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Introducción a la teoría de números. Ejemplos y - TEC-Digital

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116 ESTIMACIONES,

116 ESTIMACIONES, ESTAD˝STICAS Y PROMEDIOS Observe ahora que en {1,2,...,30} hay 19 compuestos y el 1, así que quedan 10 primos. Sea p i el i−ésimo primo. La fórmula de Legendre es, 1 + π (x) = π �√ x � + �x� − ∑ pi≤ √ � � x + p ∑ x i pi

Estimación de π(x). Teorema de los números primos. El cálculo de π(x) de manera directa es bastante complicado y requiere mucho esfuerzo computacional. En general, no podemos responder de manera exacta todo el tiempo. Curiosamente, hay fórmulas relativamente simples para responder con una aproximación del valor de π(x) para valores grandes de x. Legendre y Gauss iniciaron el estudio de esta estimación contando primos en intervalos de longitud adecuada y calculando proporciones, en busca de un ley que gobernara esta distribución. La frecuencia relativa π(n)/n calcula la proporción de primos en el conjunto A = {1,2,...,n}. Aunque la distribución de los primos entre los enteros es muy irregular, el comportamiento promedio si parece ser agradable. Coo dijimos antes, basándose en un estudio empírico de tablas de números primos, Legendre y Gauss (en 1792, a la edad de 15 años) conjeturan que la 1 ley que gobierna el cociente π(n)/n es aproximadamente igual a ln(n) . En [9] se indica que Gauss y Legendre llegaron a este resultado, de manera independiente, estudiando la densidad de primos en intervalos que difieren en potencias de diez: notaron que la proporción de primos en intervalos centrados en x = 10 n decrece lentamente y disminuye aproximadamente a la mitad cada vez que pasamos de x a x 2 . Este fenómeno es muy bien modelado por 1/ln(x) pues 1/ln(x 2 ) = 0.5/ln(x). n π(n) π(n)/n 1/ln(n) 10 7 664579 0.0664579 0.0620420 10 11 4118054813 0.0411805 0.0394813 10 12 37607912018 0.0376079 0.0361912 Tabla 7.4 Acerca de este descubrimiento, Gauss escribió a uno de sus ex-alumnos, Johann Franz Encke, en 1849 “Cuando era un muchacho considere el problema de cuántos primos había hasta un punto dado. Lo que encontré fue que la densidad de primos alrededor de x es aproximadamente 1/ln(x).” La manera de interpretar esto es que si n es un número “cercano” a x, entonces es primo con “probabilidad” 1/ln(x). Claro, un número dado es o no es primo, pero esta manera de ver las cosas ayuda a entender de manera muy intuitiva muchas cosas acerca de los primos. Lo que afirma Gauss es lo siguiente: Si ∆x es “pequeño” comparado con x (en el mundillo asintótico esto quiere decir que ∆x/x → 0 conforme x → ∞) entonces π(x + ∆x) − π(x) ∆x ≈ 1 ln(x) (π(x + ∆x) − π(x))/∆x es la densidad de primos en le intervalo [ x, x + ∆x ] y 1/ln(x) es el promedio estimado en este intervalo. Por esto decimos: 1/ln(x) es la “probabilidad” de que un número n, en las cercanías de x, sea primo. Para hacer un experimento, podemos tomar ∆x = √ x (que claramente es dominada por x), 117

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