stationnaire
aux paragraphes 4 et 5. Ainsi nous conjecturons que P
est ergodique. Nous montrons que sous cette hypoth`ese
la transformation Φest statistiquement stable.
Le but du paragraphe 4 est la d´etermination d’une
approximation la plus ne possible de la densit´esta-
tionnaire g=αr/r 11
]0,r]de T. Nous proposons deux
ethodes qui sont compl´ementaires et dont l’´elaboration
est fond´ee sur une d´emarche heuristique conduisant `a
desapproximationssansestimationeective des termes
d’erreur. Nous utilisons le proed´edˆu`aUlam[Ulam
60] d’approximation matricielle de l’op´erateur Ten ap-
portant l’innovation consistant `a conserver le terme reste
sous forme d’un op´erateur int´egral.
L’op´erateur Test la somme d’une s´erie d’op´erateurs
dont le terme g´en´eral fait apparaˆıtre la suite
n−→ un=pn
pn11
o`upnest le nombre premier de rang n. Un entier N
´etant enousd´enissons l’op´erateur tronqu´eTNpar la
somme partielle d’indice N de la erie ci-dessus et nous
notons
TNl’op´erateur reste TTN.Danslapremi`ere
ethode nous nous appuyons sur le th´eor`eme des nom-
bres premiers pour justier le remplacement de unpar
sa “moyenne” 1/n. Dans la deuxi`eme m´ethode nous
utilisons le mod`ele probabiliste de H. Cram´er [Cram´er
36] pour d´eterminer l’esp´erance de
TNf(t),expression
que nous adoptons comme nouvelle approximation de
cet op´erateur. Nous poursuivons la simplication en
transformant les deux versions pec´edentes de
TNen
un op´erateur inegral
T(i)
N,(i=1oui=2suivantla
ethode utilis´ee). Pour cela nous faisons intervenir une
fonction Gfournissant un “lissage” correct de la suite
n−→ pn.L’op´erateur TN+
T(i)
Nlaisse pratiquement sta-
ble un sous-espace L(i)
Nde L1(I) somme directe EN+F(i),
o`uENest l’espace de dimension nie engendr´eparles
11
]0,r],rparcourant la r´eunion des orbites issues des nom-
bres pn/pn11(pournN)etF(i)est un espace
de fonctions continues li´ees `alafonctionprimitivede
x−→ 1/G(x). De plus l’expression de cet op´erateur
est susamment simple pour se prˆeter `a une program-
mation sous Maple. Le vecteur propre de valeur propre
dominante de TN+
T(i)
Nest d´etermin´e par approxima-
tions successives. Nous d´enissons g(i)
Ncomme le nor-
malis´edansL1(I) de ce vecteur propre. Nous observons
une bonne convergence exp´erimentale de chaque suite
(g(i)
N) vers la densit´e stationnaire g, la convergence ´etant
plus rapide avec la seconde m´ethode. De plus au vu de
l’expression de g(i)
Nnous sommes amen´es `a conjecturer
que k=limt−→ 0g(t)/ln(t)existeaveckde l’ordre de
-1,3. Au dernier paragraphe nous nous int´eressons au
eveloppement de quelques constantes fondamentales et
nous pr´esentons le r´esultat des calculs des coecients li´es
`aladensit´e stationnaire.
2. LE SYST`
EME FIBR´
EETLADYNAMIQUE
SYMBOLIQUE ASSOCIÉE
La lettre pesigne toujours un nombre premier di´erent
de 1 et lorsque p>2,p
esigne le nombre premier
imm´ediatement inf´erieur `ap. Nous d´enissons les fonc-
tions Pet Φsur ]0,1] par
P(x)=min({p;1/x < p})etΦ(x)=P(x)x1.
La fonction Φprend ses valeurs dans ]0,1] car d’apr`es un
th´eor`emedeTschebychefonap<2p,(pourp>2).
On peut donc it´erer Φ.Si l’on part de x>2/3,la suite
Φn(x)commencepard´ecroˆıtre et elle nit par prendre
une valeur dans l’intervalle I=]0,2/3].De plus ce dernier
intervalle est stable par Φcar on a l’in´egalit´eplusne
p5/3ppour p>2 (cette in´egalit´epeutsed´emontrer
`a partir de l’encadrement eectif du nombre premier de
rang nrappel´eaud´ebut du §4). C’est pourquoi seul
le syst`eme dynamique d´eni par la restriction de Φ`a
Iest pris en consid´eration. Il s’agˆıtdunsyst`eme br´e
σ-ane ([Schweiger 95]) dont la partition associ´ee est
constitu´ee des intervalles ]1/p, 1/p](pourp>2) et de
l’intervalle ]1/2,2/3].Aussi an d’harmoniser les nota-
tions, nous posons p=3/2 (au lieu de p=1)lorsque
p=2.
Nous notons pour tout xde Iet tout entier n
0,P
n(x)=P(Φn(x)).
Définition 2.1. Etant donn´exI, la suite
[Pn(x)]n0est appel´ee d´eveloppement du nombre xet
pour tout N1lasuite[Pn(x)]0nN1est appel´ee
eveloppement d’ordre Nde x.
Proposition 2.2. Soit xIet soit (pk)k0son
eveloppement. On a pour tout n0,
x=
n
=0
k=0
1
pk
+Φn+1(x)
n
k=0
1
pk
.(2—1)
386 Experimental Mathematics, Vol. 11 (2002), No. 3
De plus
x=
=0
k=0
1
pk
.(2—2)
Preuve: La relation (2—1) est vraie pour n=0.En
rapprochant l’´egalit´e (2—1) suppos´ee ´etablie pour nde
Φn+1(x)=1/pn+1(1 + Φn+2(x)),on voit qu’elle est
encore vraie pour n+1.Ce qui d´emontre (2—1) par
ecurrence. La formule (2—2) en d´ecoule imm´ediatement.
Corollaire 2.3. Une condition n´ecessaire et susante
pour que le d´eveloppement de xIsoit p´eriodique `a
partir d’un certain rang est que xsoit rationnel.
Preuve: La condition est susante car si xest de la
forme n/m o`un, m N,alors pour tout k, Φk(x)est
de la forme n/m o`unNet n<m.Par suite il existe
ket h>0telsqueΦk(x)=Φk+h(x).Le d´eveloppement
de xest donc heriodique `a partir du rang k. La con-
dition est n´ecessaire. En eet si le d´eveloppement de x
est heriodique, il r´esulte de la proposition 2.2 que
x=
h1
=0
k=0
1
pk1
h1
k=0
1
pk1.
Donc xest rationnel.
Rappelons que la lettre pesigne toujours un nom-
bre premier et ple nombre premier imm´ediatement
inf´erieur `apsi p>2et3/2sip=2.
Etant donn´ekN,nous posons
r(p, k)=Φk(1/p)ets(p, k)=P(r(p, k)).
On a en particulier r(p, 1) = p/p1ets(p, 0) = p.
Par commodit´ed´ecriture une suite nie ou innie est
not´ee (pk)0k<n o`unN{}; elle est aussi not´ee
(p0,...,p
n1)lorsquenest ni.
Nous posons aussi
H(p0,...,p
n1)=
n1
=0
k=0
1
pk
.
2.1 Caractérisation des suites développements
de nombres
Définition 2.4. (Indice de bifurcation.) Soient x, y
I, x < y. On appelle indice de bifurcation du couple
(x, y) le plus petit entier n=n(x, y)telquePn(x)=
Pn(y).
Lemme 2.5. Pour tout x, y I, x < y, si n=n(x, y)est
l’indice de bifurcation de (x, y),on a: Pn(y)<P
n(x).
Preuve: On montre par ecurrence la propri´et´e(Pm):
pour tout couple (x, y)I2,x<y,tel que n(x, y)=m,
on a Pm(y)<P
m(x).
(P0) est clairement vraie. Supposons (Pm)vraieet
soient x,yI,x<y,telsquen(x, y)=m+1,
(d´enition 2.4). On a par hypoth`ese: P0(x)=P0(y)=
p0;doncΦ(x)=p0x1<p
0y1=Φ(y).Comme
l’indice de bifurcation du couple (Φ(x),Φ(y)) est ´egal `a
m, on peut lui appliquer la propri´et´e(Pm) , ce qui donne
Pm+1(y)<P
m+1(x).Donc (Pm+1)estvraie.
Définition 2.6. (Indice de saut.) Soit S=(pk)hk<n,
o`uhNet nN{},une suite de nombres premiers.
On appelle indice de saut de Stoutevaleurpriseparla
suite nie ou innie (ki)0i<m enie par r´ecurrence par
k0=h, et pour tout i1:
ki=min({k;ki1<k<n et s(pki1,kki1)=pk}),
si l’ensemble pr´ec´edent est non vide.
Définition 2.7. (D-suite.) On dit qu’une suite
(pk)0k<n nie ou innie de nombres premiers est une
D-suite si pour tout couple d’indices de saut cons´ecutifs
(k1,k
2)decettesuiteonapk2>s(pk1,k
2k1).
Exemple 2.8. (11,2), (2,5) et (11,2,11) sont des D-suites,
mais (11,2,5) et (11,2,7) n’en sont pas. Une suite dont
tous les ´el´ements sont ´egaux `ap= 2 est une D-suite. Par
contre (2,2) n’en est pas une.
Proposition 2.9. La suite d´eveloppement d’un r´eel xI
est une D-suite.
Preuve: Soit xIet soit (pk)k0son d´eveloppement.
Soient k1<k
2deux indices de saut cons´ecutifs de cette
suite. En consid´erant Φk1(x) au lieu de xon peut sup-
poser que k1=0.Posons y=1/p
0.Si x=yla conclusion
est imm´ediate car il n’y a pas de deuxi`eme saut. Sinon
x<yet par d´enition de k2,pour tout k<k
2,p
k=
Pk(x)=Pk(y)=s(p0,k)etPk2(x)=Pk2(y).Donc k2
est l’indice de bifurcation de (x, y).Par suite d’apr`es le
lemme 2.5, pk2>s(p0,k
2).
Proposition 2.10. Soit S=(pk)0k<n une D-suite. Alors
pour tout h<nla suite tronqu´ee S=(pk)hk<n est une
D-suite. DepluslesindicesdesautdeSsup´erieurs ou
´egaux `ahsont aussi des indices de saut de S.
Cost´
e: Sur un syst`
eme fibr´
eli
´
e`
a la suite des nombres premiers 387
Preuve: Soit k0le plus grand des indices de saut de
Sstrictement inf´erieurs `ah. Si les indices de saut de
Ssont tous strictement inf´erieurs `ah,alorsSest le
eveloppement d’ordre nhde r(pk0,hk0).C’est donc
une D-suite d’apr`es la proposition 2.9. Dans le cas con-
traire, soit k1le plus petit indice de saut de Sminor´e
par h. Si k1=hla conclusion est imm´ediate. Autrement
consid´erons la suite S1=(ph,...,p
k11).Par d´enition
de k0et de k1,S1est le d´eveloppement d’ordre k1hde
rpk0,hk0.C’est donc une D-suite et par cons´equent
l’in´egalit´edelad´enition 2.7 est v´eri´ee pour tout couple
d’indices de saut de Sstrictement inf´erieurs `ak1.Soit
k2le plus grand des indices de saut de S1.Pard´enition
de k2on a:
(1) spk2,kk2)=pk,pour tout ktel que k2k<k
1.
De plus, par d´enition de k0et de k1:
(2) spk0,kk0=pk,pour tout ktel que k0k<k
1.
Montrons que
(3) spk2,k
1k2)spk0,k
1k0.
L’´egalie(2)aveck=k2implique rpk0,k
2k0)
1/p
k2.Si la relation pr´ec´edente est une ´egalit´e, alors (3)
est ´evidemment aussi une ´egalit´e. Autrement, compte
tenu de (1) et (2), l’in´egalit´e (3) est une cons´equence du
lemme 2.5 appliqu´eaucouplerpk0,k
2k0,1/p
k2.
Comme spk0,k
1k0<p
k1,on a donc: spk2,k
1k2<
pk1.On en d´eduit que k1est l’indice de saut de la suite S
qui suit imm´ediatement k2et cette in´egalit´emontreque
Sest une D-suite. En eet, `apartirdek1lesindicesde
saut de Ssont les emes que ceux de S. Ce qui justie
le derni`ere assertion de l’´enonc´e.
Lemme 2.11. Soit (pk)0kn1une D-suite nie. Alors
H(p0,...,p
n1)<1/p
0.
Preuve: Si n= 1 le lemme est clairement vrai.
Supposons-le ´etabli pour tout entier mnet soit
(pk)0knune D-suite de longueur n+1.Si 0 est le seul
indice de saut de cette suite, celle-ci est le d´eveloppement
d’ordre n+1 de 1/p
0,donc l’in´egalit´eestvraie.
Autrement soit k1le deuxi`eme indice de saut de la suite.
D’apr`es la proposition 2.10, la suite (pk)k1kn1est
une D-suite (de longueur inf´erieure `an). Donc par
l’hypoth`eseder´ecurrence: Hpk1,...,p
n1)<1/p
k1.
On voit en utilisant l’´egalit´e
H(p0,...,p
n1)=Hp0,...,p
k11
+Hpk1,...,p
n1k11
k=0
1
pk
,
que
H(p0,...,p
n1)<H(p0,...,p
k11)+1/p
k1
k11
k=0
1
pk
Hp0,...,p
k11,s(p0,k
1);
la derni`ere in´egalit´ed´ecoulant du fait que s(p0,k
1)
p
k1,puisque par d´enition de k1,s(p0,k
1)<p
k1.Or,
toujours par d´enition de k1,(p0,...,p
k11,s
p0,k
1)
est le d´eveloppement d’ordre k1+1 de 1/p
0.Par
suite Hp0,...,p
k11,s(p0,k
1)<1/p
0.D’o`unalement
H(p0,...,p
n1)<1/p
0.Le lemme est ainsi d´emontr´e
par r´ecurrence.
Théorème 2.12. Une condition n´ecessaire et susante
pour qu’une suite de nombres premiers (pk)k0soit le
eveloppement d’un nombre r´eel appartenant `aIest
qu’elle soit une D-suite.
Preuve: La condition est n´ecessaire d’apr`es la proposition
2.9. Soit (pk)k0une D-suite. Montrons que cette suite
est le d´eveloppement du nombre x=lim
nH(p0,...,p
n).
Il r´esulte du lemme 2.11 que 1/p0<x 1/p
0.Donc
p0=P0(x).On en d´eduit que Φ(x)=p0x1.Mais
p0x1 = lim
nH(p1,...,p
n).On voit par une r´ecurrence
sur kque pk=Pk(x)pourtoutk.
2.2 Notion de r´
esultant d’une D-suite.
Les r´esultats ´etablis dans ce paragraphe sont utiles pour
la suite.
Notation. Etant donn´e une D-suite nie S=
(pk)0k<n, on note
J(S)={xI;Pk(x)=pk
pour tout k tel que 0 k<n}
et on appelle esultant de S le nombre res(S)=
rpkm1,nkm1o`ukm1est le plus grand indice
de saut de S. (Dans [Schweiger 95] les ensembles J(S)
sont appel´es des cylindres).
Théorème 2.13. Soit S=(pk)0k<n une D-suite nie.
Alors on a
J(S)=]H(p0,...,p
n1),H(p0,...,p
km1,p
km1)],
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