Twierdzenie Czebyszewa o funkcji π(n): Różnice pomiędzy wersjami

Aktualna wersja na dzień 13:20, 21 lis 2025

07.11.2021

Oznaczenia

Będziemy stosowali następujące oznaczenia:

[math]\displaystyle{ \mathbb{Z} }[/math] — zbiór liczb całkowitych

[math]\displaystyle{ \mathbb{Z}_+ }[/math] — zbiór liczb całkowitych dodatnich

[math]\displaystyle{ \mathbb{N} }[/math] — zbiór liczb naturalnych [math]\displaystyle{ \mathbb{N} = \mathbb{Z}_{+} }[/math]

[math]\displaystyle{ \mathbb{N}_0 }[/math] — zbiór liczb całkowitych nieujemnych [math]\displaystyle{ \mathbb{N}_0 = \mathbb{Z}_{+} \cup \left \{ 0 \right \} }[/math]

[math]\displaystyle{ \mathbb{R} }[/math] — zbiór liczb rzeczywistych

[math]\displaystyle{ d \mid n }[/math] — czytaj: d dzieli n ([math]\displaystyle{ d }[/math] jest dzielnikiem liczby [math]\displaystyle{ n }[/math])

[math]\displaystyle{ d \nmid n }[/math] — czytaj: d nie dzieli n ([math]\displaystyle{ d }[/math] nie jest dzielnikiem liczby [math]\displaystyle{ n }[/math])

[math]\displaystyle{ p_n }[/math] — [math]\displaystyle{ n }[/math]-ta liczba pierwsza

[math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] — ilość liczb pierwszych nie większych od [math]\displaystyle{ n }[/math]

[math]\displaystyle{ P(n) }[/math] — iloczyn liczb pierwszych nie większych od [math]\displaystyle{ n }[/math]

[math]\displaystyle{ \lfloor x \rfloor }[/math] — największa liczba całkowita nie większa od [math]\displaystyle{ x }[/math]

[math]\displaystyle{ {\small\binom{n}{m}} }[/math] — współczynnik dwumianowy (symbol Newtona), [math]\displaystyle{ {\small\binom{n}{m}} = {\small\frac{n!}{m! \cdot (n - m) !}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \log (x) }[/math] — logarytm naturalny liczby [math]\displaystyle{ x > 0 }[/math]

[math]\displaystyle{ W_p (n) }[/math] — wykładnik, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze liczby [math]\displaystyle{ n }[/math]

[math]\displaystyle{ n }[/math] — oznacza zawsze liczbę naturalną

[math]\displaystyle{ p }[/math] — oznacza zawsze liczbę pierwszą

Przykładowe wartości niektórych wypisanych wyżej funkcji:

[math]\displaystyle{ p_2 = 3 }[/math], [math]\displaystyle{ p_{10} = 29 }[/math], [math]\displaystyle{ p_{100} = 541 }[/math]

[math]\displaystyle{ \pi (10) = 4 }[/math], [math]\displaystyle{ \pi (100) = 25 }[/math], [math]\displaystyle{ \pi (541) = 100 }[/math]

[math]\displaystyle{ P(5) = 30 }[/math], [math]\displaystyle{ P(10) = 210 }[/math], [math]\displaystyle{ P(50) = 614889782588491410 }[/math]

[math]\displaystyle{ \lfloor 1.2 \rfloor = 1 }[/math], [math]\displaystyle{ \lfloor 2.8 \rfloor = 2 }[/math], [math]\displaystyle{ \lfloor - 1.5 \rfloor = - 2 }[/math]

[math]\displaystyle{ {\small\binom{5}{2}} = 10 }[/math], [math]\displaystyle{ {\small\binom{10}{5}} = 252 }[/math], [math]\displaystyle{ {\small\binom{9}{3}} = 84 }[/math]

[math]\displaystyle{ W_2 (8) = 3 }[/math], [math]\displaystyle{ W_3 (18) = 2 }[/math], [math]\displaystyle{ W_7 (28) = 1 }[/math]

Funkcje te są zaimplementowane w PARI/GP^[1]

[math]\displaystyle{ p_n }[/math] = prime(n)

[math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] = primepi(n)

[math]\displaystyle{ P(n) }[/math] = prodeuler(p=2, n, p)

[math]\displaystyle{ \lfloor x \rfloor }[/math] = floor(x)

[math]\displaystyle{ {\small\binom{n}{m}} }[/math] = binomial(n, m)

[math]\displaystyle{ W_p (n) }[/math] = valuation(n, p)

Twierdzenie Czebyszewa

W 1852 roku rosyjski matematyk Czebyszew^[2]^[3] udowodnił, że dla funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] prawdziwe jest następujące oszacowanie

[math]\displaystyle{ a \cdot {\small\frac{n}{\log n}} \: \underset{n \geqslant 11}{<} \: \pi (n) \: \underset{n \geqslant 96098}{<} \: b \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

gdzie

[math]\displaystyle{ a = \log (2^{1 / 2} \cdot 3^{1 / 3} \cdot 5^{1 / 5} \cdot 30^{- 1 / 30}) = 0.921292022 \qquad \quad b = \tfrac{6}{5} a = 1.105550428 }[/math]

Dziwnym zrządzeniem losu rezultat ten określany jest jako nierówności Czebyszewa (których nie należy mylić z nierównościami udowodnionymi przez Czebyszewa w teorii prawdopodobieństwa), a twierdzeniem Czebyszewa nazywany jest łatwy wniosek z tych nierówności. Stąd tytuł tego artykułu: „Twierdzenie Czebyszewa o funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math]”

Twierdzenie Czebyszewa o funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] nabrało nowego życia, gdy w 1936 Erdos^[4] zelementaryzował jego dowód. Elementarny dowód daje mniej dokładne oszacowania, ale pozwala zapoznać się z tym pięknym twierdzeniem nawet uczniom szkoły podstawowej.

Czytelnik powinien mieć świadomość, że rezultat ten ma już jedynie znaczenie historyczne – dzisiaj dysponujemy znacznie lepszymi oszacowaniami^[5]^[6]^[7]^[8] funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] oraz [math]\displaystyle{ p_n }[/math]

[math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{\log n}} \left( 1 + {\small\frac{1}{\log n}} \right) \underset{n \geqslant 599}{<} \pi (n) \underset{n \geqslant 2}{<} {\small\frac{n}{\log n}} \left( 1 + {\small\frac{1.28}{\log n}} \right) }[/math]

[math]\displaystyle{ n (\log n + \log \log n - 1) \underset{n \geqslant 2}{<} p_n \underset{n \geqslant 6}{<} n (\log n + \log \log n) }[/math]

Przedstawimy tutaj elementarny dowód twierdzenia Czebyszewa o funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] oraz analogiczne oszacowanie dla funkcji [math]\displaystyle{ p_n }[/math].

Twierdzenie A1
Prawdziwe są następujące oszacowania:

[math]\displaystyle{ 0.72 \cdot n \log n \underset{n \geqslant 1}{<} p_n \underset{n \geqslant 3}{<} 2n \log n }[/math]

[math]\displaystyle{ {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} \underset{n \geqslant 3}{<} \pi (n) \underset{n \geqslant 2}{<} {\small\frac{2 n}{\log n}} }[/math]

Dowód powyższego twierdzenia jest łatwy, ale wymaga udowodnienia kolejno wielu, przeważnie bardzo prostych, twierdzeń pomocniczych.

Oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n }[/math] od dołu i [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od góry

Rozpoczniemy od oszacowania liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2n}{n}} }[/math]. Badanie właściwości tego współczynnika dwumianowego jest kluczowe dla naszego dowodu.

Twierdzenie A2
Niech [math]\displaystyle{ n, k \in \mathbb{N} }[/math]. Współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{n}{k}} }[/math] jest zawsze liczbą całkowitą dodatnią.

Dowód

Indukcja matematyczna. Ponieważ

[math]\displaystyle{ {\small\binom{0}{0}} = {\small\binom{1}{0}} = {\small\binom{1}{1}} = 1 }[/math]

to twierdzenie jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 1 }[/math]. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla wszystkich liczb całkowitych należących do przedziału [math]\displaystyle{ [1, n] }[/math] mamy dla [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math]

[math]\displaystyle{ {\small\binom{n + 1}{0}} = {\small\binom{n + 1}{n + 1}} = 1 }[/math]

Dla [math]\displaystyle{ k }[/math] spełniającego warunek [math]\displaystyle{ 1 \leqslant k \leqslant n }[/math], jest

[math]\displaystyle{ {\small\binom{n + 1}{k}} = {\small\binom{n}{k}} + {\small\binom{n}{k - 1}} }[/math]

Na podstawie założenia indukcyjnego liczby po prawej stronie są liczbami całkowitymi dodatnimi, zatem [math]\displaystyle{ {\small\binom{n + 1}{k}} }[/math] dla wszystkich wartości [math]\displaystyle{ k }[/math] jest liczbą całkowitą dodatnią. Co należało pokazać.
□

Twierdzenie A3
Niech [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math]. Współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] jest liczbą parzystą.

Dowód

Łatwo zauważamy, że

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{n! \cdot n!}} = {\small\frac{2 n \cdot (2 n - 1)!}{n \cdot (n - 1) ! \cdot n!}} = 2 \cdot {\small\binom{2 n - 1}{n - 1}} }[/math]

□

Twierdzenie A4
Prawdziwe są następujące oszacowania współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math]

[math]\displaystyle{ 3.8^{n + 1} \underset{n \geqslant 80}{<} {\small\binom{2 n}{n}} \underset{n \geqslant 5}{<} 4^{n - 1} }[/math]

Dowód

Indukcja matematyczna^[a]. W przypadku lewej nierówności łatwo sprawdzamy, że [math]\displaystyle{ 3.8^{81} < {\small\binom{160}{80}} }[/math]. Zakładając prawdziwość nierówności dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 80 }[/math], otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math]

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 (n + 1)}{n + 1}} = {\small\binom{2 n}{n}} \cdot {\small\frac{(2 n + 2) (2 n + 1)}{(n + 1) (n + 1)}} > 3.8^{n + 1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - {\small\frac{1}{n + 1}} \right) \geqslant 3.8^{n + 1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - {\small\frac{1}{80 + 1}} \right) > 3.8^{n + 1} \cdot 3.9753 > 3.8^{n + 2} }[/math]

Prawa nierówność jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ n = 5 }[/math]. Zakładając prawdziwość nierówności dla [math]\displaystyle{ n }[/math], otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math]:

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 (n + 1)}{n + 1}} = {\small\binom{2 n}{n}} \cdot {\small\frac{(2 n + 2) (2 n + 1)}{(n + 1) (n + 1)}} < 4^{n -1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - {\small\frac{1}{n + 1}} \right) < 4^n }[/math]

[a] Warto znać asymptotykę współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math], aby lepiej zrozumieć dowodzone w twierdzeniu oszacowanie. Ze wzoru Stirlinga^[9]

[math]\displaystyle{ \log n! \sim n \log n - n + {\small\frac{1}{2}} \log (2 \pi n) + {\small\frac{1}{12 n}} - {\small\frac{1}{360 n^3}} + {\small\frac{1}{1260 n^5}} - {\small\frac{1}{1680 n^7}} + {\small\frac{1}{1188 n^9}} + \ldots + {\small\frac{B_{2 k}}{(2 k - 1) 2 k \cdot n^{2 k - 1}}} + \ldots }[/math]

[math]\displaystyle{ n! \sim \sqrt{2 \pi n} \cdot \left( {\small\frac{n}{e}} \right)^n \cdot \exp \left( \sum_{k = 1}^{\infty} {\small\frac{B_{2 k}}{2 k (2 k - 1) n^{2 k - 1}}} \right) }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, = \sqrt{2 \pi n} \cdot \left( {\small\frac{n}{e}} \right)^n \cdot \left( 1 + {\small\frac{1}{12 n}} + {\small\frac{1}{288 n^2}} - {\small\frac{139}{51840 n^3}} - {\small\frac{571}{2488320 n^4}} + {\small\frac{163879}{209018880 n^5}} + {\small\frac{5246819}{75246796800 n^6}} - \ldots \right) }[/math]

gdzie [math]\displaystyle{ B_i }[/math] są liczbami Bernoulliego, wynika, że

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} \sim {\small\frac{4^n}{\sqrt{\pi n}}} \cdot \left( 1 - {\small\frac{1}{8 n}} + {\small\frac{1}{128 n^2}} + {\small\frac{5}{1024 n^3}} - {\small\frac{21}{32768 n^4}} - \ldots \right) }[/math]

□

Twierdzenie A5
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 12 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n > 3 n }[/math].

Dowód

Indukcja matematyczna. Dowód oprzemy na spostrzeżeniu, że wśród kolejnych sześciu liczb naturalnych [math]\displaystyle{ 6 k, 6 k + 1, 6 k + 2, 6 k + 3, 6 k + 4, 6 k + 5 }[/math] jedynie dwie: [math]\displaystyle{ 6 k + 1 }[/math] i [math]\displaystyle{ 6 k + 5 }[/math] mogą być pierwsze. Wynika stąd, że [math]\displaystyle{ p_{n + 2} \geqslant p_n + 6 }[/math] dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 4 }[/math]. Dowód indukcyjny przeprowadzimy, stosując krok równy [math]\displaystyle{ 2 }[/math]. Twierdzenie jest oczywiście prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 12 }[/math], bo [math]\displaystyle{ p_{12} = 37 > 3 \cdot 12 = 36 }[/math], podobnie [math]\displaystyle{ p_{13} = 41 > 3 \cdot 13 = 39 }[/math]. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla wszystkich liczb naturalnych [math]\displaystyle{ k \in [12, n] }[/math], otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ n + 2 }[/math]:

[math]\displaystyle{ p_{n + 2} \geqslant p_n + 6 > 3 n + 6 = 3 \cdot (n + 2) }[/math]

Uwaga: inaczej mówiąc, dowodzimy twierdzenie osobno dla [math]\displaystyle{ n }[/math] parzystych [math]\displaystyle{ (n \geqslant 12) }[/math] i osobno dla [math]\displaystyle{ n }[/math] nieparzystych [math]\displaystyle{ (n \geqslant 13) }[/math].
□

Twierdzenie A6
Ciąg [math]\displaystyle{ a_n = \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n }[/math] jest rosnący i ograniczony. Dla wyrazów ciągu [math]\displaystyle{ (a_n) }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ 2 \leqslant a_n < 3 }[/math].

Dowód

W artykule, w którym pojęcie współczynnika dwumianowego odgrywa główną rolę, nie mogło zabraknąć dowodu odwołującego się do wzoru dwumianowego

[math]\displaystyle{ \left ( x + y \right )^{n} = \sum_{k=0}^{n} {\small\binom{n}{k}} x^{n-k}y^{k} = {\small\binom{n}{0}} x^{n} + {\small\binom{n}{1}}x^{n-1}y + {\small\binom{n}{2}}x^{n-2}y^{2} + \ldots + {\small\binom{n}{n}}y^{n} }[/math]

gdzie [math]\displaystyle{ {\small\binom{n}{k}} = {\small\frac{n!}{k! \cdot (n - k)!}} }[/math].

Dowód opiera się na spostrzeżeniu, że [math]\displaystyle{ e = \sum_{k=0}^{\infty} {\small\frac{1}{k!}} = 2.718281828 \ldots }[/math], a wykorzystanie wzoru dwumianowego pozwala przekształcić wyrażenie [math]\displaystyle{ \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n }[/math] do postaci sumy z wyraźnie wydzielonym czynnikiem [math]\displaystyle{ {\small\frac{1}{k!}} }[/math]. Stosując wzór dwumianowy, możemy zapisać [math]\displaystyle{ n }[/math]-ty wyraz ciągu [math]\displaystyle{ (a_n) }[/math] w postaci

[math]\displaystyle{ a_n = \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; = \sum_{k=0}^{n} {\small\binom{n}{k}} {\small\frac{1}{n^k}} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} {\small\frac{n!}{k! \cdot (n - k)!}} \cdot {\small\frac{1}{n^k}} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} {\small\frac{1}{k!}} \cdot {\small\frac{n \cdot (n - 1) \cdot \ldots \cdot (n - (k - 1))}{n^k}} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} {\small\frac{1}{k!}} \cdot \left( 1 - {\small\frac{1}{n}} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - {\small\frac{k - 1}{n}} \right) }[/math]

Odpowiednio dla wyrazu [math]\displaystyle{ a_{n + 1} }[/math] mamy

[math]\displaystyle{ a_{n + 1} = \left( 1 + {\small\frac{1}{n + 1}} \right)^{n + 1} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \qquad \: = 2 + \sum_{k=2}^{n + 1} {\small\frac{1}{k!}} \cdot \left( 1 - {\small\frac{1}{n + 1}} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - {\small\frac{k - 1}{n + 1}} \right) > }[/math]

[math]\displaystyle{ \qquad \: > 2 + \sum_{k=2}^{n} {\small\frac{1}{k!}} \cdot \left( 1 - {\small\frac{1}{n + 1}} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - {\small\frac{k - 1}{n + 1}} \right) > }[/math]

[math]\displaystyle{ \qquad \: > 2 + \sum_{k=2}^{n} {\small\frac{1}{k!}} \cdot \left( 1 - {\small\frac{1}{n}} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - {\small\frac{k - 1}{n}} \right) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \qquad \: = a_n }[/math]

Ostatnia nierówność jest prawdziwa, bo dla dowolnej liczby [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R}_+ }[/math] jest [math]\displaystyle{ 1 - {\small\frac{x}{n + 1}} > 1 - {\small\frac{x}{n}} }[/math]

Zatem ciąg [math]\displaystyle{ (a_n) }[/math] jest rosnący. Musimy jeszcze wykazać, że jest ograniczony od góry. Pokazaliśmy wyżej, że wyraz [math]\displaystyle{ a_n }[/math] może być zapisany w postaci

[math]\displaystyle{ a_n = 2 + \sum_{k=2}^{n} {\small\frac{1}{k!}} \cdot \left( 1 - {\small\frac{1}{n}} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - {\small\frac{k - 1}{n}} \right) }[/math]

Ponieważ czynniki w nawiasach są dodatnie i mniejsze od jedności, to

[math]\displaystyle{ a_n \leqslant 2 + \sum_{k=2}^{n} {\small\frac{1}{k!}} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; \leqslant 1 + 1 + \sum_{k=2}^{n} {\small\frac{1}{2^{k-1}}} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; = 1 + \left ( 1 + {\small\frac{1}{2}} + {\small\frac{1}{2^2}} + \ldots + {\small\frac{1}{2^{n-1}}}\right ) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; = 1 + {\small\frac{1 - \left ( \tfrac{1}{2} \right )^{n}}{1 - \tfrac{1}{2}}} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; = 1 + 2 - {\small\frac{1}{2^{n-1}}} < }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \; < 3 }[/math]

Druga nierówność (nieostra) jest prawdziwa, bo dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math] zachodzi oczywista nierówność [math]\displaystyle{ k! \geqslant 2^{k - 1} }[/math]. Do sumy ujętej w nawiasy zastosowaliśmy wzór na sumę częściową szeregu geometrycznego.

Ponieważ [math]\displaystyle{ a_1 = 2 }[/math], to prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ 2 \leqslant a_n < 3 }[/math]. Zauważmy jeszcze (już bez dowodu), że ciąg [math]\displaystyle{ (a_n) }[/math], jako rosnący i ograniczony od góry^[10], jest zbieżny. Granicą ciągu [math]\displaystyle{ (a_n) }[/math] jest liczba niewymierna [math]\displaystyle{ e = 2.718281828 \ldots }[/math], która jest podstawą logarytmu naturalnego.
□

Zadanie A7
Pokazać, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] ciąg [math]\displaystyle{ a_n = {\small\frac{n}{\log n}} }[/math] jest silnie rosnący.

Rozwiązanie

Definicję ciągu silnie rosnącego podajemy w C3. Z twierdzenia A6 otrzymujemy natychmiast, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ n > \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n }[/math]

Zatem [math]\displaystyle{ n^{n + 1} > (n + 1)^n }[/math]. Logarytmując, dostajemy

[math]\displaystyle{ (n + 1) \log n > n \log (n + 1) }[/math]

Czyli

[math]\displaystyle{ {\small\frac{n + 1}{\log (n + 1)}} > {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

Łatwo sprawdzamy, że

[math]\displaystyle{ {\small\frac{3}{\log 3}} < {\small\frac{2}{\log 2}} }[/math]

Co należało pokazać.
□

Twierdzenie A8
Prawdziwe są następujące oszacowania:

[math]\displaystyle{ n^n \underset{n \geqslant 13}{<} p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n \underset{n \geqslant 3}{<} (n \log n)^n }[/math]

Dowód

Indukcja matematyczna. Udowodnimy tylko oszacowanie od dołu. Dowód oszacowania od góry przedstawimy po zakończeniu dowodu twierdzenia A1. Łatwo sprawdzamy, że twierdzenie jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 13 }[/math]. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla liczb naturalnych [math]\displaystyle{ k \in [13, n] }[/math] mamy dla [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math]:

[math]\displaystyle{ p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n p_{n + 1} > n^n \cdot p_{n + 1} > n^n \cdot 3 (n + 1) > n^n \cdot \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n \cdot (n + 1) = (n + 1)^{n + 1} }[/math]

Gdzie skorzystaliśmy z faktu, że [math]\displaystyle{ p_n > 3 n }[/math] dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 12 }[/math] oraz z właściwości rosnącego ciągu [math]\displaystyle{ a_n = \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n < e = 2.718281828 \ldots < 3 }[/math] (zobacz twierdzenie A6).
□

Twierdzenie A9
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ {\small\frac{P (2 n)}{P (n)}} < 4^{n - 1} }[/math], gdzie [math]\displaystyle{ P (n) }[/math] oznacza iloczyn wszystkich liczb pierwszych nie większych od [math]\displaystyle{ n }[/math].

Dowód

Rozważmy współczynnik dwumianowy

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{n! \cdot n!}} = {\small\frac{2 n \cdot (2 n - 1) \cdot \ldots \cdot (n + 1)}{n!}} }[/math]

Każda liczba pierwsza należąca do przedziału [math]\displaystyle{ [n + 1, 2 n] }[/math] występuje w liczniku wypisanego wyżej ułamka i nie występuje w mianowniku. Wynika stąd oszacowanie

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = C \cdot \underset{n + 1 \leqslant p_k \leqslant 2 n}{\prod p_k} > \underset{n + 1 \leqslant p_k \leqslant 2 n}{\prod p_k} = {\small\frac{P (2 n)}{P (n)}} }[/math]

Zauważmy, że wypisany w powyższej nierówności iloczyn liczb pierwszych jest liczbą nieparzystą. Ponieważ współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] jest dodatnią liczbą całkowitą parzystą, zatem również czynnik [math]\displaystyle{ C \geqslant 2 }[/math] musi być dodatnią liczbą całkowitą parzystą. Łącząc uzyskaną nierówność z oszacowaniem z twierdzenia A4, otrzymujemy natychmiast:

[math]\displaystyle{ {\small\frac{P (2 n)}{P (n)}} < {\small\binom{2 n}{n}} < 4^{n - 1} }[/math]

Dla [math]\displaystyle{ n = 2, 3, 4 }[/math] sprawdzamy uzyskany rezultat bezpośrednio.
□

Twierdzenie A10
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ P(n) < 4^n }[/math]

Dowód

Indukcja matematyczna. Oszacowanie [math]\displaystyle{ P(n) < 4^n }[/math] jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 1, 2 }[/math]. Zakładając prawdziwość oszacowania dla wszystkich liczb całkowitych nie większych od [math]\displaystyle{ n }[/math], dla [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math] rozpatrzymy dwa przypadki. Jeżeli [math]\displaystyle{ n + 1 = 2 k + 1 }[/math] jest liczbą nieparzystą większą lub równą [math]\displaystyle{ 3 }[/math], to mamy

[math]\displaystyle{ P(n + 1) = P (2 k + 1) = P (2 k + 2) = P (k + 1) \cdot {\small\frac{P (2 k + 2)}{P (k + 1)}} < 4^{k + 1} \cdot 4^k = 4^{2 k + 1} = 4^{n + 1} }[/math]

gdzie skorzystaliśmy z założenia indukcyjnego i oszacowania z twierdzenia A9.

Jeżeli [math]\displaystyle{ n + 1 = 2 k }[/math] jest liczbą parzystą większą lub równą [math]\displaystyle{ 4 }[/math], to mamy

[math]\displaystyle{ P(n + 1) = P (2 k) = P (k) \cdot {\small\frac{P (2 k)}{P (k)}} < 4^k \cdot 4^{k - 1} = 4^{2 k - 1} < 4^{2 k} = 4^{n + 1} }[/math]

gdzie ponownie skorzystaliśmy z założenia indukcyjnego i oszacowania z twierdzenia A9.
□

Twierdzenie A11
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n > {\small\frac{1}{2 \log 2}} \cdot n \log n }[/math].

Dowód

Ponieważ z definicji [math]\displaystyle{ P(p_n) = p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n }[/math], to korzystając z oszacowań uzyskanych w twierdzeniach A8 i A10 dostajemy dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 13 }[/math]

[math]\displaystyle{ n^n < p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n = P (p_n) < 4^{p_n} }[/math]

Logarytmując obie strony nierówności, mamy

[math]\displaystyle{ n \log n < p_n \cdot \log 4 }[/math]

Skąd natychmiast wynika dowodzone oszacowanie

[math]\displaystyle{ p_n > {\small\frac{1}{2 \log 2}} \cdot n \log n > 0.72 \cdot n \log n }[/math]

Prawdziwość powyższej nierówności dla [math]\displaystyle{ n \leqslant 12 }[/math] sprawdzamy bezpośrednio.
□

Twierdzenie A12
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (2 n) - \pi (n) < 2 \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math].

Dowód

Każda liczba pierwsza należąca do przedziału [math]\displaystyle{ [n + 1, 2 n] }[/math] jest dzielnikiem współczynnika dwumianowego

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{n! \cdot n!}} = {\small\frac{2 n \cdot (2 n - 1) \cdot \ldots \cdot (n + 1)}{n!}} }[/math]

bo dzieli licznik i nie dzieli mianownika. Ponieważ dla każdej z tych liczb jest [math]\displaystyle{ p > n }[/math], to

[math]\displaystyle{ n^{\pi (2 n) - \pi (n)} < \prod_{n < p_i \leqslant 2 n} p_i < {\small\binom{2 n}{n}} < 4^n }[/math]

Ostatnia nierówność wynika z twierdzenia A4. Logarytmując, dostajemy

[math]\displaystyle{ [\pi (2 n) - \pi (n)] \cdot \log n < 2 n \cdot \log 2 }[/math]

Czyli

[math]\displaystyle{ \pi (2 n) - \pi (n) < 2 \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

□

Twierdzenie A13
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) < 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math].

Dowód

Indukcja matematyczna. Oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) < 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math] jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ 2 \leqslant n \leqslant 62 }[/math], co łatwo sprawdzamy przez bezpośrednie wyliczenie. W programie GP/PARI wystarczy wpisać polecenie

for(n = 2, 62, if( primepi(n) >= 2 * n/log(n), print(n) ))

Zakładając prawdziwość wzoru dla wszystkich liczb naturalnych należących do przedziału [math]\displaystyle{ [2, n] }[/math], otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math]

a) jeżeli [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math] jest liczbą parzystą, to

[math]\displaystyle{ \pi (n + 1) = \pi (n) = 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} < 2 \cdot {\small\frac{n + 1}{\log (n + 1)}} }[/math]

Ostatnia nierówność wynika natychmiast z zadania A7.

b) jeżeli [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math] jest liczbą nieparzystą, to możemy położyć [math]\displaystyle{ n + 1 = 2 k + 1 }[/math] i otrzymujemy:

[math]\displaystyle{ \pi (n + 1) = \pi (2 k + 1) }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = \pi (2 k + 2) }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = \pi (k + 1) + [\pi (2 k + 2) - \pi (k + 1)] }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad < 2 \cdot {\small\frac{k + 1}{\log (k + 1)}} + 2 \log 2 \cdot {\small\frac{k + 1}{\log (k + 1)}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = (1 + \log 2) \cdot {\small\frac{2 k + 2}{\log (k + 1)}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad < \left[ 1.7 \cdot {\small\frac{2 k + 2}{\log (k + 1)}} \cdot {\small\frac{\log (2 k + 1)}{2 k + 1}} \right] \cdot {\small\frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = \left[ 1.7 \cdot {\small\frac{2 k + 2}{2 k + 1}} \cdot {\small\frac{\log (2 k + 2)}{\log (k + 1)}} \right] \cdot {\small\frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = \left[ 1.7 \cdot \left( 1 + {\small\frac{1}{2 k + 1}} \right) \cdot {\small\frac{\log (k + 1) + \log 2}{\log (k + 1)}} \right] \cdot {\small\frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = \left[ 1.7 \cdot \left( 1 + {\small\frac{1}{2 k + 1}} \right) \cdot \left( 1 + {\small\frac{\log 2}{\log (k + 1)}} \right) \right] \cdot {\small\frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad < 2 \cdot {\small\frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = 2 \cdot {\small\frac{n + 1}{\log (n + 1)}} }[/math]

Ostatnia nierówność wynika z faktu, że czynnik w nawiasie kwadratowym maleje wraz ze wzrostem [math]\displaystyle{ k }[/math] i dla [math]\displaystyle{ k = 63 }[/math] osiąga wartość [math]\displaystyle{ 1.9989 \ldots }[/math]
□

Wykładnik, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w [math]\displaystyle{ n! }[/math]

Uzyskanie kolejnych oszacowań wymaga znalezienia wykładnika, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] wchodzi do rozwinięcia współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} }[/math].

Definicja A14
Funkcję [math]\displaystyle{ \lfloor x \rfloor }[/math] (czytaj: całość z [math]\displaystyle{ x }[/math]) definiujemy jako największą liczbę całkowitą nie większą od [math]\displaystyle{ x }[/math]. Operacyjnie możemy ją zdefiniować następująco: niech liczby [math]\displaystyle{ x, \varepsilon \in \mathbb{R} }[/math], liczba [math]\displaystyle{ k \in \mathbb{Z} }[/math] oraz [math]\displaystyle{ 0 \leqslant \varepsilon < 1 }[/math], jeżeli [math]\displaystyle{ x = k + \varepsilon }[/math], to [math]\displaystyle{ \lfloor x \rfloor = \lfloor k + \varepsilon \rfloor = k }[/math].

Twierdzenie A15
Dla [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math], [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math] jest [math]\displaystyle{ \left \lfloor {\small\frac{x}{n}} \right\rfloor = \left \lfloor {\small\frac{\left \lfloor x \right \rfloor}{n}} \right \rfloor }[/math].

Dowód

Korzystając z definicji A14, przedstawmy liczbę w postaci [math]\displaystyle{ x = k + \varepsilon }[/math], gdzie [math]\displaystyle{ 0 \leqslant \varepsilon < 1 }[/math].

Z twierdzenia o dzieleniu z resztą liczbę [math]\displaystyle{ k }[/math] możemy zapisać w postaci [math]\displaystyle{ k = q n + r }[/math], gdzie [math]\displaystyle{ 0 \leqslant r \leqslant n - 1 }[/math], mamy zatem [math]\displaystyle{ x = q n + r + \varepsilon }[/math]. Ponieważ [math]\displaystyle{ 0 \leqslant r + \varepsilon < n }[/math], to po podzieleniu przez [math]\displaystyle{ n }[/math] dostajemy

[math]\displaystyle{ 0 \leqslant {\small\frac{r + \varepsilon}{n}} < 1 }[/math]

czyli

[math]\displaystyle{ \left \lfloor {\small\frac{x}{n}} \right \rfloor = \left \lfloor {\small\frac{qn + r + \varepsilon }{n}} \right \rfloor = \left \lfloor q + {\small\frac{r + \varepsilon }{n}} \right \rfloor = q }[/math]

Podobnie, ponieważ [math]\displaystyle{ 0 \leqslant r < n }[/math], to [math]\displaystyle{ 0 \leqslant {\small\frac{r}{n}} < 1 }[/math] i otrzymujemy

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{\left \lfloor x \right\rfloor}{n}} \right\rfloor = \left \lfloor {\small\frac{\left \lfloor qn + r + \varepsilon \right \rfloor}{n}} \right \rfloor = \left \lfloor {\small\frac{qn + r}{n}} \right \rfloor = \left \lfloor q + {\small\frac{r}{n}} \right \rfloor = q }[/math]

□

Twierdzenie A16
Niech [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math]. Liczba [math]\displaystyle{ \lfloor 2 x \rfloor - 2 \lfloor x \rfloor }[/math] przyjmuje wartości [math]\displaystyle{ 0 }[/math] lub [math]\displaystyle{ 1 }[/math].

Dowód

Niech [math]\displaystyle{ x = k + \varepsilon }[/math], gdzie [math]\displaystyle{ 0 \leqslant \varepsilon < 1 }[/math]. Mamy

[math]\displaystyle{ \lfloor 2 x \rfloor - 2 \lfloor x \rfloor = \lfloor 2 k + 2 \varepsilon \rfloor - 2 \lfloor k + \varepsilon \rfloor = 2 k + \lfloor 2 \varepsilon \rfloor - 2 k -2 \lfloor \varepsilon \rfloor = \lfloor 2 \varepsilon \rfloor }[/math]

Ponieważ [math]\displaystyle{ 0 \leqslant 2 \varepsilon < 2 }[/math], zatem [math]\displaystyle{ \lfloor 2 \varepsilon \rfloor = 0 }[/math] lub [math]\displaystyle{ \lfloor 2 \varepsilon \rfloor = 1 }[/math].
□

Bardzo istotnym rezultatem (z punktu widzenia przyszłych obliczeń) będzie znalezienie wykładnika, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w iloczynie [math]\displaystyle{ 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot n = n! }[/math]

Definicja A17
Niech [math]\displaystyle{ p }[/math] będzie liczbą pierwszą, zaś [math]\displaystyle{ a }[/math] dowolną liczbą naturalną. Jeżeli liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] wchodzi do rozwinięcia liczby naturalnej [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem [math]\displaystyle{ a }[/math], to powiemy, że funkcja [math]\displaystyle{ W_p (n) }[/math] przyjmuje wartość [math]\displaystyle{ a }[/math]. Fakt ten możemy zapisać następująco

[math]\displaystyle{ W_p (n) = a \qquad\qquad \iff \qquad\qquad p^{a} \mid n \qquad \text{i} \qquad p^{a + 1} \nmid n }[/math]

Przykład A18
[math]\displaystyle{ W_5 (100) = 2 }[/math], [math]\displaystyle{ W_7 (42) = 1 }[/math], ponieważ [math]\displaystyle{ 11! = 2^8 \cdot 3^4 \cdot 5^2 \cdot 7 \cdot 11 }[/math], to [math]\displaystyle{ W_3 (11!) = 4 }[/math]

Wprost z definicji funkcji [math]\displaystyle{ W_p (n) }[/math] wynikają następujące właściwości:

Twierdzenie A19

Podstawowe własności funkcji [math]\displaystyle{ W_p (n) }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\; W_p (n \cdot m) = W_p (n) + W_p (m) }[/math]
[math]\displaystyle{ \;\; W_p (n \cdot p^a) = a + W_p (n) }[/math]
[math]\displaystyle{ \;\; W_{p}\left ( {\small\frac{n}{m}} \right ) = W_{p}\left ( n \right ) - W_{p}\left ( m \right ) \quad \text{o ile} \quad {\small\frac{n}{m}}\in \mathbb{Z}_{+} }[/math]
[math]\displaystyle{ \;\; p \nmid n \quad\quad \iff \quad\quad W_p (n) = 0 }[/math]

Twierdzenie A20
Niech [math]\displaystyle{ p }[/math] będzie liczbą pierwszą. Ilość liczb podzielnych przez [math]\displaystyle{ p }[/math] i występujących w ciągu [math]\displaystyle{ 1, 2, 3, \ldots, n }[/math] wynosi [math]\displaystyle{ r = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor }[/math].

Dowód

Wśród liczb naturalnych [math]\displaystyle{ 1, 2, 3, \ldots, n }[/math] istnieje pewna ilość liczb podzielnych przez [math]\displaystyle{ p }[/math]. Liczby te możemy z łatwością wypisać, będą nimi

[math]\displaystyle{ 1 \cdot p, 2 \cdot p, 3 \cdot p, \ldots, r \cdot p }[/math]

Gdzie [math]\displaystyle{ r }[/math] jest największą liczbą całkowitą nie większą niż [math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{p}} }[/math], czyli [math]\displaystyle{ r = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor }[/math].
□

Przykład A21
Ilość liczb całkowitych dodatnich podzielnych przez [math]\displaystyle{ 5 }[/math] i nie większych od [math]\displaystyle{ 63 }[/math] wynosi [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{63}{5}} \right\rfloor = 12 }[/math]. Liczby te to [math]\displaystyle{ 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 }[/math].

Twierdzenie A20 umożliwi nam określenie wykładnika, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w [math]\displaystyle{ n! }[/math]

Twierdzenie A22
Liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w iloczynie [math]\displaystyle{ n! }[/math] z wykładnikiem [math]\displaystyle{ W_p (n!) = \sum_{k = 1}^{\infty} \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor }[/math]

Dowód

Dowód sprowadza się do znalezienia wartości funkcji [math]\displaystyle{ W_p (n!) }[/math].

[math]\displaystyle{ W_p (n!) = W_p (1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot n) = W_p \left( p \cdot 2 p \cdot 3 p \cdot \ldots \cdot \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \cdot p \right) }[/math]

Pozostawiliśmy jedynie czynniki podzielne przez [math]\displaystyle{ p }[/math] (czynniki niepodzielne przez [math]\displaystyle{ p }[/math] nie dają wkładu do wykładnika, z jakim [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w [math]\displaystyle{ n! }[/math]), wyłączając czynnik [math]\displaystyle{ p }[/math] z każdej z liczb [math]\displaystyle{ p, 2 p, 3 p, \ldots, \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \cdot p }[/math] mamy

[math]\displaystyle{ W_p (n!) = W_p \left( p^{\lfloor n / p \rfloor} \cdot 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \right) = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor + W_p \left( 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \right) }[/math]

Otrzymane wyrażenie przekształcamy analogicznie jak wyżej

[math]\displaystyle{ W_p (n!) = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor + W_p \left( p \cdot 2 p \cdot 3 p \cdot \ldots \cdot \left\lfloor {\small\frac{\lfloor n / p \rfloor}{p}} \right\rfloor \cdot p \right) }[/math]

Z twierdzenia A15 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math] i [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_{+} }[/math] jest:

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{\lfloor x \rfloor}{n}} \right\rfloor = \left \lfloor {\small\frac{x}{n}} \right \rfloor }[/math]

zatem

[math]\displaystyle{ W_p (n!) = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor + W_p \left( p \cdot 2 p \cdot 3 p \cdot \ldots \cdot \left\lfloor {\small\frac{n}{p^2}} \right\rfloor \cdot p \right) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\, = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor + W_p \left( p^{\lfloor n / p^2 \rfloor} \cdot 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left\lfloor {\small\frac{n}{p^2}} \right\rfloor \right) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\, = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor + \left\lfloor {\small\frac{n}{p^2}} \right\rfloor + W_p \left( 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left\lfloor {\small\frac{n}{p^2}} \right\rfloor \right) }[/math]

Oczywiście opisaną wyżej procedurę możemy powtarzać wielokrotnie. Zakończenie następuje wtedy, gdy wykładnik liczby pierwszej [math]\displaystyle{ p }[/math] osiągnie wartość tak dużą, że [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math]. Ponieważ nie wiemy, jaka to wartość (choć możemy ją oszacować), to stosujemy zapis

[math]\displaystyle{ W_p (n!) = \sum_{k = 1}^{\infty} \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor }[/math]

zdając sobie sprawę z tego, że w rzeczywistości sumowanie obejmuje jedynie skończoną liczbę składników.
□

Uwaga A23
Łatwo zauważymy, że liczba sumowań jest skończona, gdy powyższy wzór zapiszemy w postaci

[math]\displaystyle{ W_p (n!) = \sum_{k = 1}^B \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor }[/math]

gdzie [math]\displaystyle{ B = \lfloor \log_2 (n) \rfloor }[/math]. Jest tak dlatego, że jeżeli [math]\displaystyle{ k }[/math] przekroczy [math]\displaystyle{ \lfloor \log_2 (n) \rfloor }[/math], to dla liczby pierwszej [math]\displaystyle{ p = 2 }[/math], jak również dla wszystkich innych liczb pierwszych, mamy

[math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{p^k}} < 1 }[/math]

czyli dla [math]\displaystyle{ k > B }[/math] sumujemy same zera.

Przykład A24
Niech [math]\displaystyle{ n = 30 }[/math], [math]\displaystyle{ p = 3 }[/math]

[math]\displaystyle{ W_3 (30!) = W_3 (1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4 \cdot \ldots \cdot 30) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = W_3 (3\cdot 6 \cdot 9 \cdot 12 \cdot 15 \cdot 18 \cdot 21 \cdot 24 \cdot 27 \cdot 30) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = W_3 (3^{10} \cdot 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4 \cdot 5 \cdot 6 \cdot 7 \cdot 8 \cdot 9 \cdot 10) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = 10 + W_3 (1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4 \cdot 5 \cdot 6 \cdot 7 \cdot 8 \cdot 9 \cdot 10) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = 10 + W_3 (3 \cdot 6 \cdot 9) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = 10 + W_3 (3^3 \cdot 1 \cdot 2 \cdot 3) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = 10 + 3 + W_3 (1 \cdot 2 \cdot 3) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = 10 + 3 + W_3 (3) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = 10 + 3 + 1 = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = 14 }[/math]

Co jest zgodne ze wzorem:

[math]\displaystyle{ W_3 (30!) = \left\lfloor {\small\frac{30}{3}} \right\rfloor + \left\lfloor {\small\frac{30}{3^2}} \right\rfloor + \left\lfloor {\small\frac{30}{3^3}} \right\rfloor = 10 + 3 + 1 = 14 }[/math]

Podobnie jak w poprzednim podrozdziale będziemy badali współczynnik dwumianowy postaci [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math]. Teraz już łatwo możemy policzyć wykładnik, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze tego współczynnika dwumianowego.

Twierdzenie A25
Liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] z wykładnikiem

[math]\displaystyle{ u = \sum^{\infty}_{k = 1} \left( \left \lfloor {\small\frac{2n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right) }[/math]

Dowód

Ponieważ [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} }[/math], to liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] z wykładnikiem:

[math]\displaystyle{ W_p \left( {\small\binom{2 n}{n}} \right) = W_p ((2 n) !) - 2 W_p (n!) = \sum^{\infty}_{k = 1} \left \lfloor {\small\frac{2n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \sum^{\infty}_{k = 1} \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor = \sum^{\infty}_{k = 1} \left( \left \lfloor {\small\frac{2n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right) }[/math]

□

Twierdzenie A26
Liczby pierwsze spełniające warunek [math]\displaystyle{ p > \sqrt{2 n} }[/math] występują w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem [math]\displaystyle{ u = 1 }[/math] lub [math]\displaystyle{ u = 0 }[/math].

Dowód

Jeżeli [math]\displaystyle{ p > \sqrt{2 n} }[/math], to dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math] mamy [math]\displaystyle{ p^k \geqslant p^2 > 2 n > n }[/math]. Zatem dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math] jest [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math] i otrzymujemy

[math]\displaystyle{ u = \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) = \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p}} \right \rfloor }[/math]

Na mocy twierdzenia A16 (dla [math]\displaystyle{ x = \tfrac{n}{p} }[/math]), dostajemy natychmiast, że [math]\displaystyle{ u = 1 }[/math] lub [math]\displaystyle{ u = 0 }[/math].
□

Twierdzenie A27
Niech [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{N}_0 \, }[/math] i [math]\displaystyle{ \, p }[/math] będzie liczbą pierwszą. Jeżeli [math]\displaystyle{ p^a \biggr\rvert {\small\binom{2 n}{n}} }[/math], to [math]\displaystyle{ p^a \leqslant 2 n }[/math]. Równość w tym oszacowaniu jest możliwa tylko w przypadku, gdy [math]\displaystyle{ n = 1 }[/math] (wtedy [math]\displaystyle{ p = 2 \; }[/math] i [math]\displaystyle{ \; a = 1 }[/math]).

Dowód

Niech [math]\displaystyle{ u }[/math] oznacza wykładnik, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] wchodzi do rozwinięcia współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze. Mamy

[math]\displaystyle{ u = \sum_{k = 1}^{\infty} \left( \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor \right) }[/math]

gdzie sumowanie przebiega w rzeczywistości od [math]\displaystyle{ k = 1 }[/math] do [math]\displaystyle{ k = s }[/math], a wartość liczby [math]\displaystyle{ s }[/math] wynika z warunku [math]\displaystyle{ p^s \leqslant 2 n < p^{s + 1} }[/math]. Ponieważ sumowane wyrazy są równe [math]\displaystyle{ 0 }[/math] lub [math]\displaystyle{ 1 }[/math], to otrzymujemy natychmiast oszacowanie [math]\displaystyle{ u \leqslant s }[/math], skąd wynika następujący ciąg nierówności

[math]\displaystyle{ p^a \leqslant p^u \leqslant p^s \leqslant 2 n }[/math]

Rozważmy przypadek, gdy [math]\displaystyle{ p^a = 2 n }[/math]. Liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] nie może być liczbą nieparzystą, bo po prawej stronie równości mamy liczbę parzystą. Zatem może jedynie być [math]\displaystyle{ p = 2 }[/math] i nie może być [math]\displaystyle{ a = 0 . }[/math] Czyli dostajemy [math]\displaystyle{ 2^a = 2 n }[/math], a stąd [math]\displaystyle{ n = 2^{a - 1} \; }[/math] i [math]\displaystyle{ \; a \geqslant 1 }[/math].

Zauważmy teraz, że dla [math]\displaystyle{ a \geqslant 1 }[/math] mamy

[math]\displaystyle{ \sum_{k = 1}^{\infty} \left( \left\lfloor {\small\frac{2^a}{2^k}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{2^{a - 1}}{2^k}} \right\rfloor \right) = \sum_{k = 1}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor - 2 \sum_{k = 1}^{a - 1} \lfloor 2^{a - (k + 1)} \rfloor }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = \sum_{k = 1}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor - 2 \sum_{j = 2}^{a} \lfloor 2^{a - j} \rfloor }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = \lfloor 2^{a - 1} \rfloor + \sum_{k = 2}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor - 2 \sum_{j = 2}^{a} \lfloor 2^{a - j} \rfloor }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = \lfloor 2^{a - 1} \rfloor - \sum_{k = 2}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = 2 \lfloor 2^{a - 1} \rfloor - \sum_{k = 1}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = 2^a - \sum_{k = 1}^{a} 2^{a - k} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = 2^a - 2^a \sum_{k = 1}^{a} {\small\frac{1}{2^k}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = 1 }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ a = \sum_{k = 1}^{\infty} \left( \left\lfloor {\small\frac{2 n}{2^k}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{2^k}} \right\rfloor \right) = \sum_{k = 1}^{\infty} \left( \left\lfloor {\small\frac{2^a}{2^k}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{2^{a - 1}}{2^k}} \right\rfloor \right) = 1 }[/math]

Wynika stąd, że [math]\displaystyle{ n = 2^{a - 1} = 1 }[/math]. Istotnie, dla [math]\displaystyle{ n = 1 }[/math] dostajemy

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\binom{2}{1}} = 2 }[/math]

Widzimy, że dla [math]\displaystyle{ p = 2 \; }[/math] i [math]\displaystyle{ \; n = 1 \; }[/math] jest [math]\displaystyle{ \; p \biggr\rvert {\small\binom{2 n}{n}} \; }[/math] i [math]\displaystyle{ \; p = 2 n }[/math]. Co należało pokazać.
□

Oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n }[/math] od góry i [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od dołu

Z twierdzenia A27 wynika natychmiast

Twierdzenie A28
Niech [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = q^{\alpha_1}_1 \cdot \ldots \cdot q^{\alpha_s}_s }[/math] będzie rozkładem współczynnika dwumianowego na czynniki pierwsze. Dla każdej liczby pierwszej [math]\displaystyle{ q_i }[/math], [math]\displaystyle{ i = 1, \ldots, s }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ q^{\alpha_i}_i \leqslant 2 n }[/math].

Uwaga: w powyższym twierdzeniu [math]\displaystyle{ q_i }[/math] nie oznacza [math]\displaystyle{ i }[/math]-tej liczby pierwszej, a pewną liczbą pierwszą o indeksie [math]\displaystyle{ i }[/math] ze zboru liczb pierwszych [math]\displaystyle{ q_1, \ldots q_s }[/math], które wchodzą do rozkładu współczynnika dwumianowego na czynniki pierwsze z wykładnikiem większym od zera.

Twierdzenie A29
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwe jest następujące oszacowanie współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math]

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)} }[/math]

Dowód

Dowód wynika natychmiast z twierdzenia A28, bo

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = q^{\alpha_1}_1 \cdot \ldots \cdot q^{\alpha_s}_s \leqslant (2 n)^s \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)} }[/math]

□

Twierdzenie A30
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] prawdziwe jest następujące oszacowanie

[math]\displaystyle{ \pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

Dowód

W twierdzeniu A4 oszacowaliśmy współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math]. Przepiszemy, to twierdzenie w postaci bardziej czytelnej dla potrzeb tego dowodu

[math]\displaystyle{ \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 2} = 3.8^{n + 1} < {\small\binom{2 n}{n}} }[/math]

Nierówności te są prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 80 }[/math]. Z twierdzenia A29 mamy

[math]\displaystyle{ \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} < {\small\binom{2 n}{n}} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)} }[/math]

Łącząc odpowiednie oszacowania współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] od góry z odpowiednimi oszacowaniami od dołu, dostajemy

[math]\displaystyle{ (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} }[/math]

[math]\displaystyle{ (2 n)^{\pi (2 n)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n} }[/math]

Zatem zarówno dla parzystych, jak i nieparzystych liczb [math]\displaystyle{ m \geqslant 160 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ m^{\pi (m)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^m }[/math]

[math]\displaystyle{ \pi (m) \cdot \log m > m \cdot \log \left( \sqrt{3.8} \right) }[/math]

Czyli

[math]\displaystyle{ \pi (m) > {\small\frac{1}{2}} \cdot \log \left ( 3.8 \right ) \cdot {\small\frac{m}{\log m}} > 0.6675 \cdot {\small\frac{m}{\log m}} > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{m}{\log m}} }[/math]

Dla [math]\displaystyle{ m = 3, 4, \ldots, 159 }[/math] prawdziwość nierówności sprawdzamy przez bezpośrednie wyliczenie. W programie GP/PARI wystarczy wykonać polecenie

for(n = 2, 200, if( primepi(n) <= 2/3 * n/log(n), print(n) ))

□

Twierdzenie A31
Niech [math]\displaystyle{ a \in \mathbb{R}_+ }[/math]. Ciąg [math]\displaystyle{ u_n = {\small\frac{n^a}{\log n}} }[/math] jest ciągiem silnie rosnącym dla [math]\displaystyle{ n > e^{1 / a} }[/math].

Dowód

Zauważmy, że dowodzone twierdzenie jest uogólnieniem twierdzenia A7. Rozważmy funkcję zmiennej rzeczywistej [math]\displaystyle{ f(x) = {\small\frac{x^a}{\log x}} }[/math]. Pochodna funkcji [math]\displaystyle{ f(x) }[/math] jest równa

[math]\displaystyle{ f' (x) = {\small\frac{x^{a - 1}}{\log^2 x}} \cdot (a \log x - 1) \qquad }[/math] (WolframAlpha)

Dla [math]\displaystyle{ x \in (0, 1) }[/math] mamy [math]\displaystyle{ \log x < 0 }[/math] i pochodna [math]\displaystyle{ f' (x) }[/math] jest ujemna.

Dla [math]\displaystyle{ x > 1 }[/math] mamy [math]\displaystyle{ \log x > 0 }[/math] i pochodna [math]\displaystyle{ f' (x) }[/math] jest dodatnia, gdy

[math]\displaystyle{ a \log x - 1 > 0 }[/math]

[math]\displaystyle{ \log x > {\small\frac{1}{a}} }[/math]

[math]\displaystyle{ x > e^{1 / a} }[/math]

Wynika stąd, że funkcja [math]\displaystyle{ f(x) }[/math] jest silnie rosnąca dla [math]\displaystyle{ x > e^{1 / a} }[/math].

Zauważmy, że ciąg [math]\displaystyle{ u_n = {\small\frac{n^a}{\log n}} }[/math] to wartości funkcji [math]\displaystyle{ f(x) }[/math] w punktach całkowitych [math]\displaystyle{ x = n }[/math], zatem otrzymujemy

[math]\displaystyle{ u_{n + 1} = f (n + 1) > f (n) = u_n \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n > e^{1 / a} }[/math]

Co należało pokazać.
□

Przykład A32
Zauważmy, że prawdziwe jest proste stwierdzenie

Jeżeli ciąg [math]\displaystyle{ u_n }[/math] jest rosnący dla [math]\displaystyle{ n > n_0 }[/math] oraz istnieje takie [math]\displaystyle{ n_1 > n_0 }[/math], że [math]\displaystyle{ u_{n_1} > 0 }[/math], to dla wszystkich [math]\displaystyle{ n \geqslant n_1 }[/math] mamy [math]\displaystyle{ u_n > 0 }[/math].

Podkreślmy, że liczba [math]\displaystyle{ n_1 }[/math] może być znaleziona różnymi metodami i nie musimy wyjaśniać, jak ją znaleźliśmy.

Dla przykładu rozważmy problem z twierdzenia A33. Pokazujemy tam, że dla odpowiednio dużego [math]\displaystyle{ n }[/math] jest

[math]\displaystyle{ u_n = {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n^{1 / 4}}{\log n}} - 1 > 0 }[/math]

Istotnie, ciąg [math]\displaystyle{ {\small\frac{n^{1 / 4}}{\log n}} }[/math] jest silnie rosnący dla [math]\displaystyle{ n > e^4 \approx 54.6 }[/math] (zobacz A31). Również ciąg [math]\displaystyle{ u_n = {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n^{1 / 4}}{\log n}} - 1 }[/math] jest silnie rosnący dla [math]\displaystyle{ n > e^4 }[/math] (zobacz C4).

Mamy też

[math]\displaystyle{ u_{83500} \approx 0.00000167 > 0 }[/math]

Oczywiście [math]\displaystyle{ 83500 > e^4 }[/math], zatem ciąg [math]\displaystyle{ {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n^{1 / 4}}{\log n}} - 1 }[/math] jest większy od zera dla wszystkich [math]\displaystyle{ n \geqslant 83500 }[/math].

Zastosowane wyżej podejście może być wykorzystane w dowodach twierdzeń A33, A34, B12 itd.

Twierdzenie A33
Niech [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math]. Dla [math]\displaystyle{ n }[/math]-tej liczby pierwszej [math]\displaystyle{ p_n }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n < 2 n \log n }[/math]

Dowód

Rozpoczniemy od pokazania, że dla [math]\displaystyle{ x > 83499.14 }[/math] prawdziwe jest następujące oszacowanie funkcji [math]\displaystyle{ \log x }[/math] od góry

[math]\displaystyle{ \log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 4} }[/math]

Wiemy, że dla dowolnego [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math] istnieje takie [math]\displaystyle{ x_0 }[/math], że dla [math]\displaystyle{ x > x_0 }[/math] jest [math]\displaystyle{ \log x < x^{1 / n} }[/math]. Zatem dla odpowiednio dużych [math]\displaystyle{ x }[/math] z pewnością będzie [math]\displaystyle{ \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} > \log x \, }[/math]^[a]. Zamieszczony niżej obrazek przedstawia wykres funkcji [math]\displaystyle{ f( x ) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} - \log x }[/math].

Wpisując w PARI/GP polecenie

solve(x = 80000, 10^5, 2/3 * x^(1/4) - log(x))

wyliczamy, że funkcja [math]\displaystyle{ f( x ) }[/math] przecina oś [math]\displaystyle{ O X }[/math] w punkcie [math]\displaystyle{ x = 83499.136 \ldots }[/math] Wynika stąd, że dla [math]\displaystyle{ x > 83499.14 }[/math] prawdziwa jest nierówność

[math]\displaystyle{ \log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 4} }[/math]

Z twierdzenia A30 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]. Kładąc [math]\displaystyle{ n = p_k }[/math], otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math]

[math]\displaystyle{ k = \pi (p_k) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{p_k}{\log p_k}} }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot \log p_k \qquad \qquad (1) }[/math]

Korzystając z wcześniej pokazanego oszacowania, otrzymujemy nierówność prawdziwą dla [math]\displaystyle{ p_k > 83499 }[/math]

[math]\displaystyle{ p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{2}{3}} \cdot (p_k)^{1 / 4} }[/math]

czyli

[math]\displaystyle{ (p_k)^{3 / 4} < k }[/math]

[math]\displaystyle{ p_k < k^{4 / 3} }[/math]

Wstawiając to oszacowanie ponownie do [math]\displaystyle{ (1) }[/math], dostajemy

[math]\displaystyle{ p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{4}{3}} \cdot \log k = 2 k \log k }[/math]

Wpisując w PARI/GP polecenie

for(k = 1, 10^5, p = prime(k); if( p > 83499, print("end"); break() ); if( p >= 2 * k * log(k), print(k) ))

łatwo sprawdzamy, że oszacowanie [math]\displaystyle{ p_k < 2 k \log k }[/math] jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 3 }[/math].

[a] Bardziej precyzyjnie: pochodna funkcji [math]\displaystyle{ f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} - \log x }[/math] jest równa [math]\displaystyle{ {\small\frac{1}{6 x^{3 / 4}}} - {\small\frac{1}{x}} }[/math] (zobacz WolframAlpha). Łatwo sprawdzamy, że pochodna jest ujemna w przedziale [math]\displaystyle{ (0, 1296) }[/math] i dodatnia w przedziale [math]\displaystyle{ (1296, \infty) }[/math]. Wynika stąd, że funkcja [math]\displaystyle{ f( x ) }[/math] jest funkcją malejącą dla [math]\displaystyle{ x < 1296 }[/math] i rosnącą dla [math]\displaystyle{ x > 1296 }[/math].
□

Dowód twierdzenia A33 kończy dowód całego twierdzenia A1. Możemy teraz dokończyć dowód twierdzenia A8 i pokazać, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie:

[math]\displaystyle{ p_1 \cdot \ldots \cdot p_n < (n \log n)^n }[/math]

Dowód

Indukcja matematyczna. Twierdzenie jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 3 }[/math]. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla [math]\displaystyle{ n }[/math], otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math]:

[math]\displaystyle{ p_1 \cdot \ldots \cdot p_n p_{n + 1} < (n \log n)^n \cdot p_{n + 1} < }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad < n^n \cdot (\log n)^n \cdot 2 (n + 1) \log (n + 1) \leqslant }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \leqslant n^n \cdot \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n \cdot (n + 1) \cdot (\log n)^n \cdot \log (n + 1) < }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad < (n + 1)^{n + 1} \cdot [\log (n + 1)]^n \cdot \log (n + 1) = }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad = [(n + 1) \cdot \log (n + 1)]^{n + 1} }[/math]

Gdzie skorzystaliśmy z twierdzenia A33 oraz z faktu, że ciąg [math]\displaystyle{ a_n = \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n }[/math] jest ciągiem ograniczonym [math]\displaystyle{ 2 \leqslant a_n < 3 }[/math] (zobacz twierdzenie A6).
□

Uwagi do dowodu

Wydłużając znacząco czas obliczeń, moglibyśmy nieco poprawić uzyskane wyżej oszacowanie i udowodnić

Twierdzenie A34
Niech [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math]. Dla [math]\displaystyle{ n }[/math]-tej liczby pierwszej [math]\displaystyle{ p_n }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n < 1.875 \cdot n \log n }[/math]

Dowód

Rozpoczniemy od pokazania, że dla [math]\displaystyle{ x > 7572437.23 }[/math] prawdziwe jest następujące oszacowanie funkcji [math]\displaystyle{ \log x }[/math] od góry

[math]\displaystyle{ \log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 5} }[/math]

Wiemy, że dla dowolnego [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math] istnieje takie [math]\displaystyle{ x_0 }[/math], że dla [math]\displaystyle{ x > x_0 }[/math] jest [math]\displaystyle{ \log x < x^{1 / n} }[/math]. Zatem dla odpowiednio dużych [math]\displaystyle{ x }[/math] z pewnością będzie [math]\displaystyle{ \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} > \log x \, }[/math]^[a]. Wpisując w PARI/GP polecenie

solve(x = 10^6, 10^7, 2/3 * x^(1/5) - log(x))

wyliczamy, że funkcja [math]\displaystyle{ f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} - \log x }[/math] przecina oś [math]\displaystyle{ O X }[/math] w punkcie [math]\displaystyle{ x = 7572437.223 \ldots }[/math] Wynika stąd, że dla [math]\displaystyle{ x > 7572437.23 }[/math] prawdziwa jest nierówność

[math]\displaystyle{ \log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 5} }[/math]

Z twierdzenia A30 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]. Kładąc [math]\displaystyle{ n = p_k }[/math], otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math]

[math]\displaystyle{ k = \pi (p_k) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{p_k}{\log p_k}} }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot \log p_k \qquad \qquad (1) }[/math]

Korzystając z wcześniej pokazanego oszacowania, otrzymujemy nierówność prawdziwą dla [math]\displaystyle{ p_k > 7572437 }[/math]

[math]\displaystyle{ p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{2}{3}} \cdot (p_k)^{1 / 5} }[/math]

czyli

[math]\displaystyle{ (p_k)^{4 / 5} < k }[/math]

[math]\displaystyle{ p_k < k^{5 / 4} }[/math]

Wstawiając to oszacowanie ponownie do [math]\displaystyle{ (1) }[/math], dostajemy

[math]\displaystyle{ p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{5}{4}} \cdot \log k = 1.875 \cdot k \log k }[/math]

Wpisując w PARI/GP polecenie

for(k = 1, 10^7, p = prime(k); if( p > 7572437, print("end"); break() ); if( p >= 2 * k * log(k), print(k) ))

łatwo sprawdzamy, że oszacowanie [math]\displaystyle{ p_k < 1.875 \cdot k \log k }[/math] jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 3 }[/math].

[a] Bardziej precyzyjnie: pochodna funkcji [math]\displaystyle{ f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} - \log x }[/math] jest równa [math]\displaystyle{ {\small\frac{2}{15 x^{4 / 5}}} - {\small\frac{1}{x}} }[/math] (zobacz WolframAlpha). Łatwo sprawdzamy, że pochodna jest ujemna w przedziale [math]\displaystyle{ (0, 23730.46875) }[/math] i dodatnia w przedziale [math]\displaystyle{ (23730.46875, \infty) }[/math]. Wynika stąd, że funkcja [math]\displaystyle{ f( x ) }[/math] jest funkcją malejącą dla [math]\displaystyle{ x < 23730.46875 }[/math] i rosnącą dla [math]\displaystyle{ x > 23730.46875 }[/math].
□

Twierdzenie A35
Niech [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math]. Dla funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] prawdziwe jest oszacowanie

[math]\displaystyle{ \pi (n) < 1.733 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

Dowód

Z twierdzenia A1 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ \pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} > n^{4 / 5} }[/math]

Ostatnia nierówność wynika z faktu, że dla [math]\displaystyle{ x > 7572437.223 \ldots }[/math] prawdziwe jest oszacowanie

[math]\displaystyle{ {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{x}{\log x}} > x^{4 / 5} }[/math]

Korzystając z twierdzenia A10 możemy napisać ciąg nierówności

[math]\displaystyle{ 4^n > P (n) = p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_{\pi (n)} > \pi (n)^{\pi (n)} > (n^{4 / 5})^{\pi (n)} = n^{4 \pi (n) / 5} }[/math]

skąd otrzymujemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 7572438 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie

[math]\displaystyle{ \pi (n) < 1.733 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

W GP/PARI sprawdzamy, że otrzymana nierówność jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math]

for(n = 2, 8*10^6, if( primepi(n) >= 1.733 * n/log(n), print(n) ))

□

Uwaga A36
Dowód twierdzenia A34 wymagał wykorzystania polecenia PARI/GP, w którym wielokrotnie była wywoływana funkcja prime(n). Analogiczna sytuacja miała miejsce w przypadku twierdzenia A35 – tam musieliśmy wielokrotnie wywoływać funkcję primepi(n). Znacznie lepiej w takim przypadku jest napisać krótki program, który zamiast wielokrotnie wywoływać te funkcje, będzie je obliczał w sposób ciągły w całym testowanym przedziale wartości. Taka zmiana znacząco skraca czas obliczeń. Podane niżej programy Test1(n) i Test2(n) wywołane z parametrami n = 520000 i odpowiednio n = 8*10^6 odpowiadają poleceniom

for(s = 1, 520000, if( prime(s) >= s^(5/4), print(s) ))

for(n = 2, 8 * 10^6, if( primepi(n) >= 1.733 * n / log(n), print(n) ))

ale wykonywane są znacznie szybciej.

Test1(n) = 
\\ test oszacowania: prime(k) >= k^(5/4) dla 1 <= k <= n
\\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji prime(k)
{
local(p, k);
k = 1;
p = 2;
while( k <= n,
       if( p >= k^(5/4), print(k) );
       k = k + 1;
       p = nextprime(p + 1);  \\ liczba p ma wartość prime(k)
     );
}

Test2(n) = 
\\ test oszacowania: primepi(k) < 1.733*k/log(k) dla 2 <= k <= n 
\\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji primepi(k)
{
local(s, k);
s = 1;
k = 2;
while( k <= n,
       if( s >= 1.733 * k / log(k), print(k) );
       k = k + 1;
       s = s + isprime(k);  \\ dla kolejnych k liczba s ma wartość primepi(k)
     );
}

Uwaga A37
Czytelnik nie powinien mieć złudzeń, że postępując podobnie, uzyskamy istotne polepszenie oszacowania funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] lub [math]\displaystyle{ p_n }[/math]. Już osiągnięcie tą drogą oszacowania [math]\displaystyle{ p_n < 1.6 \cdot n \log n }[/math] przekracza możliwości obliczeniowe współczesnych komputerów. Wystarczy zauważyć, że nierówność

[math]\displaystyle{ \log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 16} }[/math]

jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ x > 7.671 \cdot 10^{32} }[/math].

Zastosowania

Ciekawy rezultat wynika z twierdzenia A8, ale wcześniej musimy udowodnić twierdzenie o średniej arytmetycznej i geometrycznej.

Twierdzenie A38
Dla dowolnych liczb dodatnich [math]\displaystyle{ a_1, a_2, \ldots, a_n }[/math] średnia arytmetyczna jest nie mniejsza od średniej geometrycznej

[math]\displaystyle{ {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_n}{n}} \geqslant \sqrt[n]{a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_n} }[/math]

Dowód

Twierdzenie jest w sposób oczywisty prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 1 }[/math]. Równie łatwo stwierdzamy prawdziwość nierówności dla [math]\displaystyle{ n = 2 }[/math]

[math]\displaystyle{ (a_1 - a_2)^2 \geqslant 0 }[/math]

[math]\displaystyle{ a^2_1 - 2 a_1 a_2 + a^2_2 \geqslant 0 }[/math]

[math]\displaystyle{ a^2_1 + 2 a_1 a_2 + a^2_2 \geqslant 4 a_1 a_2 }[/math]

[math]\displaystyle{ (a_1 + a_2)^2 \geqslant 4 a_1 a_2 }[/math]

[math]\displaystyle{ {\small\frac{a_1 + a_2}{2}} \geqslant \sqrt{a_1 a_2} }[/math]

Dla potrzeb dowodu zapiszemy dowodzoną nierówność w postaci

[math]\displaystyle{ \left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_n}{n}} \right)^n \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_n }[/math]

Zakładając, że twierdzenie jest prawdziwe dla wszystkich liczb całkowitych dodatnich nie większych od [math]\displaystyle{ n }[/math] dla [math]\displaystyle{ n + 1 }[/math] mamy

a) w przypadku gdy [math]\displaystyle{ n + 1 = 2 k }[/math] jest liczbą parzystą

[math]\displaystyle{ \left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{n + 1}}{n + 1}} \right)^{n + 1} = \left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k}}{2 k}} \right)^{2 k} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = \left[ \left( \frac{ \tfrac{a_{\large 1} + a_{\large 2}}{2} + \tfrac{a_{\large 3} + a_{\large 4}}{2} + \ldots + \tfrac{a_{\large 2 k - 1} + a_{\large 2 k}}{2}}{k} \right)^k \right]^2 \geqslant }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, \geqslant \left( {\small\frac{a_1 + a_2}{2}} \cdot {\small\frac{a_3 + a_4}{2}} \cdot \ldots \cdot {\small\frac{a_{2 k - 1} + a_{2 k}}{2}} \right)^2 \geqslant }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, \geqslant \left( \sqrt{a_1 a_2} \cdot \sqrt{a_3 a_4} \cdot \ldots \cdot \sqrt{a_{2 k - 1} a_{2 k}} \right)^2 = }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k} = }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, = a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{n + 1} }[/math]

Gdzie skorzystaliśmy z założenia indukcyjnego i prawdziwości dowodzonego twierdzenia dla [math]\displaystyle{ n = 2 }[/math].

b) w przypadku gdy [math]\displaystyle{ n + 1 = 2 k - 1 }[/math] jest liczbą nieparzystą, możemy skorzystać z udowodnionego wyżej punktu a) dla parzystej ilości liczb

[math]\displaystyle{ a_1, a_2, \ldots, a_{2 k - 1}, S }[/math]

gdzie przez [math]\displaystyle{ S }[/math] oznaczyliśmy średnią arytmetyczną liczb [math]\displaystyle{ a_1, a_2, \ldots, a_{2 k - 1} }[/math]

[math]\displaystyle{ S = {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1}}{2 k - 1}} }[/math]

Na mocy punktu a) prawdziwa jest nierówność

[math]\displaystyle{ \left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1} + S}{2 k}} \right)^{2 k} = \left( {\small\frac{(2 k - 1) S + S}{2 k}} \right)^{2 k} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1} \cdot S }[/math]

Skąd otrzymujemy

[math]\displaystyle{ S^{2 k} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1} \cdot S }[/math]

[math]\displaystyle{ S^{2 k - 1} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1} }[/math]

Co należało pokazać.
□

Twierdzenie A39
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwa jest nierówność [math]\displaystyle{ p_1 + p_2 + \ldots + p_n > n^2 }[/math].

Dowód

Korzystając z twierdzeń A8 i A38, możemy napisać następujący ciąg nierówności dla [math]\displaystyle{ n }[/math] kolejnych liczb pierwszych

[math]\displaystyle{ {\small\frac{p_1 + p_2 + \ldots + p_n}{n}} \geqslant \sqrt[n]{p_1 \cdot p_2 \cdot \ldots \cdot p_n} > \sqrt[n]{n^n} = n }[/math]

Stąd otrzymujemy natychmiast tezę twierdzenia, którą sprawdzamy dla [math]\displaystyle{ n < 13 }[/math]. Do sprawdzenia można wykorzystać proste polecenie w PARI/GP

for(n = 1, 20, s = 0; for(k = 1, n, s = s + prime(k)); if( s <= n^2, print(n) ))

□

Twierdzenie A1 pozwala nam udowodnić różne oszacowania funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] i [math]\displaystyle{ p_n }[/math], które byłyby trudne do uzyskania inną drogą. Wykorzystujemy do tego znany fakt, że dla dowolnego [math]\displaystyle{ \varepsilon > 0 }[/math] istnieje takie [math]\displaystyle{ n_0 }[/math], że dla każdego [math]\displaystyle{ n > n_0 }[/math] prawdziwa jest nierówność [math]\displaystyle{ \log x < x^{\varepsilon} }[/math]. Inaczej mówiąc, funkcja [math]\displaystyle{ \log x }[/math] rośnie wolniej niż najwolniej rosnąca funkcja potęgowa. Nim przejdziemy do dowodu takich przykładowych oszacowań, udowodnimy pomocnicze twierdzenie, które wykorzystamy przy szacowaniu.

Twierdzenie A40
Prawdziwe są następujące nierówności:

1. [math]\displaystyle{ e^x > x \qquad \qquad \qquad \quad \:\, }[/math] dla każdego [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math]

2. [math]\displaystyle{ e^x \geqslant x + 1 \qquad \qquad \quad \;\:\, }[/math] dla każdego [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math] (równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy [math]\displaystyle{ x = 0 }[/math])

3. [math]\displaystyle{ e^x > 2 x \qquad \qquad \qquad \;\;\,\, }[/math] dla każdego [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math]

4. [math]\displaystyle{ \log x < n \cdot x^{1 / n} \qquad \quad \;\;\: }[/math] dla każdego [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R}_+ }[/math] i dowolnego [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math]

5. [math]\displaystyle{ \log x < \tfrac{1}{2} n \cdot x^{1 / n} \qquad \quad }[/math] dla każdego [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R}_+ }[/math] i dowolnego [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math]

6. [math]\displaystyle{ \log x \leqslant n (x^{1 / n} - 1) \qquad }[/math] dla każdego [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R}_+ }[/math] i dowolnego [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math] (równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy [math]\displaystyle{ x = 1 }[/math])

7. [math]\displaystyle{ \log x < {\small\frac{1}{\varepsilon}} \cdot x^{\varepsilon} \qquad \qquad \:\, }[/math] dla każdego [math]\displaystyle{ x , \varepsilon \in \mathbb{R}_+ }[/math]

Dowód

Nim przejdziemy do dowodu trzech pierwszych punktów, pokażemy, że funkcja [math]\displaystyle{ e^x }[/math] jest funkcją dodatnią. Ponieważ funkcję [math]\displaystyle{ e^x }[/math] możemy zdefiniować w sposób równoważny wzorem^[11]

[math]\displaystyle{ e^x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = 1 + x + {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots }[/math]

to funkcja [math]\displaystyle{ e^x }[/math] jest funkcją dodatnią, bo dla [math]\displaystyle{ x > 0 }[/math] sumujemy tylko wyrazy dodatnie, dla [math]\displaystyle{ x = 0 }[/math] mamy [math]\displaystyle{ e^0 = 1 }[/math], a dla [math]\displaystyle{ x < 0 }[/math] możemy napisać [math]\displaystyle{ e^x = {\small\frac{1}{e^{- x}}} > 0 \, }[/math]^[a]^[b].

Punkt 1. i punkt 3.

Pokazaliśmy, że funkcja [math]\displaystyle{ e^x }[/math] jest funkcją dodatnią. Ponieważ funkcje [math]\displaystyle{ x \, }[/math] i [math]\displaystyle{ \, 2 x }[/math] są ujemne lub równe zero dla [math]\displaystyle{ x \leqslant 0 }[/math], to pozostaje rozważyć jedynie przypadek, gdy [math]\displaystyle{ x > 0 }[/math]. Łatwo zauważamy, że

[math]\displaystyle{ e^x - x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} - x = 1 + \sum^{\infty}_{k = 2} {\small\frac{x^k}{k!}} > 0 }[/math]

[math]\displaystyle{ e^x - 2 x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} - 2 x = 1 - x + {\small\frac{x^2}{2}} + \sum_{k = 3}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = {\small\frac{1}{2}} + {\small\frac{(x - 1)^2}{2}} + \sum_{k = 3}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} > 0 }[/math]

Punkt 2.

Rozważymy kolejno przypadki

gdy [math]\displaystyle{ x > 0 }[/math], to [math]\displaystyle{ e^x - (x + 1) = {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots > 0 }[/math], bo sumujemy wyrazy dodatnie

gdy [math]\displaystyle{ x = 0 }[/math], to [math]\displaystyle{ e^x - (x + 1) = 0 }[/math]

gdy [math]\displaystyle{ - 1 < x < 0 }[/math], to [math]\displaystyle{ e^x - (x + 1) = \left( {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} \right) + \left( {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} \right) + \ldots > 0 }[/math], bo dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 1 }[/math] jest [math]\displaystyle{ {\small\frac{x^{2 k}}{(2 k) !}} + {\small\frac{x^{2 k + 1}}{(2 k + 1) !}} = {\small\frac{x^{2 k} (2 k + 1 + x)}{(2 k + 1) !}} > 0 }[/math]

gdy [math]\displaystyle{ x \leqslant - 1 }[/math], to [math]\displaystyle{ e^x > x + 1 }[/math], bo [math]\displaystyle{ x + 1 \leqslant 0 }[/math], a [math]\displaystyle{ e^x }[/math] jest funkcją dodatnią

Punkt 4.

W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą [math]\displaystyle{ x = e^t }[/math]. Dostajemy [math]\displaystyle{ t < n \cdot (e^t)^{1 / n} }[/math], czyli [math]\displaystyle{ e^{t / n} > {\small\frac{t}{n}} }[/math]. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego [math]\displaystyle{ {\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R} }[/math] na mocy punktu 1. tego twierdzenia.

Punkt 5.

W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą [math]\displaystyle{ x = e^t }[/math]. Dostajemy [math]\displaystyle{ t < {\small\frac{1}{2}} n \cdot (e^t)^{1 / n} }[/math], czyli [math]\displaystyle{ e^{t / n} > 2 \cdot {\small\frac{t}{n}} }[/math]. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego [math]\displaystyle{ {\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R} }[/math] na mocy punktu 3. tego twierdzenia.

Punkt 6.

W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą [math]\displaystyle{ x = e^t }[/math]. Dostajemy [math]\displaystyle{ t \leqslant n (e^{t / n} - 1) }[/math], czyli [math]\displaystyle{ e^{t / n} \geqslant {\small\frac{t}{n}} + 1 }[/math]. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego [math]\displaystyle{ {\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R} }[/math] na mocy punktu 2. tego twierdzenia.

Punkt 7.

W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą [math]\displaystyle{ x = e^t }[/math]. Dostajemy [math]\displaystyle{ t < {\small\frac{1}{\varepsilon}} \cdot (e^t)^{\varepsilon} }[/math], czyli [math]\displaystyle{ e^{\varepsilon t} > \varepsilon t }[/math]. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego [math]\displaystyle{ \varepsilon t \in \mathbb{R} }[/math] na mocy punktu 1. tego twierdzenia.

[a] Czytelnik zapewne zauważył, że własność [math]\displaystyle{ e^x e^{- x} = 1 }[/math] przyjęliśmy bez dowodu. Można pokazać, że z definicji

[math]\displaystyle{ e^x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = 1 + x + {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots }[/math]

wynika podstawowa własność funkcji wykładniczej [math]\displaystyle{ e^x e^y = e^{x + y} }[/math], ale dowód wymaga znajomości iloczynu Cauchy'ego szeregów^[12]^[13] i twierdzenia Mertensa o zbieżności takiego iloczynu.

[b] Zadanie: pokazać, że jeżeli funkcja [math]\displaystyle{ f(x) }[/math] spełnia warunek [math]\displaystyle{ f (x + y) = f (x) f (y) }[/math], to albo [math]\displaystyle{ f(x) }[/math] jest tożsamościowo równa zero, albo jest funkcją dodatnią. Wskazówka: [math]\displaystyle{ f(x) = f \left( {\small\frac{x}{2}} + {\small\frac{x}{2}} \right) }[/math], [math]\displaystyle{ f(x) = f (x_0 + (x - x_0)) }[/math]
□

Zadanie A41
Niech [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R}_+ }[/math]. Pokazać, że dla dowolnego [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math] istnieje takie [math]\displaystyle{ x_0 }[/math], że dla każdego [math]\displaystyle{ x > x_0 }[/math] jest [math]\displaystyle{ \log x < x^{1 / n} }[/math].

Rozwiązanie

Pierwszy sposób
Rozważmy ciąg nierówności

[math]\displaystyle{ \log x < n \cdot x^{1 / 2 n} < x^{1 / n} }[/math]

Z twierdzenia A40 p.5 wiemy, że pierwsza nierówność jest prawdziwa dla dowolnych [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R}_+ }[/math] i [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math]. Podnosząc strony drugiej nierówności do potęgi [math]\displaystyle{ 2 n }[/math], otrzymujemy [math]\displaystyle{ n^{2 n} \cdot x < x^2 }[/math], czyli nierówność ta jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ x > n^{2 n} }[/math]. Wynika stąd, że wystarczy przyjąć [math]\displaystyle{ x_0 = n^{2 n} }[/math].

Drugi sposób
Nierówność [math]\displaystyle{ \log x < x^{1 / n} }[/math] możemy równoważnie zapisać w postaci [math]\displaystyle{ x < \exp (x^{1 / n}) }[/math]. Jeżeli położymy [math]\displaystyle{ x = t^n }[/math], to otrzymamy nierówność [math]\displaystyle{ t^n {< e^t} }[/math]. Ponieważ^[11]

[math]\displaystyle{ e^t = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{t^k}{k!}} = 1 + t + {\small\frac{t^2}{2}} + {\small\frac{t^3}{6}} + {\small\frac{t^4}{24}} + {\small\frac{t^5}{120}} + \ldots }[/math]

to

[math]\displaystyle{ e^t > {\small\frac{t^{n + 1}}{(n + 1) !}} > t^n }[/math]

Pierwsza nierówność jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ t > 0 }[/math], bo pomijamy wyrazy dodatnie, a druga jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ t > (n + 1) ! }[/math] Wystarczy zatem przyjąć [math]\displaystyle{ x_0 = [(n + 1) !]^n }[/math]. Ponieważ [math]\displaystyle{ [(n + 1) !]^n > n^{2 n} }[/math] dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math], to jest to gorsze oszacowanie wartości [math]\displaystyle{ x_0 }[/math].
□

Twierdzenie A42
Dla funkcji [math]\displaystyle{ p_n }[/math] i [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] prawdziwe są następujące oszacowania:

[math]\displaystyle{ 10 n \underset{n \geqslant 6473}{<} p_n \underset{n \geqslant 2}{<} n^2 }[/math]

[math]\displaystyle{ \sqrt{n} \underset{n \geqslant 5}{<} \pi (n) \underset{n \geqslant 64721}{<} {\small\frac{n}{10}} }[/math]

Dowód

Lewa górna nierówność. Z twierdzenia A1 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] jest [math]\displaystyle{ p_n > 0.72 \cdot n \log n }[/math]. Wystarczy rozwiązać nierówność:

[math]\displaystyle{ 0.72 \cdot \log n > 10 }[/math]

czyli [math]\displaystyle{ n > \exp \left( {\small\frac{10}{0.72}} \right) = 1076137.5 }[/math]

W PARI/GP wpisujemy polecenie:

for(n = 1, 11 * 10^5, if( prime(n) <= 10 * n, print(n) ))

Prawa górna nierówność. Z twierdzenia A1 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] jest [math]\displaystyle{ p_n < 2 n \log n }[/math]. Zatem wystarczy pokazać, że [math]\displaystyle{ 2 n \log n < n^2 }[/math]. Korzystając z twierdzenia A40 p.5, łatwo zauważmy, że dla [math]\displaystyle{ n > 4 }[/math] jest:

[math]\displaystyle{ n - 2 \log n > n - 2 \cdot n^{1 / 2} = \sqrt{n} \left( \sqrt{n} - 2 \right) > 0 }[/math]

Przypadki [math]\displaystyle{ n \leqslant 4 }[/math] sprawdzamy bezpośrednio.

Lewa dolna nierówność. Z twierdzenia A1 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] jest [math]\displaystyle{ \pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]. Zatem wystarczy pokazać, że [math]\displaystyle{ {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} > \sqrt{n} }[/math]. Korzystając z twierdzenia A40 p.5, łatwo zauważmy, że dla [math]\displaystyle{ n > 3^4 = 81 }[/math] jest:

[math]\displaystyle{ {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - \sqrt{n} > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{2 \cdot n^{1 / 4}}} - \sqrt{n} = {\small\frac{1}{3}} \cdot n^{3 / 4} - \sqrt{n} = {\small\frac{1}{3}} \sqrt{n} (n^{1 / 4} - 3) > 0 }[/math]

Sprawdzenie przypadków [math]\displaystyle{ n \leqslant 81 }[/math] sprowadza się do wpisania w PARI/GP polecenia:

for(n = 1, 100, if( primepi(n) <= sqrt(n), print(n) ))

Prawa dolna nierówność. Z twierdzenia A1 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] jest [math]\displaystyle{ \pi (n) < {\small\frac{2 n}{\log n}} }[/math]. Zatem wystarczy pokazać, że [math]\displaystyle{ {\small\frac{2 n}{\log n}} < {\small\frac{n}{10}} }[/math]. Nierówność ta jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ \log n > 20 }[/math], czyli dla

[math]\displaystyle{ n > e^{20} > 485165195.4 }[/math]

Sprawdzenie przypadków dla [math]\displaystyle{ n \leqslant 490 \cdot 10^6 }[/math] będzie wymagało napisania w PARI/GP krótkiego programu i wywołania go z parametrem n = 490 * 10^6

Test3(n) =
\\ test oszacowania: primepi(k) < k/10 dla 2 <= k <= n 
\\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji primepi(k)
{
local(s, k);
s = 1;
k = 2;
while( k <= n,
       if( s >= k/10, print(k) );
       k = k + 1;
       s = s + isprime(k);  \\ dla kolejnych k liczba s ma wartość primepi(k)
     );
}

□

Twierdzenie A43
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie

[math]\displaystyle{ p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} }[/math]

Dowód

Korzystając kolejno z twierdzeń A33, A40 p.5 i A8, łatwo otrzymujemy

[math]\displaystyle{ (p_{n^{\large 2}})^{n / 3} < (2 n^2 \log n^2)^{n / 3} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\: = (4 n^2 \log n)^{n / 3} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\: < (4 n^2 \cdot 2 n^{1 / 4})^{n / 3} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\: = (8 n^{9 / 4})^{n / 3} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\: = (2 n^{3 / 4})^n }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\: \leqslant n^n }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\: < p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n }[/math]

Zauważmy, że nierówność [math]\displaystyle{ 2 n^{3 / 4} \leqslant n }[/math] jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2^4 }[/math]. Sprawdzając bezpośrednio dla [math]\displaystyle{ n < 16 }[/math], stwierdzamy, że dowodzona nierówność jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math].
□

Zadanie A44
Korzystając z twierdzenia A43 pokazać, że

[math]\displaystyle{ p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n + 1})^2 \qquad \qquad \text{dla } \; n \geqslant 4 }[/math]
[math]\displaystyle{ p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{2 n})^3 \qquad \qquad \;\; \text{dla } \; n \geqslant 7 }[/math]

Rozwiązanie

Punkt 1.

Ponieważ [math]\displaystyle{ n^2 > n + 1 }[/math] dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] oraz [math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{3}} > 2 }[/math] dla [math]\displaystyle{ n > 6 }[/math], to dla [math]\displaystyle{ n > 6 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} > (p_{n + 1})^2 }[/math]

Sprawdzając bezpośrednio dla [math]\displaystyle{ n \leqslant 6 }[/math], łatwo stwierdzamy prawdziwość oszacowania dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 4 }[/math].

Punkt 2.

Ponieważ [math]\displaystyle{ n^2 > 2 n }[/math] dla [math]\displaystyle{ n > 2 }[/math] oraz [math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{3}} > 3 }[/math] dla [math]\displaystyle{ n > 9 }[/math], to dla [math]\displaystyle{ n > 9 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} > (p_{2 n})^3 }[/math]

Sprawdzając bezpośrednio dla [math]\displaystyle{ n \leqslant 9 }[/math], łatwo stwierdzamy prawdziwość oszacowania dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 7 }[/math].
□

Twierdzenie A45
Każda liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] taka, że [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, n \right] }[/math] występuje w rozwinięciu [math]\displaystyle{ n! }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden.

Dowód

Z twierdzenia A22 wiemy, że każda liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w iloczynie [math]\displaystyle{ n! }[/math] z wykładnikiem [math]\displaystyle{ W_p (n!) = \sum_{k = 1}^{\infty} \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor }[/math]

Z założenia [math]\displaystyle{ p \leqslant n }[/math] i [math]\displaystyle{ 2 p > n }[/math], zatem:

1. [math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{p}} \geqslant 1 }[/math] oraz [math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{p}} < 2 }[/math], czyli [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1 }[/math]

2. [math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{p^2}} < {\small\frac{2}{p}} \leqslant 1 }[/math], czyli [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{n}{p^2}} \right\rfloor = 0 }[/math] i tym bardziej [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math] dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 3 }[/math]

□

Rezultat uzyskany w twierdzeniu A26 zainspirował nas do postawienia pytania: jakie warunki musi spełniać liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math], aby występowała w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden lub równym zero? Twierdzenia A46 i A48 udzielają na to pytanie precyzyjnej odpowiedzi. Przykłady A47 i A49 to tylko twierdzenia A46 i A48 dla wybranych wartości liczby [math]\displaystyle{ k }[/math]. Jeśli Czytelnik nie miał problemów ze zrozumieniem dowodów twierdzeń A46 i A48, to może je pominąć.

Twierdzenie A46
Niech [math]\displaystyle{ k }[/math] będzie dowolną ustaloną liczbą naturalną. Jeżeli [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 (k + 1) \left( k + \tfrac{1}{2} \right) }[/math] i liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right] }[/math], to [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden.

Dowód

Najpierw udowodnimy przypadek [math]\displaystyle{ k = 0 }[/math].

Zauważmy, że każda liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in (n, 2 n] }[/math] występuje dokładnie jeden raz w liczniku ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

i nie występuje w mianowniku. Zatem w rozwinięciu współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze wystąpi z wykładnikiem równym [math]\displaystyle{ 1 }[/math].

Co kończy dowód twierdzenia w przypadku, gdy [math]\displaystyle{ k = 0 }[/math].

Możemy teraz przejść do dowodu dla wszystkich [math]\displaystyle{ k \geqslant 1 }[/math].

Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby [math]\displaystyle{ p }[/math]

Zapiszmy współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] w postaci ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

Rozważmy dowolną liczbę pierwszą występującą w mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby [math]\displaystyle{ p }[/math] spełniała następujące warunki:

[math]\displaystyle{ k p \leqslant n }[/math] — warunek ten zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w mianowniku
[math]\displaystyle{ (k + 1) p > n }[/math] — warunek ten zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się dokładnie [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w mianowniku (jako [math]\displaystyle{ p, 2 p, \ldots, k p }[/math])
[math]\displaystyle{ (2 k + 1) p \leqslant 2 n }[/math] — warunek ten (łącznie z warunkiem [math]\displaystyle{ (k + 1) p > n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej [math]\displaystyle{ k + 1 }[/math] razy w liczniku
[math]\displaystyle{ (2 k + 2) p > 2 n }[/math] — warunek ten (łącznie z warunkiem [math]\displaystyle{ (2 k + 1) p \leqslant 2 n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się dokładnie [math]\displaystyle{ k + 1 }[/math] razy w liczniku (jako [math]\displaystyle{ (k + 1) p, (k + 2) p, \ldots, (2 k + 1) p }[/math])

Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right] }[/math] pojawia się dokładnie [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w mianowniku i dokładnie [math]\displaystyle{ k + 1 }[/math] razy w liczniku ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

Zatem występuje w rozwinięciu współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem jeden.

Niech [math]\displaystyle{ q }[/math] będzie największą liczbą pierwszą nie większą od ustalonej liczby [math]\displaystyle{ 2 k + 1 }[/math]. Rozpatrywane przez nas wielokrotności liczby zwiększają wykładniki, z jakimi występują liczby pierwsze [math]\displaystyle{ r_i \in \{ 2, 3, \ldots, q \} }[/math]. Dlatego twierdzenie nie może dotyczyć tych liczb i musimy nałożyć warunek

[math]\displaystyle{ r_i \notin \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right] }[/math]

Warunek ten będzie z pewnością spełniony, gdy

[math]\displaystyle{ q \leqslant 2 k + 1 \leqslant {\small\frac{n}{k + 1}} }[/math]

czyli dla [math]\displaystyle{ n }[/math] spełniających nierówność [math]\displaystyle{ n \geqslant (k + 1) (2 k + 1) }[/math].

Oczywiście nie wyklucza to możliwości, że istnieją liczby [math]\displaystyle{ n < 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2}) }[/math], dla których twierdzenie jest prawdziwe. Pozostaje (przy ustalonej wartości liczby [math]\displaystyle{ k }[/math]) bezpośrednio sprawdzić prawdziwość twierdzenia dla [math]\displaystyle{ n < 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2}) }[/math].

Dowód na podstawie twierdzenia A25

Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right ) }[/math]

Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy [math]\displaystyle{ 1 }[/math], to będziemy szukali oszacowania od dołu. Z założenia mamy

1) [math]\displaystyle{ p > {\small\frac{n}{k + 1}} \qquad \; \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} < k + 1 \qquad \;\;\; \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant k }[/math]

2) [math]\displaystyle{ p \leqslant {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} \geqslant 2 k + 1 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2 k + 1 }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2 k + 1 - 2 k = 1 }[/math]

Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko [math]\displaystyle{ 0 }[/math] lub [math]\displaystyle{ 1 }[/math], to otrzymujemy

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1 }[/math]

Założenie, że [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 (k + 1)^2 }[/math] pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i następnych składników sumy

[math]\displaystyle{ p > {\small\frac{n}{k + 1}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 2 k + 2 }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^s}{p^s}} < (2 k + 2)^s }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 2)^2}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{2 k + 2}{2 n}} \right)^{s - 2} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 2)^2}{2 n}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < 1 }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0 }[/math]

Jeżeli [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0 }[/math], to również musi być [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{n}{p^s}} \right\rfloor = 0 }[/math]. Pokazaliśmy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 (k + 1)^2 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right ) = 1 }[/math]

Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości [math]\displaystyle{ n < 2 (k + 1)^2 }[/math] twierdzenie pozostaje prawdziwe.

Ponieważ analiza krotności pojawiania się liczby pierwszej [math]\displaystyle{ p }[/math] jest bardziej precyzyjna, to podajemy, że twierdzenie jest z pewnością prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2}) }[/math]
□

Przykład A47
Jeżeli [math]\displaystyle{ n \geqslant 6 }[/math] i liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right] }[/math], to [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden.

Dowód

Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby [math]\displaystyle{ p }[/math]

Zapiszmy współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] w postaci ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

Rozważmy dowolną liczbę pierwszą występującą w mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby [math]\displaystyle{ p }[/math] spełniała następujące warunki:

[math]\displaystyle{ p \leqslant n }[/math] — warunek ten zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej jeden raz w mianowniku
[math]\displaystyle{ 2 p > n }[/math] — warunek ten zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się dokładnie jeden raz w mianowniku (jako [math]\displaystyle{ p }[/math])
[math]\displaystyle{ 3 p \leqslant 2 n }[/math] — warunek ten (łącznie z warunkiem [math]\displaystyle{ 2 p > n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej dwa razy w liczniku
[math]\displaystyle{ 4 p > 2 n }[/math] — warunek ten (łącznie z warunkiem [math]\displaystyle{ 3 p \leqslant 2 n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się dokładnie dwa razy w liczniku (jako [math]\displaystyle{ 2 p }[/math] i [math]\displaystyle{ 3 p }[/math])

Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right] }[/math] pojawia się dokładnie jeden raz w mianowniku i dokładnie dwa razy w liczniku ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

Zatem występuje w rozwinięciu współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem jeden.

Wielokrotności liczby [math]\displaystyle{ p }[/math] podnoszą wykładniki, z jakimi występują liczby pierwsze [math]\displaystyle{ p = 2, 3 }[/math]. Dlatego zakładamy, że [math]\displaystyle{ n \geqslant 6 }[/math], bo dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 6 }[/math] liczby pierwsze [math]\displaystyle{ p = 2, 3 }[/math] nie spełniają warunku [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right] }[/math].

Bezpośrednio sprawdzamy, że twierdzenie nie jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 5 }[/math] i liczba [math]\displaystyle{ 3^2 }[/math] dzieli liczbę [math]\displaystyle{ {\small\binom{10}{5}} = 252 = 9 \cdot 28 }[/math]

Dowód na podstawie twierdzenia A25

Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) }[/math]

Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy [math]\displaystyle{ 1 }[/math], to będziemy szukali oszacowania od dołu. Z założenia mamy

1) [math]\displaystyle{ p > {\small\frac{n}{2}} \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} < 2 \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 1 }[/math]

2) [math]\displaystyle{ p \leqslant {\small\frac{2 n}{3}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} \geqslant 3 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \geqslant 3 }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 3 - 2 = 1 }[/math]

Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko [math]\displaystyle{ 0 }[/math] lub [math]\displaystyle{ 1 }[/math], to otrzymujemy

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1 }[/math]

Założenie, że [math]\displaystyle{ n \geqslant 9 }[/math] pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i następnych składników sumy

[math]\displaystyle{ p > {\small\frac{n}{2}} \quad \implies \quad {\small\frac{(2 n)^k}{p^k}} < 4^k \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{16}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{4}{2 n}} \right)^{k - 2} \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} \leqslant {\small\frac{16}{2 n}} \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} \leqslant {\small\frac{16}{18}} \quad \implies \quad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math]

Jeżeli [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math], to również musi być [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math]. Pokazaliśmy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 9 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) = 1 }[/math]

Dla [math]\displaystyle{ n = 6, 7 }[/math] żadna liczba pierwsza nie należy do [math]\displaystyle{ \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right] }[/math]. Dla [math]\displaystyle{ n = 8 }[/math] łatwo sprawdzamy, że liczba [math]\displaystyle{ 5 }[/math] wchodzi do rozkładu liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{16}{8}} = 12870 }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden.

Zatem dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 6 }[/math] liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right] }[/math] wchodzi do rozkładu liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden.
□

Twierdzenie A48
Niech [math]\displaystyle{ k }[/math] będzie dowolną ustaloną liczbą całkowitą dodatnią. Jeżeli liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right] }[/math], to dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2}) }[/math] liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] nie występuje w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze.

Dowód

Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby [math]\displaystyle{ p }[/math]

Zapiszmy współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] w postaci ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

Rozważmy dowolną liczbę pierwszą [math]\displaystyle{ p }[/math] występującą w mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby [math]\displaystyle{ p }[/math] spełniała następujące warunki:

[math]\displaystyle{ k p \leqslant n }[/math] — warunek ten zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w mianowniku
[math]\displaystyle{ (k + 1) p > n }[/math] — warunek ten zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się dokładnie [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w mianowniku (jako [math]\displaystyle{ p, 2 p, \ldots, k p }[/math])
[math]\displaystyle{ 2 k p \leqslant 2 n }[/math] — warunek ten (łącznie z warunkiem [math]\displaystyle{ (k + 1) p > n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w liczniku
[math]\displaystyle{ (2 k + 1) p > 2 n }[/math] — warunek ten (łącznie z warunkiem [math]\displaystyle{ 2 k p \leqslant 2 n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się dokładnie [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w liczniku (jako [math]\displaystyle{ (k + 1) p, (k + 2) p, \ldots, 2 k p }[/math])

Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right] }[/math] pojawia się dokładnie [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w mianowniku i dokładnie [math]\displaystyle{ k }[/math] razy w liczniku ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

Co oznacza, że [math]\displaystyle{ p }[/math] nie występuje w rozwinięciu współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze.

Niech [math]\displaystyle{ q }[/math] będzie największą liczbą pierwszą nie większą od ustalonej liczby [math]\displaystyle{ 2 k }[/math]. Rozpatrywane przez nas wielokrotności liczby [math]\displaystyle{ p }[/math] zwiększają wykładniki, z jakimi występują liczby pierwsze [math]\displaystyle{ r_i \in \{ 2, 3, \ldots, q \} }[/math]. Dlatego twierdzenie nie może dotyczyć tych liczb i musimy nałożyć warunek

[math]\displaystyle{ r_i \notin \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right] }[/math]

Warunek ten będzie z pewnością spełniony, gdy

[math]\displaystyle{ q \leqslant 2 k \leqslant {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} }[/math]

czyli dla [math]\displaystyle{ n }[/math] spełniających nierówność [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2}) }[/math]. Oczywiście nie wyklucza to możliwości, że istnieją liczby [math]\displaystyle{ n < 2 k (k + \tfrac{1}{2}) }[/math], dla których twierdzenie jest prawdziwe. Pozostaje (przy ustalonej wartości liczby [math]\displaystyle{ k }[/math]) bezpośrednio sprawdzić prawdziwość twierdzenia dla [math]\displaystyle{ n < 2 k (k + \tfrac{1}{2}) }[/math].

Dowód na podstawie twierdzenia A25

Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right ) }[/math]

Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy [math]\displaystyle{ 0 }[/math], to będziemy szukali oszacowania od góry. Z założenia mamy

1) [math]\displaystyle{ p > {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 2 k + 1 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \leqslant 2 k }[/math]

2) [math]\displaystyle{ p \leqslant {\small\frac{n}{k}} \qquad \quad \;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} \geqslant k \qquad \qquad \;\:\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant k }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 2 k - 2 k = 0 }[/math]

Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko [math]\displaystyle{ 0 }[/math] lub [math]\displaystyle{ 1 }[/math], to otrzymujemy

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 0 }[/math]

Założenie, że [math]\displaystyle{ 2 n \geqslant (2 k + 1)^2 }[/math] pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i następnych składników sumy

[math]\displaystyle{ p > {\small\frac{2 n}{2 k + 1}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^s}{p^s}} < (2 k + 1)^s }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 1)^2}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{2 k + 1}{2 n}} \right)^{s - 2} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 1)^2}{2 n}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < 1 }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0 }[/math]

Jeżeli [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0 }[/math], to również musi być [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{n}{p^s}} \right\rfloor = 0 }[/math]. Pokazaliśmy, że dla [math]\displaystyle{ 2 n \geqslant (2 k + 1)^2 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right ) = 0 }[/math]

Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości [math]\displaystyle{ n < {\small\frac{1}{2}} (2 k + 1)^2 }[/math] twierdzenie pozostaje prawdziwe.

Ponieważ analiza krotności pojawiania się liczby pierwszej [math]\displaystyle{ p }[/math] jest bardziej precyzyjna, to podajemy, że twierdzenie jest z pewnością prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2}) }[/math].
□

Przykład A49
Jeżeli [math]\displaystyle{ n \geqslant 8 }[/math] i liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right] }[/math], to [math]\displaystyle{ p }[/math] nie występuje w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze.

Dowód

Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby [math]\displaystyle{ p }[/math]

Zapiszmy współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] w postaci ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

Rozważmy dowolną liczbę pierwszą [math]\displaystyle{ p }[/math] występującą w mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby [math]\displaystyle{ p }[/math] spełniała następujące warunki:

[math]\displaystyle{ 2 p \leqslant n }[/math] — warunek ten zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej dwa razy w mianowniku
[math]\displaystyle{ 3 p > n }[/math] — warunek ten zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się dokładnie dwa razy w mianowniku (jako [math]\displaystyle{ p }[/math] i [math]\displaystyle{ 2 p }[/math])
[math]\displaystyle{ 4 p \leqslant 2 n }[/math] — warunek ten (łącznie z warunkiem [math]\displaystyle{ 3 p > n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej dwa razy w liczniku
[math]\displaystyle{ 5 p > 2 n }[/math] — warunek ten (łącznie z warunkiem [math]\displaystyle{ 4 p \leqslant 2 n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się dokładnie dwa razy w liczniku (jako [math]\displaystyle{ 3 p }[/math] i [math]\displaystyle{ 4 p }[/math])

Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right] }[/math] pojawia się dokładnie dwa razy w mianowniku i dokładnie dwa razy w liczniku ułamka

[math]\displaystyle{ {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}} }[/math]

Zatem nie występuje w rozwinięciu współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math] na czynniki pierwsze.

Wielokrotności liczby [math]\displaystyle{ p }[/math] podnoszą wykładniki, z jakimi występują liczby pierwsze [math]\displaystyle{ 2 }[/math] i [math]\displaystyle{ 3 }[/math]. Dlatego zakładamy, że [math]\displaystyle{ n \geqslant 8 }[/math], bo dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 8 }[/math] liczby pierwsze [math]\displaystyle{ 2, 3 }[/math] nie spełniają warunku [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right] }[/math].

Bezpośrednio sprawdzamy, że twierdzenie nie jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 7 }[/math] i liczba [math]\displaystyle{ 3 }[/math] dzieli liczbę [math]\displaystyle{ {\small\binom{14}{7}} = 3432 }[/math]

Dowód na podstawie twierdzenia A25

Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) }[/math]

Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy [math]\displaystyle{ 0 }[/math], to będziemy szukali oszacowania od góry. Z założenia mamy

1) [math]\displaystyle{ p > {\small\frac{2 n}{5}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 5 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \leqslant 4 }[/math]

2) [math]\displaystyle{ p \leqslant {\small\frac{n}{2}} \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} \geqslant 2 \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2 }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 4 - 4 = 0 }[/math]

Ponieważ każdy ze składników szukanej sumy może być równy tylko [math]\displaystyle{ 0 }[/math] lub [math]\displaystyle{ 1 }[/math], to otrzymujemy

[math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 0 }[/math]

Założenie, że [math]\displaystyle{ n \geqslant 13 }[/math] pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i następnych składników sumy

[math]\displaystyle{ p > {\small\frac{2 n}{5}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^k}{p^k}} < 5^k }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{5}{2 n}} \right)^{k - 2} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{2 n}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{26}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math]

Jeżeli [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math], to również musi być [math]\displaystyle{ \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0 }[/math]. Pokazaliśmy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 13 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) = 0 }[/math]

Dla [math]\displaystyle{ n = 8, 9 }[/math] żadna liczba pierwsza nie należy do [math]\displaystyle{ \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right] }[/math].

Dla [math]\displaystyle{ n = 10, 11, 12 }[/math] łatwo sprawdzamy, że liczba [math]\displaystyle{ 5 }[/math] nie dzieli liczb [math]\displaystyle{ {\small\binom{20}{10}} = 184756 }[/math], [math]\displaystyle{ {\small\binom{22}{11}} = 705432 }[/math] oraz [math]\displaystyle{ {\small\binom{24}{12}} = 2704156 }[/math].

Zatem dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 8 }[/math] liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right] }[/math] nie dzieli liczby [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math].
□

Uwaga A50
Z przykładu A47 nie wynika, że w przedziale [math]\displaystyle{ \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right] }[/math] znajduje się choćby jedna liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math]. Analogiczna uwaga jest prawdziwa w przypadku przykładu A49 oraz twierdzeń A46 i A48. Istnienie liczby pierwszej w określonym przedziale będzie tematem kolejnego artykułu.

Przykład A51
Pokazujemy i omawiamy wynik zastosowania twierdzeń A46 i A48 do współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}} }[/math]. Można udowodnić, że granicę stosowalności obu twierdzeń bardzo dokładnie opisuje warunek [math]\displaystyle{ p > \sqrt{2 n} }[/math], co w naszym przypadku daje [math]\displaystyle{ p > \sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.04 }[/math].

Pokaż przykład

Wybraliśmy współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}} }[/math] dlatego, że w rozkładzie tego współczynnika na czynniki pierwsze występują wszystkie liczby pierwsze [math]\displaystyle{ p \leqslant 107 }[/math], co ułatwia analizowanie występowania liczb pierwszych. Tylko sześć liczb pierwszych: 2, 3, 59, 61, 73, 79 występuje z wykładnikiem większym niż jeden. Ponieważ [math]\displaystyle{ \sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.043 }[/math], zatem liczba 79 jest ostatnią liczbą pierwszą, która mogłaby wystąpić z wykładnikiem większym niż jeden i tak właśnie jest.

Poniżej wypisaliśmy wszystkie liczby pierwsze [math]\displaystyle{ p \leqslant 3284 }[/math], które występują w rozwinięciu współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}} }[/math] na czynniki pierwsze. Pogrubienie oznacza, że dana liczba rozpoczyna nowy wiersz w tabeli. Ostatnią pogrubioną i dodatkowo podkreśloną liczbą jest liczba 107, bo wszystkie liczby pierwsze mniejsze od 107 powinny pojawić się w tabeli – oczywiście tak się nie stanie, bo twierdzeń A46 i A48 nie można stosować bez ograniczeń dla coraz większych liczb [math]\displaystyle{ k }[/math].

2⁶, 3⁸, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59², 61², 67, 71, 73², 79², 83, 89, 97, 101, 103, 107, 127, 137, 139, 151, 157, 167, 173, 197, 199, 211, 223, 239, 241, 257, 277, 281, 283, 307, 311, 331, 337, 367, 373, 379, 383, 419, 421, 431, 433, 479, 487, 491, 499, 503, 557, 563, 569, 571, 577, 587, 593, 659, 661, 673, 677, 683, 691, 701, 709, 719, 727, 823, 827, 829, 839, 853, 857, 859, 863, 877, 881, 883, 887, 907, 911, 919, 929, 937, 1097, 1103, 1109, 1117, 1123, 1129, 1151, 1153, 1163, 1171, 1181, 1187, 1193, 1201, 1213, 1217, 1223, 1229, 1231, 1237, 1249, 1259, 1277, 1279, 1283, 1289, 1291, 1297, 1301, 1303, 1307, 1657, 1663, 1667, 1669, 1693, 1697, 1699, 1709, 1721, 1723, 1733, 1741, 1747, 1753, 1759, 1777, 1783, 1787, 1789, 1801, 1811, 1823, 1831, 1847, 1861, 1867, 1871, 1873, 1877, 1879, 1889, 1901, 1907, 1913, 1931, 1933, 1949, 1951, 1973, 1979, 1987, 1993, 1997, 1999, 2003, 2011, 2017, 2027, 2029, 2039, 2053, 2063, 2069, 2081, 2083, 2087, 2089, 2099, 2111, 2113, 2129, 2131, 2137, 2141, 2143, 2153, 2161, 2179

Liczba 821 została pogrubiona (w tabeli), bo jest liczbą pierwszą i wyznacza początek przedziału otwartego, konsekwentnie liczba 821 nie występuje w rozkładzie współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}} }[/math] na czynniki pierwsze.

Czytelnik łatwo sprawdzi, że największą wartością liczby [math]\displaystyle{ k }[/math], dla jakiej można jeszcze stosować twierdzenie A46, jest [math]\displaystyle{ k = 39 }[/math]. Podobnie największą wartością liczby [math]\displaystyle{ k }[/math], dla jakiej można jeszcze stosować twierdzenie A48, jest [math]\displaystyle{ k = 40 }[/math]. Wartości te i odpowiadające im przedziały zostały pogrubione, aby uwidocznić granicę stosowania tych twierdzeń. Łatwo odczytujemy, że twierdzenia A46 i A48 można stosować dla liczb pierwszych [math]\displaystyle{ p }[/math] spełniających warunek [math]\displaystyle{ p > 81.09 }[/math]. Co bardzo dokładnie pokrywa się z warunkiem [math]\displaystyle{ p > \sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.04 }[/math]

Liczba 73 jest ostatnią poprawnie pokazaną liczbą pierwszą. Po niej nie pojawiają się liczby pierwsze 71 i 67, które występują w rozwinięciu współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}} }[/math] na czynniki pierwsze.

[math]\displaystyle{ k }[/math]	[math]\displaystyle{ {\small\frac{3284}{k+1}} }[/math]	[math]\displaystyle{ p \in \left ( {\small\frac{3284}{k + 1}}, \frac{3284}{k + \tfrac{1}{2}} \right ] }[/math]	[math]\displaystyle{ \frac{3284}{k+\tfrac{1}{2}} }[/math]	[math]\displaystyle{ {\small\frac{3284}{k}} }[/math]
0	3284	{3299, 3301, ..., 6553, 6563}	6568
1	1642	{1657, 1663, ..., 2161, 2179}	2189,33	3284
2	1094,67	{1097, 1103, ..., 1303, 1307}	1313,60	1642
3	821	{823, 827, ..., 929, 937}	938,29	1094,67
4	656,80	{659, 661, 673, 677, 683, 691, 701, 709, 719, 727}	729,78	821
5	547,33	{557, 563, 569, 571, 577, 587, 593}	597,09	656,80
6	469,14	{479, 487, 491, 499, 503}	505,23	547,33
7	410,50	{419, 421, 431, 433}	437,87	469,14
8	364,89	{367, 373, 379, 383}	386,35	410,50
9	328,40	{331, 337}	345,68	364,89
10	298,55	{307, 311}	312,76	328,40
11	273,67	{277, 281, 283}	285,57	298,55
12	252,62	{257}	262,72	273,67
13	234,57	{239, 241}	243,26	252,62
14	218,93	{223}	226,48	234,57
15	205,25	{211}	211,87	218,93
16	193,18	{197, 199}	199,03	205,25
17	182,44	{}	187,66	193,18
18	172,84	{173}	177,51	182,44
19	164,20	{167}	168,41	172,84
20	156,38	{157}	160,20	164,20
21	149,27	{151}	152,74	156,38
22	142,78	{}	145,96	149,27
23	136,83	{137, 139}	139,74	142,78
24	131,36	{}	134,04	136,83
25	126,31	{127}	128,78	131,36
26	121,63	{}	123,92	126,31
27	117,29	{}	119,42	121,63
28	113,24	{}	115,23	117,29
29	109,47	{}	111,32	113,24
30	105,94	{107}	107,67	109,47
31	102,63	{103}	104,25	105,94
32	99,52	{101}	101,05	102,63
33	96,59	{97}	98,03	99,52
34	93,83	{}	95,19	96,59
35	91,22	{}	92,51	93,83
36	88,76	{89}	89,97	91,22
37	86,42	{}	87,57	88,76
38	84,21	{}	85,30	86,42
39	82,10	{83}	83,14	84,21
40	80,10	{}	81,09	82,10
41	78,19	{79}	79,13	80,10
42	76,37	{}	77,27	78,19
43	74,64	{}	75,49	76,37
44	72,98	{73}	73,80	74,64
45	71,39	{}	72,18	72,98
46	69,87	{}	70,62	71,39
47	68,42	{}	69,14	69,87
48	67,02	{}	67,71	68,42
49	65,68	{}	66,34	67,02
50	64,39	{}	65,03	65,68
51	63,15	{}	63,77	64,39
52	61,96	{}	62,55	63,15
53	60,81	{61}	61,38	61,96
54	59,71	{}	60,26	60,81
55	58,64	{59}	59,17	59,71
56	57,61	{}	58,12	58,64
57	56,62	{}	57,11	57,61
58	55,66	{}	56,14	56,62
59	54,73	{}	55,19	55,66
60	53,84	{}	54,28	54,73
61	52,97	{53}	53,40	53,84
62	52,13	{}	52,54	52,97
63	51,31	{}	51,72	52,13
64	50,52	{}	50,91	51,31
65	49,76	{}	50,14	50,52
66	49,01	{}	49,38	49,76
67	48,29	{}	48,65	49,01
68	47,59	{}	47,94	48,29
69	46,91	{47}	47,25	47,59
70	46,25	{}	46,58	46,91

□

Dokładniejsze oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od dołu

Uwaga A52
Poniżej przedstawimy inny dowód oszacowania od dołu funkcji [math]\displaystyle{ \pi (x) }[/math]. Naszym zdaniem jest łatwiejszy niż dowód twierdzenia A30 i, co warto odnotować, daje nieco dokładniejsze oszacowanie.

Twierdzenie A53
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] prawdziwe jest następujące oszacowanie

[math]\displaystyle{ \pi (n) > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

Dowód

Z twierdzenia B5 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} > {\small\frac{4^n}{2 n}} }[/math]

Z drugiej strony, korzystając z twierdzenia A27 możemy napisać

[math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} = \prod_{2 \leqslant p \leqslant 2 n} p^{\alpha_p} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} }[/math]

Łącząc powyższe oszacowania, otrzymujemy

[math]\displaystyle{ {\small\frac{4^n}{2 n}} < (2 n)^{\pi (2 n)} }[/math]

Czyli

[math]\displaystyle{ \pi (2 n) > {\small\frac{2 n \log 2 - \log 2 n}{\log 2 n}} = \log 2 \cdot {\small\frac{2 n}{\log 2 n}} - 1 }[/math]

Ponieważ dla wszystkich [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 \, }[/math] jest [math]\displaystyle{ \, \pi (2 n) = \pi (2 n - 1) }[/math], to

[math]\displaystyle{ \pi (2 n - 1) = \pi (2 n) > \log 2 \cdot {\small\frac{2 n}{\log 2 n}} - 1 > \log 2 \cdot {\small\frac{2 n - 1}{\log (2 n - 1)}} - 1 }[/math]

Ostatnia nierówność wynika z faktu, że [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] ciąg [math]\displaystyle{ u_n = {\small\frac{n}{\log n}} }[/math] jest ciągiem silnie rosnącym (zobacz twierdzenie A7). Zatem znaleziony wzór jest prawdziwy dla liczb parzystych [math]\displaystyle{ 4, 6, 8, \ldots }[/math] i nieparzystych [math]\displaystyle{ 3, 5, 7, \ldots }[/math] Wynika stąd, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ \pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 }[/math]

Ponownie korzystając z tego, że ciąg [math]\displaystyle{ u_n = {\small\frac{n}{\log n}} }[/math] jest ciągiem silnie rosnącym, widzimy, że dla [math]\displaystyle{ n > 2650 }[/math] prawdziwy jest następujący ciąg przekształceń

[math]\displaystyle{ \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 = (\log 2 - 0.003) \cdot {\small\frac{n}{\log n}} + \left( 0.003 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 \right) }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\; > (\log 2 - 0.003) \cdot {\small\frac{n}{\log n}} + \left( 0.003 \cdot {\small\frac{2650}{\log 2650}} - 1 \right) }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\; = (\log 2 - 0.003) \cdot {\small\frac{n}{\log n}} + 0.00858695 \ldots }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\; > (\log 2 - 0.003) \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\; = 0.690147 \ldots \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \;\;\;\; > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

Z układu nierówności prawdziwego dla [math]\displaystyle{ n > 2650 }[/math]

[math]\displaystyle{ \pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} }[/math]

otrzymujemy natychmiast, że

[math]\displaystyle{ \pi (n) > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n > 2650 }[/math]

Sprawdzając bezpośrednio prawdziwość powyższego oszacowania dla [math]\displaystyle{ n \leqslant 2650 }[/math], dostajemy

[math]\displaystyle{ \pi (n) > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n \geqslant 3 }[/math]

Co należało pokazać.
□

Uwaga A54
Na zakończenie tego artykułu chcemy przedstawić dowód pozornie trywialnego twierdzenia, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] między [math]\displaystyle{ n }[/math] i [math]\displaystyle{ n^2 }[/math] znajduje się liczba pierwsza. Podobnie proste wydaje się oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) > \sqrt{n} }[/math]. Jednak przedstawiony niżej dowód wcale prosty nie jest. Trudność tego dowodu jest podobna do dowodu twierdzenia A30 i tkwi w znalezieniu dostatecznie dokładnego oszacowania funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od dołu.

Otrzymany w trakcie dowodu twierdzenia A53 rezultat

[math]\displaystyle{ \pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n \geqslant 3 }[/math]

Wykorzystamy do dowodu twierdzenia A55. Podkreślmy, że nawet w przypadku tego wzoru musieliśmy

znać wykładnik, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w [math]\displaystyle{ n! }[/math]
zbadać właściwości współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ {\small\binom{2 n}{n}} }[/math]

Twierdzenie A55
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] między liczbami [math]\displaystyle{ n }[/math] i [math]\displaystyle{ n^2 }[/math] znajduje się liczba pierwsza.

Dowód

Łatwo sprawdzamy, że twierdzenie jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n = 2, 3, \ldots 9 }[/math], co pozwala ograniczyć dowód do liczb [math]\displaystyle{ n \geqslant 10 }[/math].

Dla oszacowania od góry funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] wystarczy przyjąć, że [math]\displaystyle{ \pi (n) < n }[/math] (oszacowanie prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math]).

Dla oszacowania od dołu funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] skorzystamy ze wzoru otrzymanego w trakcie dowodu twierdzenia A53

[math]\displaystyle{ \pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n \geqslant 3 }[/math]

Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 10 }[/math] otrzymujemy

[math]\displaystyle{ \pi (n^2) - \pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n^2}{\log n^2}} - 1 - n }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \;\; = n \left( {\small\frac{\log 2}{2}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - {\small\frac{1}{n}} - 1 \right) }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \;\; \geqslant n \left( {\small\frac{\log 2}{2}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - {\small\frac{1}{10}} - 1 \right) }[/math]

[math]\displaystyle{ \quad \;\; = n \left( {\small\frac{\log 2}{2}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1.1 \right) }[/math]

Wyrażenie w nawiasie rośnie ze wzrostem [math]\displaystyle{ n }[/math] (zobacz A7, C4, A31, A32) i dla [math]\displaystyle{ n = 10 }[/math] jest większe od [math]\displaystyle{ 0.4 }[/math], zatem dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 10 }[/math] mamy

[math]\displaystyle{ \pi (n^2) - \pi (n) > 4 }[/math]

Co kończy dowód.
□

Przypisy

↑ Wikipedia, PARI/GP, (Wiki-en)
↑ Wikipedia, Pafnuty Czebyszew (1821 - 1893), (Wiki-pl), (Wiki-ru)
↑ P. L. Chebyshev, Mémoire sur les nombres premiers, J. de Math. Pures Appl. (1) 17 (1852), 366-390, (LINK)
↑ P. Erdos, Beweis eines Satzes von Tschebyschef, Acta Litt. Sci. Szeged 5 (1932), 194-198, (LINK1), (LINK2)
↑ P. Dusart, The [math]\displaystyle{ k^{th} }[/math] prime is greater than [math]\displaystyle{ k (\ln k + \ln \ln k - 1) }[/math] for [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math], Math. Of Computation, Vol. 68, Number 225 (January 1999), pp. 411-415.
↑ P. Dusart, Sharper bounds for [math]\displaystyle{ \psi }[/math], [math]\displaystyle{ \theta }[/math], [math]\displaystyle{ \pi }[/math], [math]\displaystyle{ p_k }[/math], Rapport de recherche no. 1998-06, Université de Limoges
↑ P. Dusart, Estimates of some functions over primes without R.H., (2010), (LINK)
↑ P. Dusart, Explicit estimates of some functions over primes, Ramanujan Journal. 45 (1) (January 2018) pp. 225-234.
↑ Wikipedia, Wzór Stirlinga, (Wiki-pl), (Wiki-en)
↑ Wikipedia, Twierdzenie o zbieżności ciągu monotonicznego, (LINK)
↑ ^11,0 ^11,1 Wikipedia, Characterizations of the exponential function, (Wiki-en)
↑ Wikipedia, Cauchy product, (Wiki-en)
↑ Wikipedia, Szereg (matematyka) - Działania, (Wiki-pl)

[PARIGP-1] Wikipedia, PARI/GP, (Wiki-en)

[Czebyszew1-2] Wikipedia, Pafnuty Czebyszew (1821 - 1893), (Wiki-pl), (Wiki-ru)

[Czebyszew2-3] P. L. Chebyshev, Mémoire sur les nombres premiers, J. de Math. Pures Appl. (1) 17 (1852), 366-390, (LINK)

[Erdos-4] P. Erdos, Beweis eines Satzes von Tschebyschef, Acta Litt. Sci. Szeged 5 (1932), 194-198, (LINK1), (LINK2)

[Dusart99-5] P. Dusart, The [math]\displaystyle{ k^{th} }[/math] prime is greater than [math]\displaystyle{ k (\ln k + \ln \ln k - 1) }[/math] for [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math], Math. Of Computation, Vol. 68, Number 225 (January 1999), pp. 411-415.

[Dusart06-6] P. Dusart, Sharper bounds for [math]\displaystyle{ \psi }[/math], [math]\displaystyle{ \theta }[/math], [math]\displaystyle{ \pi }[/math], [math]\displaystyle{ p_k }[/math], Rapport de recherche no. 1998-06, Université de Limoges

[Dusart10-7] P. Dusart, Estimates of some functions over primes without R.H., (2010), (LINK)

[Dusart18-8] P. Dusart, Explicit estimates of some functions over primes, Ramanujan Journal. 45 (1) (January 2018) pp. 225-234.

[Stirling-9] Wikipedia, Wzór Stirlinga, (Wiki-pl), (Wiki-en)

[p1-10] Wikipedia, Twierdzenie o zbieżności ciągu monotonicznego, (LINK)

[exp1-11] 11,0 ^11,1 Wikipedia, Characterizations of the exponential function, (Wiki-en)

[Cauchy1-12] Wikipedia, Cauchy product, (Wiki-en)

[Cauchy2-13] Wikipedia, Szereg (matematyka) - Działania, (Wiki-pl)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

Twierdzenie Czebyszewa o funkcji π(n): Różnice pomiędzy wersjami

Aktualna wersja na dzień 13:20, 21 lis 2025

Spis treści

Oznaczenia

Twierdzenie Czebyszewa

Oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n }[/math] od dołu i [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od góry

Wykładnik, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w [math]\displaystyle{ n! }[/math]

Oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n }[/math] od góry i [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od dołu

Uwagi do dowodu

Zastosowania

Dokładniejsze oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od dołu

Przypisy

Menu nawigacyjne

@@ Linia 142: / Linia 142: @@
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-Indukcja matematyczna. W&nbsp;przypadku lewej nierówności łatwo sprawdzamy, że <math>3.8^{81} < {\small\binom{160}{80}}</math>. Zakładając prawdziwość nierówności dla <math>n \geqslant 80</math>, otrzymujemy dla <math>n + 1</math>
+Indukcja matematyczna<span style="color: Green"><sup>[a]</sup></span>. W&nbsp;przypadku lewej nierówności łatwo sprawdzamy, że <math>3.8^{81} < {\small\binom{160}{80}}</math>. Zakładając prawdziwość nierówności dla <math>n \geqslant 80</math>, otrzymujemy dla <math>n + 1</math>
 ::<math>{\small\binom{2 (n + 1)}{n + 1}} = {\small\binom{2 n}{n}} \cdot {\small\frac{(2 n + 2) (2 n + 1)}{(n + 1) (n + 1)}} > 3.8^{n + 1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - {\small\frac{1}{n + 1}} \right) \geqslant 3.8^{n + 1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - {\small\frac{1}{80 + 1}} \right) > 3.8^{n + 1} \cdot 3.9753 > 3.8^{n + 2}</math>
@@ Linia 150: / Linia 150: @@
 ::<math>{\small\binom{2 (n + 1)}{n + 1}} = {\small\binom{2 n}{n}} \cdot {\small\frac{(2 n + 2) (2 n + 1)}{(n + 1) (n + 1)}} < 4^{n -1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - {\small\frac{1}{n + 1}} \right) < 4^n</math>
+<hr style="width: 25%; height: 2px; " />
+<span style="color: Green">[a]</span> Warto znać asymptotykę współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math>, aby lepiej zrozumieć dowodzone w&nbsp;twierdzeniu oszacowanie. Ze wzoru Stirlinga<ref name="Stirling"/>
+::<math>\log n! \sim n \log n - n + {\small\frac{1}{2}} \log (2 \pi n) + {\small\frac{1}{12 n}} - {\small\frac{1}{360 n^3}} + {\small\frac{1}{1260 n^5}} - {\small\frac{1}{1680 n^7}} + {\small\frac{1}{1188 n^9}} + \ldots + {\small\frac{B_{2 k}}{(2 k - 1) 2 k \cdot n^{2 k - 1}}} + \ldots</math>
+::<math>n! \sim \sqrt{2 \pi n} \cdot \left( {\small\frac{n}{e}} \right)^n \cdot \exp \left( \sum_{k = 1}^{\infty} {\small\frac{B_{2 k}}{2 k (2 k - 1) n^{2 k - 1}}} \right)</math>
+::<math>\;\;\;\,\, = \sqrt{2 \pi n} \cdot \left( {\small\frac{n}{e}} \right)^n \cdot \left( 1 + {\small\frac{1}{12 n}} + {\small\frac{1}{288 n^2}} - {\small\frac{139}{51840 n^3}} - {\small\frac{571}{2488320 n^4}} + {\small\frac{163879}{209018880 n^5}} + {\small\frac{5246819}{75246796800 n^6}} - \ldots \right)</math>
+gdzie <math>B_i</math> są liczbami Bernoulliego, wynika, że
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} \sim {\small\frac{4^n}{\sqrt{\pi n}}} \cdot \left( 1 - {\small\frac{1}{8 n}} + {\small\frac{1}{128 n^2}} + {\small\frac{5}{1024 n^3}} - {\small\frac{21}{32768 n^4}} - \ldots \right)</math>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 237: / Linia 251: @@
-<span id="A7" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A7</span><br/>
+<span id="A7" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Zadanie A7</span><br/>
+Pokazać, że dla <math>n \geqslant 3</math> ciąg <math>a_n = {\small\frac{n}{\log n}}</math> jest silnie rosnący.
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Rozwiązanie|Hide=Ukryj rozwiązanie}}
+Definicję ciągu silnie rosnącego podajemy w [[Ciągi liczbowe#C3|C3]]. Z twierdzenia [[#A6|A6]] otrzymujemy natychmiast, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest
+::<math>n > \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n</math>
+Zatem <math>n^{n + 1} > (n + 1)^n</math>. Logarytmując, dostajemy
+::<math>(n + 1) \log n > n \log (n + 1)</math>
+Czyli
+::<math>{\small\frac{n + 1}{\log (n + 1)}} > {\small\frac{n}{\log n}}</math>
+Łatwo sprawdzamy, że
+::<math>{\small\frac{3}{\log 3}} < {\small\frac{2}{\log 2}}</math>
+Co należało pokazać.<br/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
+<span id="A8" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A8</span><br/>
 Prawdziwe są następujące oszacowania:
@@ Linia 253: / Linia 293: @@
-<span id="A8" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A8</span><br/>
+<span id="A9" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A9</span><br/>
 Dla <math>n \geqslant 2</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>{\small\frac{P (2 n)}{P (n)}} < 4^{n - 1}</math>, gdzie <math>P (n)</math> oznacza iloczyn wszystkich liczb pierwszych nie większych od <math>n</math>.
@@ Linia 275: / Linia 315: @@
-<span id="A9" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A9</span><br/>
+<span id="A10" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A10</span><br/>
 Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>P(n) < 4^n</math>
@@ Linia 283: / Linia 323: @@
 ::<math>P(n + 1) = P (2 k + 1) = P (2 k + 2) = P (k + 1) \cdot {\small\frac{P (2 k + 2)}{P (k + 1)}} < 4^{k + 1} \cdot 4^k = 4^{2 k + 1} = 4^{n + 1}</math>
-gdzie skorzystaliśmy z&nbsp;założenia indukcyjnego i&nbsp;oszacowania z&nbsp;twierdzenia [[#A8|A8]].
+gdzie skorzystaliśmy z&nbsp;założenia indukcyjnego i&nbsp;oszacowania z&nbsp;twierdzenia [[#A9|A9]].
 Jeżeli <math>n + 1 = 2 k</math> jest liczbą parzystą większą lub równą <math>4</math>, to mamy
@@ Linia 289: / Linia 329: @@
 ::<math>P(n + 1) = P (2 k) = P (k) \cdot {\small\frac{P (2 k)}{P (k)}} < 4^k \cdot 4^{k - 1} = 4^{2 k - 1} < 4^{2 k} = 4^{n + 1}</math>
-gdzie ponownie skorzystaliśmy z&nbsp;założenia indukcyjnego i&nbsp;oszacowania z&nbsp;twierdzenia [[#A8|A8]].<br/>
+gdzie ponownie skorzystaliśmy z&nbsp;założenia indukcyjnego i&nbsp;oszacowania z&nbsp;twierdzenia [[#A9|A9]].<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 295: / Linia 335: @@
-<span id="A10" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A10</span><br/>
+<span id="A11" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A11</span><br/>
 Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>p_n > {\small\frac{1}{2 \log 2}} \cdot n \log n</math>.
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-Ponieważ z&nbsp;definicji <math>P(p_n) = p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n</math>, to korzystając z&nbsp;oszacowań uzyskanych w&nbsp;twierdzeniach [[#A7|A7]] i&nbsp;[[#A9|A9]] dostajemy dla <math>n \geqslant 13</math>
+Ponieważ z&nbsp;definicji <math>P(p_n) = p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n</math>, to korzystając z&nbsp;oszacowań uzyskanych w&nbsp;twierdzeniach [[#A8|A8]] i&nbsp;[[#A10|A10]] dostajemy dla <math>n \geqslant 13</math>
 ::<math>n^n < p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n = P (p_n) < 4^{p_n}</math>
@@ Linia 317: / Linia 357: @@
-<span id="A11" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A11</span><br/>
+<span id="A12" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A12</span><br/>
 Dla <math>n \geqslant 2</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\pi (2 n) - \pi (n) < 2 \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>.
@@ Linia 341: / Linia 381: @@
-<span id="A12" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A12</span><br/>
+<span id="A13" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A13</span><br/>
 Dla <math>n \geqslant 2</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\pi (n) < 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>.
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-Indukcja matematyczna. Oszacowanie <math>\pi (n) < 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math> jest prawdziwe dla <math>2 \leqslant n \leqslant 62</math>, co łatwo sprawdzamy przez bezpośrednie wyliczenie. W&nbsp;programie GP/PARI wystarczy wpisać polecenie:
+Indukcja matematyczna. Oszacowanie <math>\pi (n) < 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math> jest prawdziwe dla <math>2 \leqslant n \leqslant 62</math>, co łatwo sprawdzamy przez bezpośrednie wyliczenie. W&nbsp;programie GP/PARI wystarczy wpisać polecenie
   <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 2, 62, '''if'''( '''primepi'''(n) >= 2 * n/'''log'''(n), '''print'''(n) ))</span>
@@ Linia 351: / Linia 391: @@
 Zakładając prawdziwość wzoru dla wszystkich liczb naturalnych należących do przedziału <math>[2, n]</math>, otrzymujemy dla <math>n + 1</math>
-a) jeżeli <math>n + 1</math> jest liczbą parzystą, to:
+a) jeżeli <math>n + 1</math> jest liczbą parzystą, to
 ::<math>\pi (n + 1) = \pi (n) = 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} < 2 \cdot {\small\frac{n + 1}{\log (n + 1)}}</math>
-Ostatnia nierówność wynika z twierdzenia A6. Wystarczy zauważyć, że <math>n > \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n</math> dla <math>n \geqslant 3</math>. Zatem <math>n^{n + 1} > (n + 1)^n</math>. Logarytmując, otrzymujemy <math>(n + 1) \log n > n \log (n + 1)</math>.
+Ostatnia nierówność wynika natychmiast z zadania [[#A7|A7]].
 b) jeżeli <math>n + 1</math> jest liczbą nieparzystą, to możemy położyć <math>n + 1 = 2 k + 1</math> i&nbsp;otrzymujemy:
@@ Linia 394: / Linia 434: @@
-<span id="A13" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Definicja A13</span><br/>
+<span id="A14" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Definicja A14</span><br/>
 Funkcję <math>\lfloor x \rfloor</math> (czytaj: całość z <math>x</math>) definiujemy jako największą liczbę całkowitą nie większą od <math>x</math>. Operacyjnie możemy ją zdefiniować następująco: niech liczby <math>x, \varepsilon \in \mathbb{R}</math>, liczba <math>k \in \mathbb{Z}</math> oraz <math>0 \leqslant \varepsilon < 1</math>, jeżeli <math>x = k + \varepsilon</math>, to <math>\lfloor x \rfloor = \lfloor k + \varepsilon \rfloor = k </math>.
-<span id="A14" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A14</span><br/>
+<span id="A15" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A15</span><br/>
 Dla <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>, <math>x \in \mathbb{R}</math> jest <math>\left \lfloor {\small\frac{x}{n}} \right\rfloor = \left \lfloor {\small\frac{\left \lfloor x \right \rfloor}{n}} \right \rfloor</math>.
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-Korzystając z&nbsp;definicji [[#A13|A13]], przedstawmy liczbę w&nbsp;postaci <math>x = k + \varepsilon</math>, gdzie <math>0 \leqslant \varepsilon < 1</math>.
+Korzystając z&nbsp;definicji [[#A14|A14]], przedstawmy liczbę w&nbsp;postaci <math>x = k + \varepsilon</math>, gdzie <math>0 \leqslant \varepsilon < 1</math>.
 Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;o dzieleniu z&nbsp;resztą liczbę <math>k</math> możemy zapisać w&nbsp;postaci <math>k = q n + r</math>, gdzie <math>0 \leqslant r \leqslant n - 1</math>, mamy zatem <math>x = q n + r + \varepsilon</math>. Ponieważ <math>0 \leqslant r + \varepsilon < n</math>, to po podzieleniu przez <math>n</math> dostajemy
@@ Linia 425: / Linia 465: @@
-<span id="A15" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A15</span><br/>
+<span id="A16" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A16</span><br/>
 Niech <math>x \in \mathbb{R}</math>. Liczba <math>\lfloor 2 x \rfloor - 2 \lfloor x \rfloor</math> przyjmuje wartości <math>0</math> lub <math>1</math>.
@@ Linia 442: / Linia 482: @@
-<span id="A16" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Definicja A16</span><br/>
+<span id="A17" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Definicja A17</span><br/>
 Niech <math>p</math> będzie liczbą pierwszą, zaś <math>a</math> dowolną liczbą naturalną. Jeżeli liczba pierwsza <math>p</math> wchodzi do rozwinięcia liczby naturalnej <math>n \geqslant 2</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem <math>a</math>, to powiemy, że funkcja <math>W_p (n)</math> przyjmuje wartość <math>a</math>. Fakt ten możemy zapisać następująco
@@ Linia 449: / Linia 489: @@
-<span id="A17" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A17</span><br/>
+<span id="A18" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A18</span><br/>
 <math>W_5 (100) = 2</math>,&nbsp;&nbsp; <math>W_7 (42) = 1</math>,&nbsp;&nbsp; ponieważ <math>11! = 2^8 \cdot 3^4 \cdot 5^2 \cdot 7 \cdot 11</math>, to <math>W_3 (11!) = 4</math>
@@ Linia 457: / Linia 497: @@
-<span id="A18" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A18</span><br/>
+<span id="A19" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A19</span><br/>
 Podstawowe własności funkcji <math>W_p (n)</math>
@@ Linia 468: / Linia 508: @@
-<span id="A19" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A19</span><br/>
+<span id="A20" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A20</span><br/>
 Niech <math>p</math> będzie liczbą pierwszą. Ilość liczb podzielnych przez <math>p</math> i&nbsp;występujących w&nbsp;ciągu <math>1, 2, 3, \ldots, n</math> wynosi <math>r = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor</math>.
@@ Linia 482: / Linia 522: @@
-<span id="A20" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A20</span><br/>
+<span id="A21" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A21</span><br/>
 Ilość liczb całkowitych dodatnich podzielnych przez <math>5</math> i&nbsp;nie większych od <math>63</math> wynosi <math>\left\lfloor {\small\frac{63}{5}} \right\rfloor = 12</math>. Liczby te to <math>5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60</math>.
-Twierdzenie [[#A19|A19]] umożliwi nam określenie wykładnika, z&nbsp;jakim liczba pierwsza <math>p</math> występuje w <math>n!</math>
+Twierdzenie [[#A20|A20]] umożliwi nam określenie wykładnika, z&nbsp;jakim liczba pierwsza <math>p</math> występuje w <math>n!</math>
-<span id="A21" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A21</span><br/>
+<span id="A22" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A22</span><br/>
 Liczba pierwsza <math>p</math> występuje w&nbsp;iloczynie <math>n!</math> z&nbsp;wykładnikiem <math>W_p (n!) = \sum_{k = 1}^{\infty} \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor</math>
@@ Linia 505: / Linia 545: @@
 ::<math>W_p (n!) = \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor + W_p \left( p \cdot 2 p \cdot 3 p \cdot \ldots \cdot \left\lfloor {\small\frac{\lfloor n / p \rfloor}{p}} \right\rfloor \cdot p \right)</math>
-Z twierdzenia [[#A14|A14]] wiemy, że dla <math>x \in \mathbb{R}</math> i <math>n \in \mathbb{Z}_{+}</math> jest:
+Z twierdzenia [[#A15|A15]] wiemy, że dla <math>x \in \mathbb{R}</math> i <math>n \in \mathbb{Z}_{+}</math> jest:
 ::<math>\left\lfloor {\small\frac{\lfloor x \rfloor}{n}} \right\rfloor = \left \lfloor {\small\frac{x}{n}} \right \rfloor</math>
@@ Linia 527: / Linia 567: @@
-<span id="A22" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A22</span><br/>
+<span id="A23" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A23</span><br/>
 Łatwo zauważymy, że liczba sumowań jest skończona, gdy powyższy wzór zapiszemy w&nbsp;postaci
@@ Linia 540: / Linia 580: @@
-<span id="A23" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A23</span><br/>
+<span id="A24" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A24</span><br/>
 Niech <math>n = 30</math>, <math>p = 3</math>
@@ Linia 573: / Linia 613: @@
-<span id="A24" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A24</span><br/>
+<span id="A25" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A25</span><br/>
 Liczba pierwsza <math>p</math> wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> z&nbsp;wykładnikiem
@@ Linia 588: / Linia 628: @@
-<span id="A25" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A25</span><br/>
+<span id="A26" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A26</span><br/>
 Liczby pierwsze spełniające warunek <math>p > \sqrt{2 n}</math> występują w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem <math>u = 1</math> lub <math>u = 0</math>.
@@ Linia 596: / Linia 636: @@
 ::<math>u = \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) = \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p}} \right \rfloor</math>
-Na mocy twierdzenia [[#A15|A15]] (dla <math>x = \tfrac{n}{p}</math>), dostajemy natychmiast, że <math>u = 1</math> lub <math>u = 0</math>.
+Na mocy twierdzenia [[#A16|A16]] (dla <math>x = \tfrac{n}{p}</math>), dostajemy natychmiast, że <math>u = 1</math> lub <math>u = 0</math>.
 <br/>
 &#9633;
@@ Linia 603: / Linia 643: @@
-<span id="A26" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A26</span><br/>
+<span id="A27" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A27</span><br/>
-Niech <math>p</math> będzie liczbą pierwszą. Jeżeli <math>p^a \biggr\rvert {\small\binom{2 n}{n}}</math>, to <math>p^a \leqslant 2 n</math>.
+Niech <math>n \in \mathbb{N}_0 \,</math> i <math>\, p</math> będzie liczbą pierwszą. Jeżeli <math>p^a \biggr\rvert {\small\binom{2 n}{n}}</math>, to <math>p^a \leqslant 2 n</math>. Równość w tym oszacowaniu jest możliwa tylko w przypadku, gdy <math>n = 1</math> (wtedy <math>p = 2 \;</math> i <math>\; a = 1</math>).
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
@@ Linia 614: / Linia 654: @@
 ::<math>p^a \leqslant p^u \leqslant p^s \leqslant 2 n</math>
-&#9633;
-{{\Spoiler}}
+Rozważmy przypadek, gdy <math>p^a = 2 n</math>. Liczba pierwsza <math>p</math> nie może być liczbą nieparzystą, bo po prawej stronie równości mamy liczbę parzystą. Zatem może jedynie być <math>p = 2</math> i nie może być <math>a = 0 .</math> Czyli dostajemy <math>2^a = 2 n</math>, a stąd <math>n = 2^{a - 1} \;</math> i <math>\; a \geqslant 1</math>.
+Zauważmy teraz, że dla <math>a \geqslant 1</math> mamy
+::<math>\sum_{k = 1}^{\infty} \left( \left\lfloor {\small\frac{2^a}{2^k}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{2^{a - 1}}{2^k}} \right\rfloor \right) = \sum_{k = 1}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor - 2 \sum_{k = 1}^{a - 1} \lfloor 2^{a - (k + 1)} \rfloor</math>
-== Oszacowanie <math>p_n</math> od góry i <math>\pi (n)</math> od dołu ==
+:::::::::<math>\;\;\, = \sum_{k = 1}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor - 2 \sum_{j = 2}^{a} \lfloor 2^{a - j} \rfloor</math>
-Z twierdzenia [[#A26|A26]] wynika natychmiast
+:::::::::<math>\;\;\, = \lfloor 2^{a - 1} \rfloor + \sum_{k = 2}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor - 2 \sum_{j = 2}^{a} \lfloor 2^{a - j} \rfloor</math>
+:::::::::<math>\;\;\, = \lfloor 2^{a - 1} \rfloor - \sum_{k = 2}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor</math>
-<span id="A27" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A27</span><br/>
+:::::::::<math>\;\;\, = 2 \lfloor 2^{a - 1} \rfloor - \sum_{k = 1}^{a} \lfloor 2^{a - k} \rfloor</math>
-Niech <math>{\small\binom{2 n}{n}} = q^{\alpha_1}_1 \cdot \ldots \cdot q^{\alpha_s}_s</math> będzie rozkładem współczynnika dwumianowego na czynniki pierwsze. Dla każdej liczby pierwszej <math>q_i</math>, <math>i = 1, \ldots, s</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>q^{\alpha_i}_i \leqslant 2 n</math>.
-Uwaga: w&nbsp;powyższym twierdzeniu <math>q_i</math> nie oznacza <math>i</math>-tej liczby pierwszej, a&nbsp;pewną liczbą pierwszą o&nbsp;indeksie <math>i</math> ze zboru liczb pierwszych <math>q_1, \ldots q_s</math>, które wchodzą do rozkładu współczynnika dwumianowego na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem większym od zera.
+:::::::::<math>\;\;\, = 2^a - \sum_{k = 1}^{a} 2^{a - k}</math>
+:::::::::<math>\;\;\, = 2^a - 2^a \sum_{k = 1}^{a} {\small\frac{1}{2^k}}</math>
+:::::::::<math>\;\;\, = 1</math>
-<span id="A28" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A28</span><br/>
-Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math>
-::<math>{\small\binom{2 n}{n}} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)}</math>
+Zatem
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+::<math>a = \sum_{k = 1}^{\infty} \left( \left\lfloor {\small\frac{2 n}{2^k}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{2^k}} \right\rfloor \right)
-Dowód wynika natychmiast z&nbsp;twierdzenia [[#A27|A27]], bo
+= \sum_{k = 1}^{\infty} \left( \left\lfloor {\small\frac{2^a}{2^k}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{2^{a - 1}}{2^k}} \right\rfloor \right) = 1</math>
-::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = q^{\alpha_1}_1 \cdot \ldots \cdot q^{\alpha_s}_s \leqslant (2 n)^s \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)}</math>
+Wynika stąd, że <math>n = 2^{a - 1} = 1</math>. Istotnie, dla <math>n = 1</math> dostajemy
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = {\small\binom{2}{1}} = 2</math>
+Widzimy, że dla <math>p = 2 \;</math> i <math>\; n = 1 \;</math> jest <math>\; p \biggr\rvert {\small\binom{2 n}{n}} \;</math> i <math>\; p = 2 n</math>. Co należało pokazać.<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 647: / Linia 693: @@
-<span id="A29" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A29</span><br/>
-Dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie
-::<math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+== Oszacowanie <math>p_n</math> od góry i <math>\pi (n)</math> od dołu ==
-W twierdzeniu [[#A4|A4]] oszacowaliśmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math>. Przepiszemy, to twierdzenie w&nbsp;postaci bardziej czytelnej dla potrzeb tego dowodu
-::<math>\left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 2} = 3.8^{n + 1} < {\small\binom{2 n}{n}}</math>
+Z twierdzenia [[#A27|A27]] wynika natychmiast
-Nierówności te są prawdziwe dla <math>n \geqslant 80</math>. Z&nbsp;twierdzenia [[#A28|A28]] mamy
-::<math>\left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} < {\small\binom{2 n}{n}} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)}</math>
+<span id="A28" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A28</span><br/>
+Niech <math>{\small\binom{2 n}{n}} = q^{\alpha_1}_1 \cdot \ldots \cdot q^{\alpha_s}_s</math> będzie rozkładem współczynnika dwumianowego na czynniki pierwsze. Dla każdej liczby pierwszej <math>q_i</math>, <math>i = 1, \ldots, s</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>q^{\alpha_i}_i \leqslant 2 n</math>.
-Łącząc odpowiednie oszacowania współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> od góry z&nbsp;odpowiednimi oszacowaniami od dołu, dostajemy
+Uwaga: w&nbsp;powyższym twierdzeniu <math>q_i</math> nie oznacza <math>i</math>-tej liczby pierwszej, a&nbsp;pewną liczbą pierwszą o&nbsp;indeksie <math>i</math> ze zboru liczb pierwszych <math>q_1, \ldots q_s</math>, które wchodzą do rozkładu współczynnika dwumianowego na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem większym od zera.
-::<math>(2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1}</math>
-::<math>(2 n)^{\pi (2 n)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n}</math>
-Zatem zarówno dla parzystych, jak i&nbsp;nieparzystych liczb <math>m \geqslant 160</math> jest
+<span id="A29" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A29</span><br/>
+Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math>
-::<math>m^{\pi (m)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^m</math>
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)}</math>
-::<math>\pi (m) \cdot \log m > m \cdot \log \left( \sqrt{3.8} \right)</math>
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Dowód wynika natychmiast z&nbsp;twierdzenia [[#A28|A28]], bo
-Czyli
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = q^{\alpha_1}_1 \cdot \ldots \cdot q^{\alpha_s}_s \leqslant (2 n)^s \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)}</math>
-::<math>\pi (m) > {\small\frac{1}{2}} \cdot \log \left ( 3.8 \right ) \cdot {\small\frac{m}{\log m}} > 0.6675 \cdot {\small\frac{m}{\log m}} > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{m}{\log m}}</math>
-Dla <math>m = 3, 4, \ldots, 159</math> prawdziwość nierówności sprawdzamy przez bezpośrednie wyliczenie. W&nbsp;programie GP/PARI wystarczy wykonać polecenie
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 2, 200, '''if'''( '''primepi'''(n) <= 2/3 * n/'''log'''(n), '''print'''(n) ))</span>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 686: / Linia 722: @@
 <span id="A30" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A30</span><br/>
-Niech <math>n \geqslant 3</math>. Dla <math>n</math>-tej liczby pierwszej <math>p_n</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>p_n < 2 n \log n</math>
+Dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie
+::<math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-Rozpoczniemy od pokazania, że dla <math>x > 83499.14</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie funkcji <math>\log x</math> od góry
+W twierdzeniu [[#A4|A4]] oszacowaliśmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math>. Przepiszemy, to twierdzenie w&nbsp;postaci bardziej czytelnej dla potrzeb tego dowodu
-::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 4}</math>
+::<math>\left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 2} = 3.8^{n + 1} < {\small\binom{2 n}{n}}</math>
-Wiemy, że dla dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math> istnieje takie <math>x_0</math>, że dla <math>x > x_0</math> jest <math>\log x < x^{1 / n}</math>. Zatem dla odpowiednio dużych <math>x</math> z&nbsp;pewnością będzie <math>\tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} > \log x \,</math><span style="color: Green"><sup>[a]</sup></span>. Zamieszczony niżej obrazek przedstawia wykres funkcji <math>f( x ) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} - \log x</math>.
+Nierówności te są prawdziwe dla <math>n \geqslant 80</math>. Z&nbsp;twierdzenia [[#A29|A29]] mamy
-::[[File: A_Czebyszew-wykres-1.png|1000px|none]]
+::<math>\left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} < {\small\binom{2 n}{n}} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)}</math>
-Wpisując w&nbsp;PARI/GP polecenie
+Łącząc odpowiednie oszacowania współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> od góry z&nbsp;odpowiednimi oszacowaniami od dołu, dostajemy
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''solve'''(x = 80000, 10^5, 2/3 * x^(1/4) - '''log'''(x))</span>
+::<math>(2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1}</math>
-wyliczamy, że funkcja <math>f( x )</math> przecina oś <math>O X</math> w&nbsp;punkcie <math>x = 83499.136 \ldots</math> Wynika stąd, że dla <math>x > 83499.14</math> prawdziwa jest nierówność
+::<math>(2 n)^{\pi (2 n)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n}</math>
-::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 4}</math>
+Zatem zarówno dla parzystych, jak i&nbsp;nieparzystych liczb <math>m \geqslant 160</math> jest
+::<math>m^{\pi (m)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^m</math>
-Z twierdzenia [[#A29|A29]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>. Kładąc <math>n = p_k</math>, otrzymujemy dla <math>k \geqslant 2</math>
+::<math>\pi (m) \cdot \log m > m \cdot \log \left( \sqrt{3.8} \right)</math>
-::<math>k = \pi (p_k) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{p_k}{\log p_k}}</math>
+Czyli
+::<math>\pi (m) > {\small\frac{1}{2}} \cdot \log \left ( 3.8 \right ) \cdot {\small\frac{m}{\log m}} > 0.6675 \cdot {\small\frac{m}{\log m}} > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{m}{\log m}}</math>
+Dla <math>m = 3, 4, \ldots, 159</math> prawdziwość nierówności sprawdzamy przez bezpośrednie wyliczenie. W&nbsp;programie GP/PARI wystarczy wykonać polecenie
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 2, 200, '''if'''( '''primepi'''(n) <= 2/3 * n/'''log'''(n), '''print'''(n) ))</span>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
-Zatem
-::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot \log p_k \qquad \qquad (1)</math>
-Korzystając z&nbsp;wcześniej pokazanego oszacowania, otrzymujemy nierówność prawdziwą dla <math>p_k > 83499</math>
+<span id="A31" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A31</span><br/>
+Niech <math>a \in \mathbb{R}_+</math>. Ciąg <math>u_n = {\small\frac{n^a}{\log n}}</math> jest ciągiem silnie rosnącym dla <math>n > e^{1 / a}</math>.
-::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{2}{3}} \cdot (p_k)^{1 / 4}</math>
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Zauważmy, że dowodzone twierdzenie jest uogólnieniem twierdzenia [[#A7|A7]]. Rozważmy funkcję zmiennej rzeczywistej <math>f(x) = {\small\frac{x^a}{\log x}}</math>. Pochodna funkcji <math>f(x)</math> jest równa
-czyli
+::<math>f' (x) = {\small\frac{x^{a - 1}}{\log^2 x}} \cdot (a \log x - 1) \qquad</math> ([https://www.wolframalpha.com/input?i=D%5Bx%5Ea%2Flog%28x%29%2C+x%5D WolframAlpha])
-::<math>(p_k)^{3 / 4} < k</math>
+Dla <math>x \in (0, 1)</math> mamy <math>\log x < 0</math> i pochodna <math>f' (x)</math> jest ujemna.
-::<math>p_k < k^{4 / 3}</math>
+Dla <math>x > 1</math> mamy <math>\log x > 0</math> i pochodna <math>f' (x)</math> jest dodatnia, gdy
-Wstawiając to oszacowanie ponownie do <math>(1)</math>, dostajemy
+::<math>a \log x - 1 > 0</math>
-::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{4}{3}} \cdot \log k = 2 k \log k</math>
+::<math>\log x > {\small\frac{1}{a}}</math>
-Wpisując w&nbsp;PARI/GP polecenie
+::<math>x > e^{1 / a}</math>
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(k = 1, 10^5, p = '''prime'''(k); '''if'''( p > 83499, '''print'''("end"); '''break'''() ); '''if'''( p >= 2 * k * '''log'''(k), '''print'''(k) ))</span>
+Wynika stąd, że funkcja <math>f(x)</math> jest silnie rosnąca dla <math>x > e^{1 / a}</math>.
-łatwo sprawdzamy, że oszacowanie <math>p_k < 2 k \log k</math> jest prawdziwe dla <math>k \geqslant 3</math>.
+Zauważmy, że ciąg <math>u_n = {\small\frac{n^a}{\log n}}</math> to wartości funkcji <math>f(x)</math> w punktach całkowitych <math>x = n</math>, zatem otrzymujemy
+::<math>u_{n + 1} = f (n + 1) > f (n) = u_n \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n > e^{1 / a}</math>
-<hr style="width: 25%; height: 2px; " />
+Co należało pokazać.<br/>
-<span style="color: Green">[a]</span> Bardziej precyzyjnie: pochodna funkcji <math>f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} - \log x</math> jest równa <math>{\small\frac{1}{6 x^{3 / 4}}} - {\small\frac{1}{x}}</math> (zobacz [https://www.wolframalpha.com/input?i=D%5B+2%2F3+*+x%5E%281%2F4%29+-+log%28x%29%2C+x+%5D WolframAlpha]). Łatwo sprawdzamy, że pochodna jest ujemna w&nbsp;przedziale <math>(0, 1296)</math> i&nbsp;dodatnia w&nbsp;przedziale <math>(1296, \infty)</math>. Wynika stąd, że funkcja <math>f( x )</math> jest funkcją malejącą dla <math>x < 1296</math> i&nbsp;rosnącą dla <math>x > 1296</math>.<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 742: / Linia 789: @@
+<span id="A32" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A32</span><br/>
+Zauważmy, że prawdziwe jest proste stwierdzenie
+::''Jeżeli ciąg <math>u_n</math> jest rosnący dla <math>n > n_0</math> oraz istnieje takie <math>n_1 > n_0</math>, że <math>u_{n_1} > 0</math>, to dla wszystkich <math>n \geqslant n_1</math> mamy <math>u_n > 0</math>.''
+Podkreślmy, że liczba <math>n_1</math> może być znaleziona różnymi metodami i nie musimy wyjaśniać, jak ją znaleźliśmy.
+Dla przykładu rozważmy problem z twierdzenia [[#A33|A33]]. Pokazujemy tam, że dla odpowiednio dużego <math>n</math> jest
+::<math>u_n = {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n^{1 / 4}}{\log n}} - 1 > 0</math>
+Istotnie, ciąg <math>{\small\frac{n^{1 / 4}}{\log n}}</math> jest silnie rosnący dla <math>n > e^4 \approx 54.6</math> (zobacz [[#A31|A31]]). Również ciąg <math>u_n = {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n^{1 / 4}}{\log n}} - 1</math> jest silnie rosnący dla <math>n > e^4</math> (zobacz [[Ciągi liczbowe#C4|C4]]).
-Dowód twierdzenia [[#A30|A30]] kończy dowód całego twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]]. Możemy teraz dokończyć dowód twierdzenia&nbsp;[[#A7|A7]] i&nbsp;pokazać, że dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest oszacowanie:
+Mamy też
-::<math>p_1 \cdot \ldots \cdot p_n < (n \log n)^n</math>
+::<math>u_{83500} \approx 0.00000167 > 0</math>
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Oczywiście <math>83500 > e^4</math>, zatem ciąg <math>{\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n^{1 / 4}}{\log n}} - 1</math> jest większy od zera dla wszystkich <math>n \geqslant 83500</math>.
-Indukcja matematyczna. Twierdzenie jest prawdziwe dla <math>n = 3</math>. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla <math>n</math>, otrzymujemy dla <math>n + 1</math>:
-::<math>p_1 \cdot \ldots \cdot p_n p_{n + 1} < (n \log n)^n \cdot p_{n + 1} < </math>
+Zastosowane wyżej podejście może być wykorzystane w dowodach twierdzeń [[#A33|A33]], [[#A34|A34]], [[Twierdzenie Czebyszewa o liczbie pierwszej między n i 2n#B12|B12]] itd.
-::::::<math>\quad < n^n \cdot (\log n)^n \cdot 2 (n + 1) \log (n + 1) \leqslant</math>
-::::::<math>\quad \leqslant n^n \cdot \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n \cdot (n + 1) \cdot (\log n)^n \cdot \log (n + 1) <</math>
-::::::<math>\quad < (n + 1)^{n + 1} \cdot [\log (n + 1)]^n \cdot \log (n + 1) =</math>
+<span id="A33" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A33</span><br/>
+Niech <math>n \geqslant 3</math>. Dla <math>n</math>-tej liczby pierwszej <math>p_n</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>p_n < 2 n \log n</math>
-::::::<math>\quad = [(n + 1) \cdot \log (n + 1)]^{n + 1}</math>
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Rozpoczniemy od pokazania, że dla <math>x > 83499.14</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie funkcji <math>\log x</math> od góry
-Gdzie skorzystaliśmy z&nbsp;twierdzenia [[#A30|A30]] oraz z&nbsp;faktu, że ciąg <math>a_n = \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n</math> jest ciągiem ograniczonym <math>2 \leqslant a_n < 3</math> (zobacz twierdzenie [[#A6|A6]]).<br/>
+::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 4}</math>
-&#9633;
-{{\Spoiler}}
+Wiemy, że dla dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math> istnieje takie <math>x_0</math>, że dla <math>x > x_0</math> jest <math>\log x < x^{1 / n}</math>. Zatem dla odpowiednio dużych <math>x</math> z&nbsp;pewnością będzie <math>\tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} > \log x \,</math><span style="color: Green"><sup>[a]</sup></span>. Zamieszczony niżej obrazek przedstawia wykres funkcji <math>f( x ) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} - \log x</math>.
+::[[File: A_Czebyszew-wykres-1.png|1000px|none]]
+Wpisując w&nbsp;PARI/GP polecenie
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''solve'''(x = 80000, 10^5, 2/3 * x^(1/4) - '''log'''(x))</span>
-== Uwagi do dowodu ==
+wyliczamy, że funkcja <math>f( x )</math> przecina oś <math>O X</math> w&nbsp;punkcie <math>x = 83499.136 \ldots</math> Wynika stąd, że dla <math>x > 83499.14</math> prawdziwa jest nierówność
-Wydłużając znacząco czas obliczeń, moglibyśmy nieco poprawić uzyskane wyżej oszacowanie i&nbsp;udowodnić
+::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 4}</math>
-<span id="A31" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A31</span><br/>
-Niech <math>n \geqslant 3</math>. Dla <math>n</math>-tej liczby pierwszej <math>p_n</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>p_n < 1.875 \cdot n \log n</math>
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Z twierdzenia [[#A30|A30]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>. Kładąc <math>n = p_k</math>, otrzymujemy dla <math>k \geqslant 2</math>
-Rozpoczniemy od pokazania, że dla <math>x > 7572437.23</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie funkcji <math>\log x</math> od góry
-::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 5}</math>
-Wiemy, że dla dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math> istnieje takie <math>x_0</math>, że dla <math>x > x_0</math> jest <math>\log x < x^{1 / n}</math>. Zatem dla odpowiednio dużych <math>x</math> z&nbsp;pewnością będzie <math>\tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} > \log x \,</math><span style="color: Green"><sup>[a]</sup></span>. Wpisując w&nbsp;PARI/GP polecenie
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''solve'''(x = 10^6, 10^7, 2/3 * x^(1/5) - '''log'''(x))</span>
-wyliczamy, że funkcja <math>f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} - \log x</math> przecina oś <math>O X</math> w&nbsp;punkcie <math>x = 7572437.223 \ldots</math> Wynika stąd, że dla <math>x > 7572437.23</math> prawdziwa jest nierówność
-::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 5}</math>
+::<math>k = \pi (p_k) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{p_k}{\log p_k}}</math>
-Z twierdzenia [[#A29|A29]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>. Kładąc <math>n = p_k</math>, otrzymujemy dla <math>k \geqslant 2</math>
-::<math>k = \pi (p_k) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{p_k}{\log p_k}}</math>
 Zatem
@@ Linia 804: / Linia 843: @@
 ::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot \log p_k \qquad \qquad (1)</math>
-Korzystając z&nbsp;wcześniej pokazanego oszacowania, otrzymujemy nierówność prawdziwą dla <math>p_k > 7572437</math>
+Korzystając z&nbsp;wcześniej pokazanego oszacowania, otrzymujemy nierówność prawdziwą dla <math>p_k > 83499</math>
-::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{2}{3}} \cdot (p_k)^{1 / 5}</math>
+::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{2}{3}} \cdot (p_k)^{1 / 4}</math>
 czyli
-::<math>(p_k)^{4 / 5} < k</math>
+::<math>(p_k)^{3 / 4} < k</math>
-::<math>p_k < k^{5 / 4}</math>
+::<math>p_k < k^{4 / 3}</math>
 Wstawiając to oszacowanie ponownie do <math>(1)</math>, dostajemy
-::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{5}{4}} \cdot \log k = 1.875 \cdot k \log k</math>
+::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{4}{3}} \cdot \log k = 2 k \log k</math>
 Wpisując w&nbsp;PARI/GP polecenie
-  <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(k = 1, 10^7, p = '''prime'''(k); '''if'''( p > 7572437, '''print'''("end"); '''break'''() ); '''if'''( p >= 2 * k * '''log'''(k), '''print'''(k) ))</span>
+  <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(k = 1, 10^5, p = '''prime'''(k); '''if'''( p > 83499, '''print'''("end"); '''break'''() ); '''if'''( p >= 2 * k * '''log'''(k), '''print'''(k) ))</span>
-łatwo sprawdzamy, że oszacowanie <math>p_k < 1.875 \cdot k \log k</math> jest prawdziwe dla <math>k \geqslant 3</math>.
+łatwo sprawdzamy, że oszacowanie <math>p_k < 2 k \log k</math> jest prawdziwe dla <math>k \geqslant 3</math>.
 <hr style="width: 25%; height: 2px; " />
-<span style="color: Green">[a]</span> Bardziej precyzyjnie: pochodna funkcji <math>f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} - \log x</math> jest równa <math>{\small\frac{2}{15 x^{4 / 5}}} - {\small\frac{1}{x}}</math> (zobacz [https://www.wolframalpha.com/input?i=D%5B+2%2F3+*+x%5E%281%2F5%29+-+log%28x%29%2C+x+%5D WolframAlpha]). Łatwo sprawdzamy, że pochodna jest ujemna w&nbsp;przedziale <math>(0, 23730.46875)</math> i&nbsp;dodatnia w&nbsp;przedziale <math>(23730.46875, \infty)</math>. Wynika stąd, że funkcja <math>f( x )</math> jest funkcją malejącą dla <math>x < 23730.46875</math> i&nbsp;rosnącą dla <math>x > 23730.46875</math>.<br/>
+<span style="color: Green">[a]</span> Bardziej precyzyjnie: pochodna funkcji <math>f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 4} - \log x</math> jest równa <math>{\small\frac{1}{6 x^{3 / 4}}} - {\small\frac{1}{x}}</math> (zobacz [https://www.wolframalpha.com/input?i=D%5B+2%2F3+*+x%5E%281%2F4%29+-+log%28x%29%2C+x+%5D WolframAlpha]). Łatwo sprawdzamy, że pochodna jest ujemna w&nbsp;przedziale <math>(0, 1296)</math> i&nbsp;dodatnia w&nbsp;przedziale <math>(1296, \infty)</math>. Wynika stąd, że funkcja <math>f( x )</math> jest funkcją malejącą dla <math>x < 1296</math> i&nbsp;rosnącą dla <math>x > 1296</math>.<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 832: / Linia 871: @@
-<span id="A32" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A32</span><br/>
-Niech <math>n \geqslant 2</math>. Dla funkcji <math>\pi (n)</math> prawdziwe jest oszacowanie
-::<math>\pi (n) < 1.733 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-Z twierdzenia [[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest
-::<math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} > n^{4 / 5}</math>
-Ostatnia nierówność wynika z&nbsp;faktu, że dla <math>x > 7572437.223 \ldots</math> prawdziwe jest oszacowanie
-::<math>{\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{x}{\log x}} > x^{4 / 5}</math>
-Korzystając z&nbsp;twierdzenia [[#A9|A9]] możemy napisać ciąg nierówności
-::<math>4^n > P (n) = p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_{\pi (n)} > \pi (n)^{\pi (n)} > (n^{4 / 5})^{\pi (n)} = n^{4 \pi (n) / 5}</math>
-skąd otrzymujemy, że dla <math>n \geqslant 7572438</math> prawdziwe jest oszacowanie
+Dowód twierdzenia [[#A33|A33]] kończy dowód całego twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]]. Możemy teraz dokończyć dowód twierdzenia&nbsp;[[#A8|A8]] i&nbsp;pokazać, że dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest oszacowanie:
+::<math>p_1 \cdot \ldots \cdot p_n < (n \log n)^n</math>
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Indukcja matematyczna. Twierdzenie jest prawdziwe dla <math>n = 3</math>. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla <math>n</math>, otrzymujemy dla <math>n + 1</math>:
+::<math>p_1 \cdot \ldots \cdot p_n p_{n + 1} < (n \log n)^n \cdot p_{n + 1} < </math>
+::::::<math>\quad < n^n \cdot (\log n)^n \cdot 2 (n + 1) \log (n + 1) \leqslant</math>
+::::::<math>\quad \leqslant n^n \cdot \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n \cdot (n + 1) \cdot (\log n)^n \cdot \log (n + 1) <</math>
-::<math>\pi (n) < 1.733 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
+::::::<math>\quad < (n + 1)^{n + 1} \cdot [\log (n + 1)]^n \cdot \log (n + 1) =</math>
-W GP/PARI sprawdzamy, że otrzymana nierówność jest prawdziwa dla <math>n \geqslant 2</math>
+::::::<math>\quad = [(n + 1) \cdot \log (n + 1)]^{n + 1}</math>
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 2, 8*10^6, '''if'''( '''primepi'''(n) >= 1.733 * n/'''log'''(n), '''print'''(n) ))</span>
+Gdzie skorzystaliśmy z&nbsp;twierdzenia [[#A33|A33]] oraz z&nbsp;faktu, że ciąg <math>a_n = \left( 1 + {\small\frac{1}{n}} \right)^n</math> jest ciągiem ograniczonym <math>2 \leqslant a_n < 3</math> (zobacz twierdzenie [[#A6|A6]]).<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 862: / Linia 902: @@
-<span id="A33" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A33</span><br/>
-Dowód twierdzenia [[#A31|A31]] wymagał wykorzystania polecenia PARI/GP, w&nbsp;którym wielokrotnie była wywoływana funkcja <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>prime(n)</code></span>. Analogiczna sytuacja miała miejsce w&nbsp;przypadku twierdzenia&nbsp;[[#A32|A32]] – tam musieliśmy wielokrotnie wywoływać funkcję <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>primepi(n)</code></span>. Znacznie lepiej w&nbsp;takim przypadku jest napisać krótki program, który zamiast wielokrotnie wywoływać te funkcje, będzie je obliczał w&nbsp;sposób ciągły w&nbsp;całym testowanym przedziale wartości. Taka zmiana znacząco skraca czas obliczeń. Podane niżej programy <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>Test1(n)</code></span> i <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>Test2(n)</code></span> wywołane z&nbsp;parametrami <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>n = 520000</code></span> i&nbsp;odpowiednio <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>n = 8*10^6</code></span> odpowiadają poleceniom
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(s = 1, 520000, '''if'''( '''prime'''(s) >= s^(5/4), '''print'''(s) ))</span>
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 2, 8 * 10^6, '''if'''( '''primepi'''(n) >= 1.733 * n / '''log'''(n), '''print'''(n) ))</span>
+== Uwagi do dowodu ==
+Wydłużając znacząco czas obliczeń, moglibyśmy nieco poprawić uzyskane wyżej oszacowanie i&nbsp;udowodnić
-ale wykonywane są znacznie szybciej.
+<span id="A34" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A34</span><br/>
+Niech <math>n \geqslant 3</math>. Dla <math>n</math>-tej liczby pierwszej <math>p_n</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>p_n < 1.875 \cdot n \log n</math>
- <span style="font-size: 90%; color:black;">Test1(n) =
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
- \\ test oszacowania: prime(k) >= k^(5/4) dla 1 <= k <= n
+Rozpoczniemy od pokazania, że dla <math>x > 7572437.23</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie funkcji <math>\log x</math> od góry
- \\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji prime(k)
- {
- '''local'''(p, k);
- k = 1;
- p = 2;
- '''while'''( k <= n,
-        '''if'''( p >= k^(5/4), '''print'''(k) );
-        k = k + 1;
-        p = '''nextprime'''(p + 1);  \\ liczba p ma wartość prime(k)
-      );
- }</span>
- <span style="font-size: 90%; color:black;">Test2(n) =
+::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 5}</math>
- \\ test oszacowania: primepi(k) < 1.733*k/log(k) dla 2 <= k <= n
- \\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji primepi(k)
- {
- '''local'''(s, k);
- s = 1;
- k = 2;
- '''while'''( k <= n,
-        '''if'''( s >= 1.733 * k / '''log'''(k), '''print'''(k) );
-        k = k + 1;
-        s = s + '''isprime'''(k);  \\ dla kolejnych k liczba s ma wartość primepi(k)
-      );
- }</span>
+Wiemy, że dla dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math> istnieje takie <math>x_0</math>, że dla <math>x > x_0</math> jest <math>\log x < x^{1 / n}</math>. Zatem dla odpowiednio dużych <math>x</math> z&nbsp;pewnością będzie <math>\tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} > \log x \,</math><span style="color: Green"><sup>[a]</sup></span>. Wpisując w&nbsp;PARI/GP polecenie
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''solve'''(x = 10^6, 10^7, 2/3 * x^(1/5) - '''log'''(x))</span>
-<span id="A34" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A34</span><br/>
+wyliczamy, że funkcja <math>f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} - \log x</math> przecina oś <math>O X</math> w&nbsp;punkcie <math>x = 7572437.223 \ldots</math> Wynika stąd, że dla <math>x > 7572437.23</math> prawdziwa jest nierówność
-Czytelnik nie powinien mieć złudzeń, że postępując podobnie, uzyskamy istotne polepszenie oszacowania funkcji <math>\pi (n)</math> lub <math>p_n</math>. Już osiągnięcie tą drogą oszacowania <math>p_n < 1.6 \cdot n \log n</math> przekracza możliwości obliczeniowe współczesnych komputerów. Wystarczy zauważyć, że nierówność
-::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 16}</math>
+::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 5}</math>
-jest prawdziwa dla <math>x > 7.671 \cdot 10^{32}</math>.
+Z twierdzenia [[#A30|A30]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>. Kładąc <math>n = p_k</math>, otrzymujemy dla <math>k \geqslant 2</math>
+::<math>k = \pi (p_k) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{p_k}{\log p_k}}</math>
+Zatem
+::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot \log p_k \qquad \qquad (1)</math>
-== Zastosowania ==
+Korzystając z&nbsp;wcześniej pokazanego oszacowania, otrzymujemy nierówność prawdziwą dla <math>p_k > 7572437</math>
-Ciekawy rezultat wynika z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A7|A7]], ale wcześniej musimy udowodnić twierdzenie o&nbsp;średniej arytmetycznej i&nbsp;geometrycznej.
+::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{2}{3}} \cdot (p_k)^{1 / 5}</math>
-<span id="A35" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A35</span><br/>
+czyli
-Dla dowolnych liczb dodatnich <math>a_1, a_2, \ldots, a_n</math> średnia arytmetyczna jest nie mniejsza od średniej geometrycznej
-::<math>{\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_n}{n}} \geqslant \sqrt[n]{a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_n}</math>
+::<math>(p_k)^{4 / 5} < k</math>
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+::<math>p_k < k^{5 / 4}</math>
-Twierdzenie jest w&nbsp;sposób oczywisty prawdziwe dla <math>n = 1</math>. Równie łatwo stwierdzamy prawdziwość nierówności dla <math>n = 2</math>
-::<math>(a_1 - a_2)^2 \geqslant 0</math>
+Wstawiając to oszacowanie ponownie do <math>(1)</math>, dostajemy
-::<math>a^2_1 - 2 a_1 a_2 + a^2_2 \geqslant 0</math>
+::<math>p_k < {\small\frac{3}{2}} \cdot k \cdot {\small\frac{5}{4}} \cdot \log k = 1.875 \cdot k \log k</math>
-::<math>a^2_1 + 2 a_1 a_2 + a^2_2 \geqslant 4 a_1 a_2</math>
+Wpisując w&nbsp;PARI/GP polecenie
-::<math>(a_1 + a_2)^2 \geqslant 4 a_1 a_2</math>
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(k = 1, 10^7, p = '''prime'''(k); '''if'''( p > 7572437, '''print'''("end"); '''break'''() ); '''if'''( p >= 2 * k * '''log'''(k), '''print'''(k) ))</span>
-::<math>{\small\frac{a_1 + a_2}{2}} \geqslant \sqrt{a_1 a_2}</math>
+łatwo sprawdzamy, że oszacowanie <math>p_k < 1.875 \cdot k \log k</math> jest prawdziwe dla <math>k \geqslant 3</math>.
-Dla potrzeb dowodu zapiszemy dowodzoną nierówność w&nbsp;postaci
-::<math>\left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_n}{n}} \right)^n \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_n</math>
+<hr style="width: 25%; height: 2px; " />
+<span style="color: Green">[a]</span> Bardziej precyzyjnie: pochodna funkcji <math>f(x) = \tfrac{2}{3} \cdot x^{1 / 5} - \log x</math> jest równa <math>{\small\frac{2}{15 x^{4 / 5}}} - {\small\frac{1}{x}}</math> (zobacz [https://www.wolframalpha.com/input?i=D%5B+2%2F3+*+x%5E%281%2F5%29+-+log%28x%29%2C+x+%5D WolframAlpha]). Łatwo sprawdzamy, że pochodna jest ujemna w&nbsp;przedziale <math>(0, 23730.46875)</math> i&nbsp;dodatnia w&nbsp;przedziale <math>(23730.46875, \infty)</math>. Wynika stąd, że funkcja <math>f( x )</math> jest funkcją malejącą dla <math>x < 23730.46875</math> i&nbsp;rosnącą dla <math>x > 23730.46875</math>.<br/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
-Zakładając, że twierdzenie jest prawdziwe dla wszystkich liczb całkowitych dodatnich nie większych od <math>n</math> dla <math>n + 1</math> mamy
-a) w&nbsp;przypadku gdy <math>n + 1 = 2 k</math> jest liczbą parzystą
-::<math>\left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{n + 1}}{n + 1}} \right)^{n + 1} = \left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k}}{2 k}} \right)^{2 k} =</math>
+<span id="A35" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A35</span><br/>
+Niech <math>n \geqslant 2</math>. Dla funkcji <math>\pi (n)</math> prawdziwe jest oszacowanie
-:::::::::<math>\;\;\, = \left[ \left( \frac{ \tfrac{a_{\large 1} + a_{\large 2}}{2} + \tfrac{a_{\large 3} + a_{\large 4}}{2} + \ldots + \tfrac{a_{\large 2 k - 1} + a_{\large 2 k}}{2}}{k} \right)^k \right]^2 \geqslant</math>
+::<math>\pi (n) < 1.733 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
-:::::::::<math>\;\;\, \geqslant \left( {\small\frac{a_1 + a_2}{2}} \cdot {\small\frac{a_3 + a_4}{2}} \cdot \ldots \cdot {\small\frac{a_{2 k - 1} + a_{2 k}}{2}} \right)^2 \geqslant</math>
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Z twierdzenia [[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest
-:::::::::<math>\;\;\, \geqslant \left( \sqrt{a_1 a_2} \cdot \sqrt{a_3 a_4} \cdot \ldots \cdot \sqrt{a_{2 k - 1} a_{2 k}} \right)^2 =</math>
+::<math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} > n^{4 / 5}</math>
-:::::::::<math>\;\;\, = a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k} =</math>
+Ostatnia nierówność wynika z&nbsp;faktu, że dla <math>x > 7572437.223 \ldots</math> prawdziwe jest oszacowanie
-:::::::::<math>\;\;\, = a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{n + 1}</math>
+::<math>{\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{x}{\log x}} > x^{4 / 5}</math>
-Gdzie skorzystaliśmy z&nbsp;założenia indukcyjnego i&nbsp;prawdziwości dowodzonego twierdzenia dla <math>n = 2</math>.
+Korzystając z&nbsp;twierdzenia [[#A10|A10]] możemy napisać ciąg nierówności
-b) w&nbsp;przypadku gdy <math>n + 1 = 2 k - 1</math> jest liczbą nieparzystą, możemy skorzystać z&nbsp;udowodnionego wyżej punktu a) dla '''parzystej''' ilości liczb
+::<math>4^n > P (n) = p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_{\pi (n)} > \pi (n)^{\pi (n)} > (n^{4 / 5})^{\pi (n)} = n^{4 \pi (n) / 5}</math>
-::<math>a_1, a_2, \ldots, a_{2 k - 1}, S</math>
+skąd otrzymujemy, że dla <math>n \geqslant 7572438</math> prawdziwe jest oszacowanie
-gdzie przez <math>S</math> oznaczyliśmy średnią arytmetyczną liczb <math>a_1, a_2, \ldots, a_{2 k - 1}</math>
+::<math>\pi (n) < 1.733 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
-::<math>S = {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1}}{2 k - 1}}</math>
+W GP/PARI sprawdzamy, że otrzymana nierówność jest prawdziwa dla <math>n \geqslant 2</math>
-Na mocy punktu a) prawdziwa jest nierówność
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 2, 8*10^6, '''if'''( '''primepi'''(n) >= 1.733 * n/'''log'''(n), '''print'''(n) ))</span>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
-::<math>\left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1} + S}{2 k}} \right)^{2 k} = \left( {\small\frac{(2 k - 1) S + S}{2 k}} \right)^{2 k} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1} \cdot S</math>
-Skąd otrzymujemy
-::<math>S^{2 k} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1} \cdot S</math>
+<span id="A36" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A36</span><br/>
+Dowód twierdzenia [[#A34|A34]] wymagał wykorzystania polecenia PARI/GP, w&nbsp;którym wielokrotnie była wywoływana funkcja <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>prime(n)</code></span>. Analogiczna sytuacja miała miejsce w&nbsp;przypadku twierdzenia&nbsp;[[#A35|A35]] – tam musieliśmy wielokrotnie wywoływać funkcję <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>primepi(n)</code></span>. Znacznie lepiej w&nbsp;takim przypadku jest napisać krótki program, który zamiast wielokrotnie wywoływać te funkcje, będzie je obliczał w&nbsp;sposób ciągły w&nbsp;całym testowanym przedziale wartości. Taka zmiana znacząco skraca czas obliczeń. Podane niżej programy <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>Test1(n)</code></span> i <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>Test2(n)</code></span> wywołane z&nbsp;parametrami <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>n = 520000</code></span> i&nbsp;odpowiednio <span style="font-size: 90%; color:black;"><code>n = 8*10^6</code></span> odpowiadają poleceniom
-::<math>S^{2 k - 1} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1}</math>
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(s = 1, 520000, '''if'''( '''prime'''(s) >= s^(5/4), '''print'''(s) ))</span>
-Co należało pokazać.<br/>
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 2, 8 * 10^6, '''if'''( '''primepi'''(n) >= 1.733 * n / '''log'''(n), '''print'''(n) ))</span>
-&#9633;
-{{\Spoiler}}
+ale wykonywane są znacznie szybciej.
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">Test1(n) =
+ \\ test oszacowania: prime(k) >= k^(5/4) dla 1 <= k <= n
+ \\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji prime(k)
+ {
+ '''local'''(p, k);
+ k = 1;
+ p = 2;
+ '''while'''( k <= n,
+        '''if'''( p >= k^(5/4), '''print'''(k) );
+        k = k + 1;
+        p = '''nextprime'''(p + 1);  \\ liczba p ma wartość prime(k)
+      );
+ }</span>
-<span id="A36" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A36</span><br/>
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">Test2(n) =
-Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwa jest nierówność <math>p_1 + p_2 + \ldots + p_n > n^2</math>.
+ \\ test oszacowania: primepi(k) < 1.733*k/log(k) dla 2 <= k <= n
+ \\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji primepi(k)
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+ {
-Korzystając z&nbsp;twierdzeń [[#A7|A7]] i [[#A35|A35]], możemy napisać następujący ciąg nierówności dla <math>n</math> kolejnych liczb pierwszych
+ '''local'''(s, k);
+ s = 1;
-::<math>{\small\frac{p_1 + p_2 + \ldots + p_n}{n}} \geqslant \sqrt[n]{p_1 \cdot p_2 \cdot \ldots \cdot p_n} > \sqrt[n]{n^n} = n</math>
+ k = 2;
+ '''while'''( k <= n,
+        '''if'''( s >= 1.733 * k / '''log'''(k), '''print'''(k) );
+        k = k + 1;
+        s = s + '''isprime'''(k);  \\ dla kolejnych k liczba s ma wartość primepi(k)
+      );
+ }</span>
-Stąd otrzymujemy natychmiast tezę twierdzenia, którą sprawdzamy dla <math>n < 13</math>. Do sprawdzenia można wykorzystać proste polecenie w&nbsp;PARI/GP
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 1, 20, s = 0; '''for'''(k = 1, n, s = s + '''prime'''(k)); '''if'''( s <= n^2, '''print'''(n) ))</span>
-&#9633;
-{{\Spoiler}}
+<span id="A37" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A37</span><br/>
+Czytelnik nie powinien mieć złudzeń, że postępując podobnie, uzyskamy istotne polepszenie oszacowania funkcji <math>\pi (n)</math> lub <math>p_n</math>. Już osiągnięcie tą drogą oszacowania <math>p_n < 1.6 \cdot n \log n</math> przekracza możliwości obliczeniowe współczesnych komputerów. Wystarczy zauważyć, że nierówność
+::<math>\log x < {\small\frac{2}{3}} \cdot x^{1 / 16}</math>
-Twierdzenie [[#A1|A1]] pozwala nam udowodnić różne oszacowania funkcji <math>\pi (n)</math> i <math>p_n</math>, które byłyby trudne do uzyskania inną drogą. Wykorzystujemy do tego znany fakt, że dla dowolnego <math>\varepsilon > 0</math> istnieje takie <math>n_0</math>, że dla każdego <math>n > n_0</math> prawdziwa jest nierówność <math>\log x < x^{\varepsilon}</math>. Inaczej mówiąc, funkcja <math>\log x</math> rośnie wolniej niż najwolniej rosnąca funkcja potęgowa. Nim przejdziemy do dowodu takich przykładowych oszacowań, udowodnimy pomocnicze twierdzenie, które wykorzystamy przy szacowaniu.
+jest prawdziwa dla <math>x > 7.671 \cdot 10^{32}</math>.
-<span id="A37" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A37</span><br/>
-Prawdziwe są następujące nierówności:
-::1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>e^x > x \qquad \qquad \qquad \quad \:\,</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}</math>
-::2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>e^x \geqslant x + 1 \qquad \qquad \quad \;\:\, </math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}</math> &nbsp; (równość zachodzi wtedy i&nbsp;tylko wtedy, gdy <math>x = 0</math>)
-::3.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>e^x > 2 x \qquad \qquad \qquad \;\;\,\, </math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}</math>
+== Zastosowania ==
-::4.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x < n \cdot x^{1 / n} \qquad \quad \;\;\:</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i&nbsp;dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>
+Ciekawy rezultat wynika z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A8|A8]], ale wcześniej musimy udowodnić twierdzenie o&nbsp;średniej arytmetycznej i&nbsp;geometrycznej.
-::5.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x < \tfrac{1}{2} n \cdot x^{1 / n} \qquad \quad </math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i&nbsp;dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>
+<span id="A38" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A38</span><br/>
+Dla dowolnych liczb dodatnich <math>a_1, a_2, \ldots, a_n</math> średnia arytmetyczna jest nie mniejsza od średniej geometrycznej
-::6.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x \leqslant n (x^{1 / n} - 1) \qquad</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i&nbsp;dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math> &nbsp; (równość zachodzi wtedy i&nbsp;tylko wtedy, gdy <math>x = 1</math>)
+::<math>{\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_n}{n}} \geqslant \sqrt[n]{a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_n}</math>
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-Nim przejdziemy do dowodu trzech pierwszych punktów, pokażemy, że funkcja <math>e^x</math> jest funkcją dodatnią. Ponieważ funkcję <math>e^x</math> możemy zdefiniować w&nbsp;sposób równoważny wzorem<ref name="exp1"/>
+Twierdzenie jest w&nbsp;sposób oczywisty prawdziwe dla <math>n = 1</math>. Równie łatwo stwierdzamy prawdziwość nierówności dla <math>n = 2</math>
-::<math>e^x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = 1 + x + {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots</math>
+::<math>(a_1 - a_2)^2 \geqslant 0</math>
-to funkcja <math>e^x</math> jest funkcją dodatnią, bo dla <math>x > 0</math> sumujemy tylko wyrazy dodatnie, dla <math>x = 0</math> mamy <math>e^0 = 1</math>, a dla <math>x < 0</math> możemy napisać <math>e^x = {\small\frac{1}{e^{- x}}} > 0 \,</math><span style="color: Green"><sup>[a]</sup><sup>[b]</sup></span>.
+::<math>a^2_1 - 2 a_1 a_2 + a^2_2 \geqslant 0</math>
-'''Punkt 1. i&nbsp;punkt 3.'''
+::<math>a^2_1 + 2 a_1 a_2 + a^2_2 \geqslant 4 a_1 a_2</math>
-Pokazaliśmy, że funkcja <math>e^x</math> jest funkcją dodatnią. Ponieważ funkcje <math>x \,</math> i <math>\, 2 x</math> są ujemne lub równe zero dla <math>x \leqslant 0</math>, to pozostaje rozważyć jedynie przypadek, gdy <math>x > 0</math>. Łatwo zauważamy, że
+::<math>(a_1 + a_2)^2 \geqslant 4 a_1 a_2</math>
-::<math>e^x - x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} - x = 1 + \sum^{\infty}_{k = 2} {\small\frac{x^k}{k!}} > 0</math>
+::<math>{\small\frac{a_1 + a_2}{2}} \geqslant \sqrt{a_1 a_2}</math>
-::<math>e^x - 2 x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} - 2 x = 1 - x + {\small\frac{x^2}{2}} + \sum_{k = 3}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = {\small\frac{1}{2}} + {\small\frac{(x - 1)^2}{2}} + \sum_{k = 3}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} > 0</math>
+Dla potrzeb dowodu zapiszemy dowodzoną nierówność w&nbsp;postaci
-'''Punkt 2.'''
+::<math>\left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_n}{n}} \right)^n \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_n</math>
-Rozważymy kolejno przypadki
+Zakładając, że twierdzenie jest prawdziwe dla wszystkich liczb całkowitych dodatnich nie większych od <math>n</math> dla <math>n + 1</math> mamy
-:*&nbsp;&nbsp;&nbsp; gdy <math>x > 0</math>, to <math>e^x - (x + 1) = {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots > 0</math>, bo sumujemy wyrazy dodatnie
+a) w&nbsp;przypadku gdy <math>n + 1 = 2 k</math> jest liczbą parzystą
-:*&nbsp;&nbsp;&nbsp; gdy <math>x = 0</math>, to <math>e^x - (x + 1) = 0</math>
+::<math>\left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{n + 1}}{n + 1}} \right)^{n + 1} = \left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k}}{2 k}} \right)^{2 k} =</math>
-:*&nbsp;&nbsp;&nbsp; gdy <math>- 1 < x < 0</math>, to <math>e^x - (x + 1) = \left( {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} \right) + \left( {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} \right) + \ldots > 0</math>, bo dla <math>k \geqslant 1</math> jest <math>{\small\frac{x^{2 k}}{(2 k) !}} + {\small\frac{x^{2 k + 1}}{(2 k + 1) !}} = {\small\frac{x^{2 k} (2 k + 1 + x)}{(2 k + 1) !}} > 0</math>
+:::::::::<math>\;\;\, = \left[ \left( \frac{ \tfrac{a_{\large 1} + a_{\large 2}}{2} + \tfrac{a_{\large 3} + a_{\large 4}}{2} + \ldots + \tfrac{a_{\large 2 k - 1} + a_{\large 2 k}}{2}}{k} \right)^k \right]^2 \geqslant</math>
-:*&nbsp;&nbsp;&nbsp; gdy <math>x \leqslant - 1</math>, to <math>e^x > x + 1</math>, bo <math>x + 1 \leqslant 0</math>, a <math>e^x</math> jest funkcją dodatnią
+:::::::::<math>\;\;\, \geqslant \left( {\small\frac{a_1 + a_2}{2}} \cdot {\small\frac{a_3 + a_4}{2}} \cdot \ldots \cdot {\small\frac{a_{2 k - 1} + a_{2 k}}{2}} \right)^2 \geqslant</math>
-'''Punkt 4.'''
+:::::::::<math>\;\;\, \geqslant \left( \sqrt{a_1 a_2} \cdot \sqrt{a_3 a_4} \cdot \ldots \cdot \sqrt{a_{2 k - 1} a_{2 k}} \right)^2 =</math>
-W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą <math>x = e^t</math>. Dostajemy <math>t < n \cdot (e^t)^{1 / n}</math>, czyli <math>e^{t / n} > {\small\frac{t}{n}}</math>. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego <math>{\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R}</math> na mocy punktu 1. tego twierdzenia.
+:::::::::<math>\;\;\, = a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k} =</math>
+:::::::::<math>\;\;\, = a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{n + 1}</math>
+Gdzie skorzystaliśmy z&nbsp;założenia indukcyjnego i&nbsp;prawdziwości dowodzonego twierdzenia dla <math>n = 2</math>.
+b) w&nbsp;przypadku gdy <math>n + 1 = 2 k - 1</math> jest liczbą nieparzystą, możemy skorzystać z&nbsp;udowodnionego wyżej punktu a) dla '''parzystej''' ilości liczb
-'''Punkt 5.'''
+::<math>a_1, a_2, \ldots, a_{2 k - 1}, S</math>
-W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą <math>x = e^t</math>. Dostajemy <math>t < {\small\frac{1}{2}} n \cdot (e^t)^{1 / n}</math>, czyli <math>e^{t / n} > 2 \cdot {\small\frac{t}{n}}</math>. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego <math>{\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R}</math> na mocy punktu 3. tego twierdzenia.
+gdzie przez <math>S</math> oznaczyliśmy średnią arytmetyczną liczb <math>a_1, a_2, \ldots, a_{2 k - 1}</math>
-'''Punkt 6.'''
+::<math>S = {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1}}{2 k - 1}}</math>
-W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą <math>x = e^t</math>. Dostajemy <math>t \leqslant n (e^{t / n} - 1)</math>, czyli <math>e^{t / n} \geqslant {\small\frac{t}{n}} + 1</math>. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego <math>{\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R}</math> na mocy punktu 2. tego twierdzenia.
+Na mocy punktu a) prawdziwa jest nierówność
+::<math>\left( {\small\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1} + S}{2 k}} \right)^{2 k} = \left( {\small\frac{(2 k - 1) S + S}{2 k}} \right)^{2 k} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1} \cdot S</math>
-<hr style="width: 25%; height: 2px; " />
+Skąd otrzymujemy
-<span style="color: Green">[a]</span> Czytelnik zapewne zauważył, że własność <math>e^x e^{- x} = 1</math> przyjęliśmy bez dowodu. Można pokazać, że z&nbsp;definicji
-::<math>e^x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = 1 + x + {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots</math>
+::<math>S^{2 k} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1} \cdot S</math>
-wynika podstawowa własność funkcji wykładniczej <math>e^x e^y = e^{x + y}</math>, ale dowód wymaga znajomości iloczynu Cauchy'ego szeregów<ref name="Cauchy1"/><ref name="Cauchy2"/> i&nbsp;twierdzenia Mertensa o&nbsp;zbieżności takiego iloczynu.
+::<math>S^{2 k - 1} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1}</math>
-<span style="color: Green">[b]</span> Zadanie: pokazać, że jeżeli funkcja <math>f(x)</math> spełnia warunek <math>f (x + y) = f (x) f (y)</math>, to albo <math>f(x)</math> jest tożsamościowo równa zero, albo jest funkcją dodatnią. Wskazówka: <math>f(x) = f \left( {\small\frac{x}{2}} + {\small\frac{x}{2}} \right)</math>, <math>f(x) = f (x_0 + (x - x_0))</math><br/>
+Co należało pokazać.<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 1067: / Linia 1109: @@
-<span id="A38" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Zadanie A38</span><br/>
+<span id="A39" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A39</span><br/>
-Niech <math>x \in \mathbb{R}_+</math>. Pokazać, że dla dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math> istnieje takie <math>x_0</math>, że dla każdego <math>x > x_0</math> jest <math>\log x < x^{1 / n}</math>.
+Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwa jest nierówność <math>p_1 + p_2 + \ldots + p_n > n^2</math>.
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Rozwiązanie|Hide=Ukryj rozwiązanie}}
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-<span style="border-bottom-style: double;">Pierwszy sposób</span><br/>
+Korzystając z&nbsp;twierdzeń [[#A8|A8]] i [[#A38|A38]], możemy napisać następujący ciąg nierówności dla <math>n</math> kolejnych liczb pierwszych
-Rozważmy ciąg nierówności
-::<math>\log x < n \cdot x^{1 / 2 n} < x^{1 / n}</math>
+::<math>{\small\frac{p_1 + p_2 + \ldots + p_n}{n}} \geqslant \sqrt[n]{p_1 \cdot p_2 \cdot \ldots \cdot p_n} > \sqrt[n]{n^n} = n</math>
-Z twierdzenia [[#A37|A37]] p.5 wiemy, że pierwsza nierówność jest prawdziwa dla dowolnych <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>. Podnosząc strony drugiej nierówności do potęgi <math>2 n</math>, otrzymujemy <math>n^{2 n} \cdot x < x^2</math>, czyli nierówność ta jest prawdziwa dla <math>x > n^{2 n}</math>. Wynika stąd, że wystarczy przyjąć <math>x_0 = n^{2 n}</math>.
+Stąd otrzymujemy natychmiast tezę twierdzenia, którą sprawdzamy dla <math>n < 13</math>. Do sprawdzenia można wykorzystać proste polecenie w&nbsp;PARI/GP
-<span style="border-bottom-style: double;">Drugi sposób</span><br/>
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 1, 20, s = 0; '''for'''(k = 1, n, s = s + '''prime'''(k)); '''if'''( s <= n^2, '''print'''(n) ))</span>
-Nierówność <math>\log x < x^{1 / n}</math> możemy równoważnie zapisać w&nbsp;postaci <math>x < \exp (x^{1 / n})</math>. Jeżeli położymy <math>x = t^n</math>, to otrzymamy nierówność <math>t^n {< e^t} </math>. Ponieważ<ref name="exp1"/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
-::<math>e^t = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{t^k}{k!}} = 1 + t + {\small\frac{t^2}{2}} + {\small\frac{t^3}{6}} + {\small\frac{t^4}{24}} + {\small\frac{t^5}{120}} + \ldots</math>
-to
-::<math>e^t > {\small\frac{t^{n + 1}}{(n + 1) !}} > t^n</math>
+Twierdzenie [[#A1|A1]] pozwala nam udowodnić różne oszacowania funkcji <math>\pi (n)</math> i <math>p_n</math>, które byłyby trudne do uzyskania inną drogą. Wykorzystujemy do tego znany fakt, że dla dowolnego <math>\varepsilon > 0</math> istnieje takie <math>n_0</math>, że dla każdego <math>n > n_0</math> prawdziwa jest nierówność <math>\log x < x^{\varepsilon}</math>. Inaczej mówiąc, funkcja <math>\log x</math> rośnie wolniej niż najwolniej rosnąca funkcja potęgowa. Nim przejdziemy do dowodu takich przykładowych oszacowań, udowodnimy pomocnicze twierdzenie, które wykorzystamy przy szacowaniu.
-Pierwsza nierówność jest prawdziwa dla <math>t > 0</math>, bo pomijamy wyrazy dodatnie, a&nbsp;druga jest prawdziwa dla <math>t > (n + 1) !</math> Wystarczy zatem przyjąć <math>x_0 = [(n + 1) !]^n</math>. Ponieważ <math>[(n + 1) !]^n > n^{2 n}</math> dla <math>n \geqslant 1</math>, to jest to gorsze oszacowanie wartości <math>x_0</math>.<br/>
-&#9633;
-{{\Spoiler}}
+<span id="A40" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A40</span><br/>
+Prawdziwe są następujące nierówności:
+::1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>e^x > x \qquad \qquad \qquad \quad \:\,</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}</math>
-<span id="A39" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A39</span><br/>
+::2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>e^x \geqslant x + 1 \qquad \qquad \quad \;\:\, </math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}</math> &nbsp; (równość zachodzi wtedy i&nbsp;tylko wtedy, gdy <math>x = 0</math>)
-Dla funkcji <math>p_n</math> i <math>\pi (n)</math> prawdziwe są następujące oszacowania:
-::<math>10 n \underset{n \geqslant 6473}{<} p_n \underset{n \geqslant 2}{<} n^2</math>
+::3.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>e^x > 2 x \qquad \qquad \qquad \;\;\,\, </math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}</math>
-::<math>\sqrt{n} \underset{n \geqslant 5}{<} \pi (n) \underset{n \geqslant 64721}{<} {\small\frac{n}{10}}</math>
+::4.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x < n \cdot x^{1 / n} \qquad \quad \;\;\:</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i&nbsp;dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+::5.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x < \tfrac{1}{2} n \cdot x^{1 / n} \qquad \quad </math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i&nbsp;dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>
-<span style="border-bottom-style: double;">Lewa górna nierówność.</span> Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 1</math> jest <math>p_n > 0.72 \cdot n \log n</math>. Wystarczy rozwiązać nierówność:
-::<math>0.72 \cdot \log n > 10</math>
+::6.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x \leqslant n (x^{1 / n} - 1) \qquad</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i&nbsp;dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math> &nbsp; (równość zachodzi wtedy i&nbsp;tylko wtedy, gdy <math>x = 1</math>)
-czyli <math>n > \exp \left( {\small\frac{10}{0.72}} \right) = 1076137.5</math>
+::7.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x < {\small\frac{1}{\varepsilon}} \cdot x^{\varepsilon} \qquad \qquad \:\,</math> dla każdego <math>x , \varepsilon \in \mathbb{R}_+</math>
-W PARI/GP wpisujemy polecenie:
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Nim przejdziemy do dowodu trzech pierwszych punktów, pokażemy, że funkcja <math>e^x</math> jest funkcją dodatnią. Ponieważ funkcję <math>e^x</math> możemy zdefiniować w&nbsp;sposób równoważny wzorem<ref name="exp1"/>
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 1, 11 * 10^5, '''if'''( '''prime'''(n) <= 10 * n, '''print'''(n) ))</span>
+::<math>e^x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = 1 + x + {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots</math>
+to funkcja <math>e^x</math> jest funkcją dodatnią, bo dla <math>x > 0</math> sumujemy tylko wyrazy dodatnie, dla <math>x = 0</math> mamy <math>e^0 = 1</math>, a dla <math>x < 0</math> możemy napisać <math>e^x = {\small\frac{1}{e^{- x}}} > 0 \,</math><span style="color: Green"><sup>[a]</sup><sup>[b]</sup></span>.
-<span style="border-bottom-style: double;">Prawa górna nierówność.</span> Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest <math>p_n < 2 n \log n</math>. Zatem wystarczy pokazać, że <math>2 n \log n < n^2</math>. Korzystając z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A37|A37]] p.5, łatwo zauważmy, że dla <math>n > 4</math> jest:
+'''Punkt 1. i&nbsp;punkt 3.'''
-::<math>n - 2 \log n > n - 2 \cdot n^{1 / 2} = \sqrt{n} \left( \sqrt{n} - 2 \right) > 0</math>
+Pokazaliśmy, że funkcja <math>e^x</math> jest funkcją dodatnią. Ponieważ funkcje <math>x \,</math> i <math>\, 2 x</math> są ujemne lub równe zero dla <math>x \leqslant 0</math>, to pozostaje rozważyć jedynie przypadek, gdy <math>x > 0</math>. Łatwo zauważamy, że
-Przypadki <math>n \leqslant 4</math> sprawdzamy bezpośrednio.
+::<math>e^x - x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} - x = 1 + \sum^{\infty}_{k = 2} {\small\frac{x^k}{k!}} > 0</math>
+::<math>e^x - 2 x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} - 2 x = 1 - x + {\small\frac{x^2}{2}} + \sum_{k = 3}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = {\small\frac{1}{2}} + {\small\frac{(x - 1)^2}{2}} + \sum_{k = 3}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} > 0</math>
-<span style="border-bottom-style: double;">Lewa dolna nierówność.</span> Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest <math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>. Zatem wystarczy pokazać, że <math>{\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} > \sqrt{n}</math>. Korzystając z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A37|A37]] p.5, łatwo zauważmy, że dla <math>n > 3^4 = 81</math> jest:
+'''Punkt 2.'''
-::<math>{\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - \sqrt{n} > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{2 \cdot n^{1 / 4}}} - \sqrt{n} = {\small\frac{1}{3}} \cdot n^{3 / 4} - \sqrt{n} = {\small\frac{1}{3}} \sqrt{n} (n^{1 / 4} - 3) > 0</math>
+Rozważymy kolejno przypadki
-Sprawdzenie przypadków <math>n \leqslant 81</math> sprowadza się do wpisania w&nbsp;PARI/GP polecenia:
+:*&nbsp;&nbsp;&nbsp; gdy <math>x > 0</math>, to <math>e^x - (x + 1) = {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots > 0</math>, bo sumujemy wyrazy dodatnie
- <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 1, 100, '''if'''( '''primepi'''(n) <= '''sqrt'''(n), '''print'''(n) ))</span>
+:*&nbsp;&nbsp;&nbsp; gdy <math>x = 0</math>, to <math>e^x - (x + 1) = 0</math>
+:*&nbsp;&nbsp;&nbsp; gdy <math>- 1 < x < 0</math>, to <math>e^x - (x + 1) = \left( {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} \right) + \left( {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} \right) + \ldots > 0</math>, bo dla <math>k \geqslant 1</math> jest <math>{\small\frac{x^{2 k}}{(2 k) !}} + {\small\frac{x^{2 k + 1}}{(2 k + 1) !}} = {\small\frac{x^{2 k} (2 k + 1 + x)}{(2 k + 1) !}} > 0</math>
-<span style="border-bottom-style: double;">Prawa dolna nierówność.</span> Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 2</math> jest <math>\pi (n) < {\small\frac{2 n}{\log n}}</math>. Zatem wystarczy pokazać, że <math>{\small\frac{2 n}{\log n}} < {\small\frac{n}{10}}</math>. Nierówność ta jest prawdziwa dla <math>\log n > 20</math>, czyli dla
+:*&nbsp;&nbsp;&nbsp; gdy <math>x \leqslant - 1</math>, to <math>e^x > x + 1</math>, bo <math>x + 1 \leqslant 0</math>, a <math>e^x</math> jest funkcją dodatnią
-::<math>n > e^{20} > 485165195.4</math>
+'''Punkt 4.'''
-Sprawdzenie przypadków dla <math>n \leqslant 490 \cdot 10^6</math> będzie wymagało napisania w&nbsp;PARI/GP krótkiego programu i&nbsp;wywołania go z&nbsp;parametrem n&nbsp;=&nbsp;490 * 10^6
+W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą <math>x = e^t</math>. Dostajemy <math>t < n \cdot (e^t)^{1 / n}</math>, czyli <math>e^{t / n} > {\small\frac{t}{n}}</math>. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego <math>{\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R}</math> na mocy punktu 1. tego twierdzenia.
- <span style="font-size: 90%; color:black;">Test3(n) =
+'''Punkt 5.'''
- \\ test oszacowania: primepi(k) < k/10 dla 2 <= k <= n
- \\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji primepi(k)
- {
- '''local'''(s, k);
- s = 1;
- k = 2;
- '''while'''( k <= n,
-        '''if'''( s >= k/10, '''print'''(k) );
-        k = k + 1;
-        s = s + '''isprime'''(k);  \\ dla kolejnych k liczba s ma wartość primepi(k)
-      );
- }</span>
-&#9633;
-{{\Spoiler}}
+W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą <math>x = e^t</math>. Dostajemy <math>t < {\small\frac{1}{2}} n \cdot (e^t)^{1 / n}</math>, czyli <math>e^{t / n} > 2 \cdot {\small\frac{t}{n}}</math>. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego <math>{\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R}</math> na mocy punktu 3. tego twierdzenia.
+'''Punkt 6.'''
-<span id="A40" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A40</span><br/>
+W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą <math>x = e^t</math>. Dostajemy <math>t \leqslant n (e^{t / n} - 1)</math>, czyli <math>e^{t / n} \geqslant {\small\frac{t}{n}} + 1</math>. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego <math>{\small\frac{t}{n}} \in \mathbb{R}</math> na mocy punktu 2. tego twierdzenia.
-Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest oszacowanie
-::<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3}</math>
+'''Punkt 7.'''
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+W rozpatrywanej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą <math>x = e^t</math>. Dostajemy <math>t < {\small\frac{1}{\varepsilon}} \cdot (e^t)^{\varepsilon}</math>, czyli <math>e^{\varepsilon t} > \varepsilon t</math>. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla dowolnego <math>\varepsilon t \in \mathbb{R}</math> na mocy punktu 1. tego twierdzenia.
-Korzystając kolejno z&nbsp;twierdzeń [[#A30|A30]], [[#A37|A37]] p.5 i [[#A7|A7]], łatwo otrzymujemy
-::<math>(p_{n^{\large 2}})^{n / 3} < (2 n^2 \log n^2)^{n / 3}</math>
-::::<math>\;\;\: = (4 n^2 \log n)^{n / 3}</math>
+<hr style="width: 25%; height: 2px; " />
+<span style="color: Green">[a]</span> Czytelnik zapewne zauważył, że własność <math>e^x e^{- x} = 1</math> przyjęliśmy bez dowodu. Można pokazać, że z&nbsp;definicji
-::::<math>\;\;\: < (4 n^2 \cdot 2 n^{1 / 4})^{n / 3}</math>
+::<math>e^x = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{x^k}{k!}} = 1 + x + {\small\frac{x^2}{2}} + {\small\frac{x^3}{6}} + {\small\frac{x^4}{24}} + {\small\frac{x^5}{120}} + \ldots</math>
-::::<math>\;\;\: = (8 n^{9 / 4})^{n / 3}</math>
+wynika podstawowa własność funkcji wykładniczej <math>e^x e^y = e^{x + y}</math>, ale dowód wymaga znajomości iloczynu Cauchy'ego szeregów<ref name="Cauchy1"/><ref name="Cauchy2"/> i&nbsp;twierdzenia Mertensa o&nbsp;zbieżności takiego iloczynu.
-::::<math>\;\;\: = (2 n^{3 / 4})^n</math>
+<span style="color: Green">[b]</span> Zadanie: pokazać, że jeżeli funkcja <math>f(x)</math> spełnia warunek <math>f (x + y) = f (x) f (y)</math>, to albo <math>f(x)</math> jest tożsamościowo równa zero, albo jest funkcją dodatnią. Wskazówka: <math>f(x) = f \left( {\small\frac{x}{2}} + {\small\frac{x}{2}} \right)</math>, <math>f(x) = f (x_0 + (x - x_0))</math><br/>
-::::<math>\;\;\: \leqslant n^n</math>
-::::<math>\;\;\: < p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n</math>
-Zauważmy, że nierówność <math>2 n^{3 / 4} \leqslant n</math> jest prawdziwa dla <math>n \geqslant 2^4</math>. Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n < 16</math>, stwierdzamy, że dowodzona nierówność jest prawdziwa dla <math>n \geqslant 1</math>.<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 1181: / Linia 1203: @@
 <span id="A41" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Zadanie A41</span><br/>
-Korzystając z&nbsp;twierdzenia [[#A40|A40]] pokazać, że
+Niech <math>x \in \mathbb{R}_+</math>. Pokazać, że dla dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math> istnieje takie <math>x_0</math>, że dla każdego <math>x > x_0</math> jest <math>\log x < x^{1 / n}</math>.
-:*&nbsp;&nbsp;&nbsp;<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n + 1})^2 \qquad \qquad \text{dla } \; n \geqslant 4</math>
-:*&nbsp;&nbsp;&nbsp;<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{2 n})^3  \qquad \qquad \;\; \text{dla } \; n \geqslant 7</math>
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Rozwiązanie|Hide=Ukryj rozwiązanie}}
+<span style="border-bottom-style: double;">Pierwszy sposób</span><br/>
+Rozważmy ciąg nierówności
-'''Punkt 1.'''
+::<math>\log x < n \cdot x^{1 / 2 n} < x^{1 / n}</math>
-Ponieważ <math>n^2 > n + 1</math> dla <math>n \geqslant 2</math> oraz <math>{\small\frac{n}{3}} > 2</math> dla <math>n > 6</math>, to dla <math>n > 6</math> jest
+Z twierdzenia [[#A40|A40]] p.5 wiemy, że pierwsza nierówność jest prawdziwa dla dowolnych <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>. Podnosząc strony drugiej nierówności do potęgi <math>2 n</math>, otrzymujemy <math>n^{2 n} \cdot x < x^2</math>, czyli nierówność ta jest prawdziwa dla <math>x > n^{2 n}</math>. Wynika stąd, że wystarczy przyjąć <math>x_0 = n^{2 n}</math>.
-::<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} > (p_{n + 1})^2</math>
+<span style="border-bottom-style: double;">Drugi sposób</span><br/>
+Nierówność <math>\log x < x^{1 / n}</math> możemy równoważnie zapisać w&nbsp;postaci <math>x < \exp (x^{1 / n})</math>. Jeżeli położymy <math>x = t^n</math>, to otrzymamy nierówność <math>t^n {< e^t} </math>. Ponieważ<ref name="exp1"/>
-Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n \leqslant 6</math>, łatwo stwierdzamy prawdziwość oszacowania dla <math>n \geqslant 4</math>.
+::<math>e^t = \sum_{k = 0}^{\infty} {\small\frac{t^k}{k!}} = 1 + t + {\small\frac{t^2}{2}} + {\small\frac{t^3}{6}} + {\small\frac{t^4}{24}} + {\small\frac{t^5}{120}} + \ldots</math>
-'''Punkt 2.'''
+to
-Ponieważ <math>n^2 > 2 n</math> dla <math>n > 2</math> oraz <math>{\small\frac{n}{3}} > 3</math> dla <math>n > 9</math>, to dla <math>n > 9</math> jest
+::<math>e^t > {\small\frac{t^{n + 1}}{(n + 1) !}} > t^n</math>
-::<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} > (p_{2 n})^3</math>
+Pierwsza nierówność jest prawdziwa dla <math>t > 0</math>, bo pomijamy wyrazy dodatnie, a&nbsp;druga jest prawdziwa dla <math>t > (n + 1) !</math> Wystarczy zatem przyjąć <math>x_0 = [(n + 1) !]^n</math>. Ponieważ <math>[(n + 1) !]^n > n^{2 n}</math> dla <math>n \geqslant 1</math>, to jest to gorsze oszacowanie wartości <math>x_0</math>.<br/>
-Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n \leqslant 9</math>, łatwo stwierdzamy prawdziwość oszacowania dla <math>n \geqslant 7</math>.<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 1209: / Linia 1229: @@
 <span id="A42" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A42</span><br/>
-Każda liczba pierwsza <math>p</math> taka, że <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, n \right]</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu <math>n!</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
+Dla funkcji <math>p_n</math> i <math>\pi (n)</math> prawdziwe są następujące oszacowania:
+::<math>10 n \underset{n \geqslant 6473}{<} p_n \underset{n \geqslant 2}{<} n^2</math>
+::<math>\sqrt{n} \underset{n \geqslant 5}{<} \pi (n) \underset{n \geqslant 64721}{<} {\small\frac{n}{10}}</math>
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-Z twierdzenia [[#A21|A21]] wiemy, że każda liczba pierwsza <math>p</math> występuje w&nbsp;iloczynie <math>n!</math> z&nbsp;wykładnikiem <math>W_p (n!) = \sum_{k = 1}^{\infty} \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor</math>
+<span style="border-bottom-style: double;">Lewa górna nierówność.</span> Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 1</math> jest <math>p_n > 0.72 \cdot n \log n</math>. Wystarczy rozwiązać nierówność:
-Z założenia <math>p \leqslant n</math> i <math>2 p > n</math>, zatem:
+::<math>0.72 \cdot \log n > 10</math>
-::1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>{\small\frac{n}{p}} \geqslant 1</math> &nbsp;&nbsp;oraz&nbsp;&nbsp; <math>{\small\frac{n}{p}} < 2</math>, &nbsp;&nbsp;czyli&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1</math>
+czyli <math>n > \exp \left( {\small\frac{10}{0.72}} \right) = 1076137.5</math>
-::2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>{\small\frac{n}{p^2}} < {\small\frac{2}{p}} \leqslant 1</math>, &nbsp;&nbsp;czyli&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^2}} \right\rfloor = 0</math> &nbsp;&nbsp;i tym bardziej&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math> &nbsp;&nbsp;dla&nbsp;&nbsp; <math>k \geqslant 3</math><br/>
+W PARI/GP wpisujemy polecenie:
-&#9633;
-{{\Spoiler}}
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 1, 11 * 10^5, '''if'''( '''prime'''(n) <= 10 * n, '''print'''(n) ))</span>
-Rezultat uzyskany w&nbsp;twierdzeniu [[#A25|A25]] zainspirował nas do postawienia pytania: jakie warunki musi spełniać liczba pierwsza <math>p</math>, aby występowała w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden lub równym zero? Twierdzenia [[#A43|A43]] i [[#A45|A45]] udzielają na to pytanie precyzyjnej odpowiedzi. Przykłady [[#A44|A44]] i [[#A46|A46]] to tylko twierdzenia [[#A43|A43]] i [[#A45|A45]] dla wybranych wartości liczby <math>k</math>. Jeśli Czytelnik nie miał problemów ze zrozumieniem dowodów twierdzeń [[#A43|A43]] i [[#A45|A45]], to może je pominąć.
+<span style="border-bottom-style: double;">Prawa górna nierówność.</span> Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest <math>p_n < 2 n \log n</math>. Zatem wystarczy pokazać, że <math>2 n \log n < n^2</math>. Korzystając z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A40|A40]] p.5, łatwo zauważmy, że dla <math>n > 4</math> jest:
+::<math>n - 2 \log n > n - 2 \cdot n^{1 / 2} = \sqrt{n} \left( \sqrt{n} - 2 \right) > 0</math>
-<span id="A43" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A43</span><br/>
+Przypadki <math>n \leqslant 4</math> sprawdzamy bezpośrednio.
-Niech <math>k</math> będzie dowolną ustaloną liczbą naturalną. Jeżeli <math>n \geqslant 2 (k + 1) \left( k + \tfrac{1}{2} \right)</math> i&nbsp;liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right]</math>, to <math>p</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-'''Najpierw udowodnimy przypadek <math>k = 0</math>.'''
-Zauważmy, że każda liczba pierwsza <math>p \in (n, 2 n]</math> występuje dokładnie jeden raz w&nbsp;liczniku ułamka
+<span style="border-bottom-style: double;">Lewa dolna nierówność.</span> Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest <math>\pi (n) > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>. Zatem wystarczy pokazać, że <math>{\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} > \sqrt{n}</math>. Korzystając z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A40|A40]] p.5, łatwo zauważmy, że dla <math>n > 3^4 = 81</math> jest:
-::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
+::<math>{\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - \sqrt{n} > {\small\frac{2}{3}} \cdot {\small\frac{n}{2 \cdot n^{1 / 4}}} - \sqrt{n} = {\small\frac{1}{3}} \cdot n^{3 / 4} - \sqrt{n} = {\small\frac{1}{3}} \sqrt{n} (n^{1 / 4} - 3) > 0</math>
-i nie występuje w&nbsp;mianowniku. Zatem w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze wystąpi z&nbsp;wykładnikiem równym <math>1</math>.
+Sprawdzenie przypadków <math>n \leqslant 81</math> sprowadza się do wpisania w&nbsp;PARI/GP polecenia:
-Co kończy dowód twierdzenia w&nbsp;przypadku, gdy <math>k = 0</math>.
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 1, 100, '''if'''( '''primepi'''(n) <= '''sqrt'''(n), '''print'''(n) ))</span>
-'''Możemy teraz przejść do dowodu dla wszystkich <math>k \geqslant 1</math>.'''
+<span style="border-bottom-style: double;">Prawa dolna nierówność.</span> Z&nbsp;twierdzenia&nbsp;[[#A1|A1]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 2</math> jest <math>\pi (n) < {\small\frac{2 n}{\log n}}</math>. Zatem wystarczy pokazać, że <math>{\small\frac{2 n}{\log n}} < {\small\frac{n}{10}}</math>. Nierówność ta jest prawdziwa dla <math>\log n > 20</math>, czyli dla
-<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby <math>p</math></span><br/><br/>
+::<math>n > e^{20} > 485165195.4</math>
-Zapiszmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> w&nbsp;postaci ułamka
-::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
+Sprawdzenie przypadków dla <math>n \leqslant 490 \cdot 10^6</math> będzie wymagało napisania w&nbsp;PARI/GP krótkiego programu i&nbsp;wywołania go z&nbsp;parametrem n&nbsp;=&nbsp;490 * 10^6
-Rozważmy dowolną liczbę pierwszą występującą w&nbsp;mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby <math>p</math> spełniała następujące warunki:
+ <span style="font-size: 90%; color:black;">Test3(n) =
+ \\ test oszacowania: primepi(k) < k/10 dla 2 <= k <= n
+ \\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji primepi(k)
+ {
+ '''local'''(s, k);
+ s = 1;
+ k = 2;
+ '''while'''( k <= n,
+        '''if'''( s >= k/10, '''print'''(k) );
+        k = k + 1;
+        s = s + '''isprime'''(k);  \\ dla kolejnych k liczba s ma wartość primepi(k)
+      );
+ }</span>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
-* <math>k p \leqslant n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku
-* <math>(k + 1) p > n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku (jako <math>p, 2 p, \ldots, k p</math>)
-* <math>(2 k + 1) p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>(k + 1) p > n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej <math>k + 1</math> razy w&nbsp;liczniku
-* <math>(2 k + 2) p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>(2 k + 1) p \leqslant 2 n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie <math>k + 1</math> razy w&nbsp;liczniku (jako <math>(k + 1) p, (k + 2) p, \ldots, (2 k + 1) p</math>)
-Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right]</math> pojawia się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie <math>k + 1</math> razy w&nbsp;liczniku ułamka
-::<math>{\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
+<span id="A43" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A43</span><br/>
+Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest oszacowanie
-Zatem występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem jeden.
+::<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3}</math>
-Niech <math>q</math> będzie największą liczbą pierwszą nie większą od ustalonej liczby <math>2 k + 1</math>. Rozpatrywane przez nas wielokrotności liczby zwiększają wykładniki, z&nbsp;jakimi występują liczby pierwsze <math>r_i \in \{ 2, 3, \ldots, q \}</math>. Dlatego twierdzenie nie może dotyczyć tych liczb i&nbsp;musimy nałożyć warunek
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Korzystając kolejno z&nbsp;twierdzeń [[#A33|A33]], [[#A40|A40]] p.5 i [[#A8|A8]], łatwo otrzymujemy
-::<math>r_i \notin \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right]</math>
+::<math>(p_{n^{\large 2}})^{n / 3} < (2 n^2 \log n^2)^{n / 3}</math>
-Warunek ten będzie z&nbsp;pewnością spełniony, gdy
+::::<math>\;\;\: = (4 n^2 \log n)^{n / 3}</math>
-::<math>q \leqslant 2 k + 1 \leqslant {\small\frac{n}{k + 1}}</math>
+::::<math>\;\;\: < (4 n^2 \cdot 2 n^{1 / 4})^{n / 3}</math>
-czyli dla <math>n</math> spełniających nierówność <math>n \geqslant (k + 1) (2 k + 1)</math>.
+::::<math>\;\;\: = (8 n^{9 / 4})^{n / 3}</math>
-Oczywiście nie wyklucza to możliwości, że istnieją liczby <math>n < 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2})</math>, dla których twierdzenie jest prawdziwe. Pozostaje (przy ustalonej wartości liczby <math>k</math>) bezpośrednio sprawdzić prawdziwość twierdzenia dla <math>n < 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2})</math>.
+::::<math>\;\;\: = (2 n^{3 / 4})^n</math>
+::::<math>\;\;\: \leqslant n^n</math>
-<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia [[#A24|A24]]</span><br/><br/>
+::::<math>\;\;\: < p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n</math>
-Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
-::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right )</math>
+Zauważmy, że nierówność <math>2 n^{3 / 4} \leqslant n</math> jest prawdziwa dla <math>n \geqslant 2^4</math>. Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n < 16</math>, stwierdzamy, że dowodzona nierówność jest prawdziwa dla <math>n \geqslant 1</math>.<br/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
-Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy <math>1</math>, to będziemy szukali oszacowania od dołu. Z&nbsp;założenia mamy
-::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > {\small\frac{n}{k + 1}} \qquad \; \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} < k + 1 \qquad \;\;\; \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant k</math>
-::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} \geqslant 2 k + 1 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2 k + 1</math>
+<span id="A44" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Zadanie A44</span><br/>
+Korzystając z&nbsp;twierdzenia [[#A43|A43]] pokazać, że
-Zatem
+:*&nbsp;&nbsp;&nbsp;<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n + 1})^2 \qquad \qquad \text{dla } \; n \geqslant 4</math>
+:*&nbsp;&nbsp;&nbsp;<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{2 n})^3  \qquad \qquad \;\; \text{dla } \; n \geqslant 7</math>
-::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2 k + 1 - 2 k = 1</math>
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Rozwiązanie|Hide=Ukryj rozwiązanie}}
-Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
+'''Punkt 1.'''
-::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1</math>
+Ponieważ <math>n^2 > n + 1</math> dla <math>n \geqslant 2</math> oraz <math>{\small\frac{n}{3}} > 2</math> dla <math>n > 6</math>, to dla <math>n > 6</math> jest
+::<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} > (p_{n + 1})^2</math>
+Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n \leqslant 6</math>, łatwo stwierdzamy prawdziwość oszacowania dla <math>n \geqslant 4</math>.
-Założenie, że <math>n \geqslant 2 (k + 1)^2</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
+'''Punkt 2.'''
-::<math>p > {\small\frac{n}{k + 1}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 2 k + 2</math>
+Ponieważ <math>n^2 > 2 n</math> dla <math>n > 2</math> oraz <math>{\small\frac{n}{3}} > 3</math> dla <math>n > 9</math>, to dla <math>n > 9</math> jest
-::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^s}{p^s}} < (2 k + 2)^s</math>
+::<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} > (p_{2 n})^3</math>
-::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 2)^2}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{2 k + 2}{2 n}} \right)^{s - 2}</math>
+Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n \leqslant 9</math>, łatwo stwierdzamy prawdziwość oszacowania dla <math>n \geqslant 7</math>.<br/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
-::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 2)^2}{2 n}}</math>
-::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < 1</math>
-::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>
+<span id="A45" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A45</span><br/>
+Każda liczba pierwsza <math>p</math> taka, że <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, n \right]</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu <math>n!</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
-Jeżeli <math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>n \geqslant 2 (k + 1)^2</math> jest
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Z twierdzenia [[#A22|A22]] wiemy, że każda liczba pierwsza <math>p</math> występuje w&nbsp;iloczynie <math>n!</math> z&nbsp;wykładnikiem <math>W_p (n!) = \sum_{k = 1}^{\infty} \left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor</math>
-::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right ) = 1</math>
+Z założenia <math>p \leqslant n</math> i <math>2 p > n</math>, zatem:
-Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości <math>n < 2 (k + 1)^2</math> twierdzenie pozostaje prawdziwe.
+::1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>{\small\frac{n}{p}} \geqslant 1</math> &nbsp;&nbsp;oraz&nbsp;&nbsp; <math>{\small\frac{n}{p}} < 2</math>, &nbsp;&nbsp;czyli&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1</math>
-Ponieważ analiza krotności pojawiania się liczby pierwszej <math>p</math> jest bardziej precyzyjna, to podajemy, że twierdzenie jest z&nbsp;pewnością prawdziwe dla <math>n \geqslant 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2})</math>
+::2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>{\small\frac{n}{p^2}} < {\small\frac{2}{p}} \leqslant 1</math>, &nbsp;&nbsp;czyli&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^2}} \right\rfloor = 0</math> &nbsp;&nbsp;i tym bardziej&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math> &nbsp;&nbsp;dla&nbsp;&nbsp; <math>k \geqslant 3</math><br/>
-<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 1322: / Linia 1359: @@
-<span id="A44" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A44</span><br/>
+Rezultat uzyskany w&nbsp;twierdzeniu [[#A26|A26]] zainspirował nas do postawienia pytania: jakie warunki musi spełniać liczba pierwsza <math>p</math>, aby występowała w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden lub równym zero? Twierdzenia [[#A46|A46]] i [[#A48|A48]] udzielają na to pytanie precyzyjnej odpowiedzi. Przykłady [[#A47|A47]] i [[#A49|A49]] to tylko twierdzenia [[#A46|A46]] i [[#A48|A48]] dla wybranych wartości liczby <math>k</math>. Jeśli Czytelnik nie miał problemów ze zrozumieniem dowodów twierdzeń [[#A46|A46]] i [[#A48|A48]], to może je pominąć.
-Jeżeli <math>n \geqslant 6</math> i&nbsp;liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math>, to <math>p</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
+<span id="A46" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A46</span><br/>
+Niech <math>k</math> będzie dowolną ustaloną liczbą naturalną. Jeżeli <math>n \geqslant 2 (k + 1) \left( k + \tfrac{1}{2} \right)</math> i&nbsp;liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right]</math>, to <math>p</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby <math>p</math></span><br/><br/>
+'''Najpierw udowodnimy przypadek <math>k = 0</math>.'''
-Zapiszmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> w&nbsp;postaci ułamka
+Zauważmy, że każda liczba pierwsza <math>p \in (n, 2 n]</math> występuje dokładnie jeden raz w&nbsp;liczniku ułamka
 ::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-Rozważmy dowolną liczbę pierwszą występującą w&nbsp;mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby <math>p</math> spełniała następujące warunki:
+i nie występuje w&nbsp;mianowniku. Zatem w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze wystąpi z&nbsp;wykładnikiem równym <math>1</math>.
-* <math>p \leqslant n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej jeden raz w&nbsp;mianowniku
+Co kończy dowód twierdzenia w&nbsp;przypadku, gdy <math>k = 0</math>.
-* <math>2 p > n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie jeden raz w&nbsp;mianowniku (jako <math>p</math>)
-* <math>3 p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>2 p > n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej dwa razy w&nbsp;liczniku
-* <math>4 p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>3 p \leqslant 2 n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku (jako <math>2 p</math> i <math>3 p</math>)
-Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math> pojawia się dokładnie jeden raz w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku ułamka
+'''Możemy teraz przejść do dowodu dla wszystkich <math>k \geqslant 1</math>.'''
-::<math>{\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-Zatem występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem jeden.
+<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby <math>p</math></span><br/><br/>
+Zapiszmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> w&nbsp;postaci ułamka
-Wielokrotności liczby <math>p</math> podnoszą wykładniki, z&nbsp;jakimi występują liczby pierwsze <math>p = 2, 3</math>. Dlatego zakładamy, że <math>n \geqslant 6</math>, bo dla <math>n \geqslant 6</math> liczby pierwsze <math>p = 2, 3</math> nie spełniają warunku <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math>.
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-Bezpośrednio sprawdzamy, że twierdzenie nie jest prawdziwe dla <math>n = 5</math> i&nbsp;liczba <math>3^2</math> dzieli liczbę <math>{\small\binom{10}{5}} = 252 = 9 \cdot 28</math>
+Rozważmy dowolną liczbę pierwszą występującą w&nbsp;mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby <math>p</math> spełniała następujące warunki:
+* <math>k p \leqslant n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku
+* <math>(k + 1) p > n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku (jako <math>p, 2 p, \ldots, k p</math>)
+* <math>(2 k + 1) p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>(k + 1) p > n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej <math>k + 1</math> razy w&nbsp;liczniku
+* <math>(2 k + 2) p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>(2 k + 1) p \leqslant 2 n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie <math>k + 1</math> razy w&nbsp;liczniku (jako <math>(k + 1) p, (k + 2) p, \ldots, (2 k + 1) p</math>)
-<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia [[#A24|A24]]</span><br/><br/>
+Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right]</math> pojawia się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie <math>k + 1</math> razy w&nbsp;liczniku ułamka
-Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
-::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right )</math>
+::<math>{\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy <math>1</math>, to będziemy szukali oszacowania od dołu. Z&nbsp;założenia mamy
+Zatem występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem jeden.
-::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > {\small\frac{n}{2}} \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} < 2 \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 1</math>
+Niech <math>q</math> będzie największą liczbą pierwszą nie większą od ustalonej liczby <math>2 k + 1</math>. Rozpatrywane przez nas wielokrotności liczby zwiększają wykładniki, z&nbsp;jakimi występują liczby pierwsze <math>r_i \in \{ 2, 3, \ldots, q \}</math>. Dlatego twierdzenie nie może dotyczyć tych liczb i&nbsp;musimy nałożyć warunek
-::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant {\small\frac{2 n}{3}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} \geqslant 3 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \geqslant 3</math>
+::<math>r_i \notin \left( {\small\frac{n}{k + 1}}, {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \right]</math>
-Zatem
+Warunek ten będzie z&nbsp;pewnością spełniony, gdy
-::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 3 - 2 = 1</math>
+::<math>q \leqslant 2 k + 1 \leqslant {\small\frac{n}{k + 1}}</math>
-Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
+czyli dla <math>n</math> spełniających nierówność <math>n \geqslant (k + 1) (2 k + 1)</math>.
-::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1</math>
+Oczywiście nie wyklucza to możliwości, że istnieją liczby <math>n < 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2})</math>, dla których twierdzenie jest prawdziwe. Pozostaje (przy ustalonej wartości liczby <math>k</math>) bezpośrednio sprawdzić prawdziwość twierdzenia dla <math>n < 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2})</math>.
-Założenie, że <math>n \geqslant 9</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
+<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia [[#A25|A25]]</span><br/><br/>
+Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
-::<math>p > {\small\frac{n}{2}} \quad \implies \quad {\small\frac{(2 n)^k}{p^k}} < 4^k \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{16}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{4}{2 n}} \right)^{k - 2} \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} \leqslant {\small\frac{16}{2 n}} \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} \leqslant {\small\frac{16}{18}} \quad \implies \quad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>
+::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right )</math>
-Jeżeli <math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>n \geqslant 9</math> jest
+Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy <math>1</math>, to będziemy szukali oszacowania od dołu. Z&nbsp;założenia mamy
-::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) = 1</math>
+::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > {\small\frac{n}{k + 1}} \qquad \; \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} < k + 1 \qquad \;\;\; \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant k</math>
-Dla <math>n = 6, 7</math> żadna liczba pierwsza nie należy do <math>\left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math>. Dla <math>n = 8</math> łatwo sprawdzamy, że liczba <math>5</math> wchodzi do rozkładu liczby <math>{\small\binom{16}{8}} = 12870</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
+::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} \geqslant 2 k + 1 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2 k + 1</math>
-Zatem dla <math>n \geqslant 6</math> liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math> wchodzi do rozkładu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.<br/>
+Zatem
-&#9633;
-{{\Spoiler}}
+::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2 k + 1 - 2 k = 1</math>
+Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
-<span id="A45" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A45</span><br/>
+::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1</math>
-Niech <math>k</math> będzie dowolną ustaloną liczbą całkowitą dodatnią. Jeżeli liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right]</math>, to dla <math>n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math> liczba <math>p</math> nie występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze.
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
-<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby <math>p</math></span><br/><br/>
-Zapiszmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> w&nbsp;postaci ułamka
-::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
+Założenie, że <math>n \geqslant 2 (k + 1)^2</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
-Rozważmy dowolną liczbę pierwszą <math>p</math> występującą w&nbsp;mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby <math>p</math> spełniała następujące warunki:
+::<math>p > {\small\frac{n}{k + 1}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 2 k + 2</math>
-* <math>k p \leqslant n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku
+::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^s}{p^s}} < (2 k + 2)^s</math>
-* <math>(k + 1) p > n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku (jako <math>p, 2 p, \ldots, k p</math>)
-* <math>2 k p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>(k + 1) p > n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej <math>k</math> razy w&nbsp;liczniku
-* <math>(2 k + 1) p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>2 k p \leqslant 2 n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;liczniku (jako <math>(k + 1) p, (k + 2) p, \ldots, 2 k p</math>)
+::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 2)^2}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{2 k + 2}{2 n}} \right)^{s - 2}</math>
-Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right]</math> pojawia się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;liczniku ułamka
+::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 2)^2}{2 n}}</math>
-::<math>{\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
+::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < 1</math>
-Co oznacza, że <math>p</math> nie występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze.
+::::::<math>\;\;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>
-Niech <math>q</math> będzie największą liczbą pierwszą nie większą od ustalonej liczby <math>2 k</math>. Rozpatrywane przez nas wielokrotności liczby <math>p</math> zwiększają wykładniki, z&nbsp;jakimi występują liczby pierwsze <math>r_i \in \{ 2, 3, \ldots, q \}</math>. Dlatego twierdzenie nie może dotyczyć tych liczb i&nbsp;musimy nałożyć warunek
+Jeżeli <math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>n \geqslant 2 (k + 1)^2</math> jest
-::<math>r_i \notin \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right]</math>
+::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right ) = 1</math>
-Warunek ten będzie z&nbsp;pewnością spełniony, gdy
+Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości <math>n < 2 (k + 1)^2</math> twierdzenie pozostaje prawdziwe.
-::<math>q \leqslant 2 k \leqslant {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}</math>
+Ponieważ analiza krotności pojawiania się liczby pierwszej <math>p</math> jest bardziej precyzyjna, to podajemy, że twierdzenie jest z&nbsp;pewnością prawdziwe dla <math>n \geqslant 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2})</math>
+<br/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
-czyli dla <math>n</math> spełniających nierówność <math>n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math>. Oczywiście nie wyklucza to możliwości, że istnieją liczby <math>n < 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math>, dla których twierdzenie jest prawdziwe. Pozostaje (przy ustalonej wartości liczby <math>k</math>) bezpośrednio sprawdzić prawdziwość twierdzenia dla <math>n < 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math>.
-<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia [[#A24|A24]]</span><br/><br/>
+<span id="A47" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A47</span><br/>
-Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
+Jeżeli <math>n \geqslant 6</math> i&nbsp;liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math>, to <math>p</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
-::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right )</math>
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby <math>p</math></span><br/><br/>
+Zapiszmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> w&nbsp;postaci ułamka
-Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy <math>0</math>, to będziemy szukali oszacowania od góry. Z&nbsp;założenia mamy
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 2 k + 1 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \leqslant 2 k</math>
+Rozważmy dowolną liczbę pierwszą występującą w&nbsp;mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby <math>p</math> spełniała następujące warunki:
-::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant {\small\frac{n}{k}} \qquad \quad \;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} \geqslant k \qquad \qquad \;\:\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant k</math>
+* <math>p \leqslant n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej jeden raz w&nbsp;mianowniku
+* <math>2 p > n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie jeden raz w&nbsp;mianowniku (jako <math>p</math>)
+* <math>3 p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>2 p > n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej dwa razy w&nbsp;liczniku
+* <math>4 p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>3 p \leqslant 2 n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku (jako <math>2 p</math> i <math>3 p</math>)
-Zatem
+Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math> pojawia się dokładnie jeden raz w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku ułamka
-::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 2 k - 2 k = 0</math>
-Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
+::<math>{\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 0</math>
+Zatem występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem jeden.
+Wielokrotności liczby <math>p</math> podnoszą wykładniki, z&nbsp;jakimi występują liczby pierwsze <math>p = 2, 3</math>. Dlatego zakładamy, że <math>n \geqslant 6</math>, bo dla <math>n \geqslant 6</math> liczby pierwsze <math>p = 2, 3</math> nie spełniają warunku <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math>.
-Założenie, że <math>2 n \geqslant (2 k + 1)^2</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
+Bezpośrednio sprawdzamy, że twierdzenie nie jest prawdziwe dla <math>n = 5</math> i&nbsp;liczba <math>3^2</math> dzieli liczbę <math>{\small\binom{10}{5}} = 252 = 9 \cdot 28</math>
-::<math>p > {\small\frac{2 n}{2 k + 1}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^s}{p^s}} < (2 k + 1)^s</math>
-::::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 1)^2}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{2 k + 1}{2 n}} \right)^{s - 2}</math>
+<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia [[#A25|A25]]</span><br/><br/>
+Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
-::::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 1)^2}{2 n}}</math>
+::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right )</math>
-::::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < 1</math>
+Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy <math>1</math>, to będziemy szukali oszacowania od dołu. Z&nbsp;założenia mamy
-::::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>
+::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > {\small\frac{n}{2}} \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} < 2 \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 1</math>
-Jeżeli <math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>2 n \geqslant (2 k + 1)^2</math> jest
+::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant {\small\frac{2 n}{3}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} \geqslant 3 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \geqslant 3</math>
-::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right ) = 0</math>
+Zatem
+::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 3 - 2 = 1</math>
+Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
+::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 1</math>
+Założenie, że <math>n \geqslant 9</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
+::<math>p > {\small\frac{n}{2}} \quad \implies \quad {\small\frac{(2 n)^k}{p^k}} < 4^k \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{16}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{4}{2 n}} \right)^{k - 2} \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} \leqslant {\small\frac{16}{2 n}} \quad \implies \quad {\small\frac{2 n}{p^k}} \leqslant {\small\frac{16}{18}} \quad \implies \quad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>
+Jeżeli <math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>n \geqslant 9</math> jest
+::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) = 1</math>
-Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości <math>n < {\small\frac{1}{2}} (2 k + 1)^2</math> twierdzenie pozostaje prawdziwe.
+Dla <math>n = 6, 7</math> żadna liczba pierwsza nie należy do <math>\left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math>. Dla <math>n = 8</math> łatwo sprawdzamy, że liczba <math>5</math> wchodzi do rozkładu liczby <math>{\small\binom{16}{8}} = 12870</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
-Ponieważ analiza krotności pojawiania się liczby pierwszej <math>p</math> jest bardziej precyzyjna, to podajemy, że twierdzenie jest z&nbsp;pewnością prawdziwe dla <math>n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math>.<br/>
+Zatem dla <math>n \geqslant 6</math> liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math> wchodzi do rozkładu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 1462: / Linia 1520: @@
-<span id="A46" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A46</span><br/>
+<span id="A48" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A48</span><br/>
-Jeżeli <math>n \geqslant 8</math> i&nbsp;liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math>, to <math>p</math> nie występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze.
+Niech <math>k</math> będzie dowolną ustaloną liczbą całkowitą dodatnią. Jeżeli liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right]</math>, to dla <math>n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math> liczba <math>p</math> nie występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze.
 {{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
@@ Linia 1473: / Linia 1531: @@
 Rozważmy dowolną liczbę pierwszą <math>p</math> występującą w&nbsp;mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby <math>p</math> spełniała następujące warunki:
-* <math>2 p \leqslant n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej dwa razy w&nbsp;mianowniku
+* <math>k p \leqslant n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku
-* <math>3 p > n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie dwa razy w&nbsp;mianowniku (jako <math>p</math> i <math>2 p</math>)
+* <math>(k + 1) p > n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku (jako <math>p, 2 p, \ldots, k p</math>)
-* <math>4 p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>3 p > n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej dwa razy w&nbsp;liczniku
+* <math>2 k p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>(k + 1) p > n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej <math>k</math> razy w&nbsp;liczniku
-* <math>5 p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>4 p \leqslant 2 n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku (jako <math>3 p</math> i <math>4 p</math>)
+* <math>(2 k + 1) p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>2 k p \leqslant 2 n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;liczniku (jako <math>(k + 1) p, (k + 2) p, \ldots, 2 k p</math>)
-Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math> pojawia się dokładnie dwa razy w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku ułamka
+Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right]</math> pojawia się dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie <math>k</math> razy w&nbsp;liczniku ułamka
 ::<math>{\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-Zatem nie występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze.
+Co oznacza, że <math>p</math> nie występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze.
+Niech <math>q</math> będzie największą liczbą pierwszą nie większą od ustalonej liczby <math>2 k</math>. Rozpatrywane przez nas wielokrotności liczby <math>p</math> zwiększają wykładniki, z&nbsp;jakimi występują liczby pierwsze <math>r_i \in \{ 2, 3, \ldots, q \}</math>. Dlatego twierdzenie nie może dotyczyć tych liczb i&nbsp;musimy nałożyć warunek
+::<math>r_i \notin \left( {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}, {\small\frac{n}{k}} \right]</math>
+Warunek ten będzie z&nbsp;pewnością spełniony, gdy
-Wielokrotności liczby <math>p</math> podnoszą wykładniki, z&nbsp;jakimi występują liczby pierwsze <math>2</math> i <math>3</math>. Dlatego zakładamy, że <math>n \geqslant 8</math>, bo dla <math>n \geqslant 8</math> liczby pierwsze <math>2, 3</math> nie spełniają warunku <math>p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math>.
+::<math>q \leqslant 2 k \leqslant {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}}</math>
-Bezpośrednio sprawdzamy, że twierdzenie nie jest prawdziwe dla <math>n = 7</math> i&nbsp;liczba <math>3</math> dzieli liczbę <math>{\small\binom{14}{7}} = 3432</math>
+czyli dla <math>n</math> spełniających nierówność <math>n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math>. Oczywiście nie wyklucza to możliwości, że istnieją liczby <math>n < 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math>, dla których twierdzenie jest prawdziwe. Pozostaje (przy ustalonej wartości liczby <math>k</math>) bezpośrednio sprawdzić prawdziwość twierdzenia dla <math>n < 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math>.
-<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia [[#A24|A24]]</span><br/><br/>
+<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia [[#A25|A25]]</span><br/><br/>
 Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
-::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right )</math>
+::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right )</math>
 Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy <math>0</math>, to będziemy szukali oszacowania od góry. Z&nbsp;założenia mamy
-::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > {\small\frac{2 n}{5}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 5 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \leqslant 4</math>
+::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > {\small\frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 2 k + 1 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \leqslant 2 k</math>
-::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant {\small\frac{n}{2}} \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} \geqslant 2 \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2</math>
+::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant {\small\frac{n}{k}} \qquad \quad \;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} \geqslant k \qquad \qquad \;\:\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant k</math>
 Zatem
+::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 2 k - 2 k = 0</math>
-::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 4 - 4 = 0</math>
+Ponieważ każdy ze składników sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
-Ponieważ każdy ze składników szukanej sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
 ::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 0</math>
-Założenie, że <math>n \geqslant 13</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
+Założenie, że <math>2 n \geqslant (2 k + 1)^2</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
-::<math>p > {\small\frac{2 n}{5}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^k}{p^k}} < 5^k</math>
+::<math>p > {\small\frac{2 n}{2 k + 1}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^s}{p^s}} < (2 k + 1)^s</math>
-:::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{5}{2 n}} \right)^{k - 2}</math>
+::::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 1)^2}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{2 k + 1}{2 n}} \right)^{s - 2}</math>
-:::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{2 n}}</math>
+::::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < {\small\frac{(2 k + 1)^2}{2 n}}</math>
-:::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{26}}</math>
+::::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^s}} < 1</math>
-:::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>
+::::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>
-Jeżeli <math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>n \geqslant 13</math> jest
+Jeżeli <math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^s}} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>2 n \geqslant (2 k + 1)^2</math> jest
-::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) = 0</math>
+::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{s}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{s}}} \right \rfloor \right ) = 0</math>
-Dla <math>n = 8, 9</math> żadna liczba pierwsza nie należy do <math>\left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math>.
+Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości <math>n < {\small\frac{1}{2}} (2 k + 1)^2</math> twierdzenie pozostaje prawdziwe.
-Dla <math>n = 10, 11, 12</math> łatwo sprawdzamy, że liczba <math>5</math> nie dzieli liczb <math>{\small\binom{20}{10}} = 184756</math>, <math>{\small\binom{22}{11}} = 705432</math> oraz <math>{\small\binom{24}{12}} = 2704156</math>.
+Ponieważ analiza krotności pojawiania się liczby pierwszej <math>p</math> jest bardziej precyzyjna, to podajemy, że twierdzenie jest z&nbsp;pewnością prawdziwe dla <math>n \geqslant 2 k (k + \tfrac{1}{2})</math>.<br/>
-Zatem dla <math>n \geqslant 8</math> liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math> nie dzieli liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math>.<br/>
 &#9633;
 {{\Spoiler}}
@@ Linia 1535: / Linia 1597: @@
-<span id="A47" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A47</span><br/>
+<span id="A49" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A49</span><br/>
-Z przykładu [[#A44|A44]] nie wynika, że w&nbsp;przedziale <math>\left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math> znajduje się choćby jedna liczba pierwsza <math>p</math>. Analogiczna uwaga jest prawdziwa w&nbsp;przypadku przykładu&nbsp;[[#A46|A46]] oraz twierdzeń&nbsp;[[#A43|A43]] i&nbsp;[[#A45|A45]]. Istnienie liczby pierwszej w&nbsp;określonym przedziale będzie tematem kolejnego artykułu.
+Jeżeli <math>n \geqslant 8</math> i&nbsp;liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math>, to <math>p</math> nie występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze.
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby <math>p</math></span><br/><br/>
+Zapiszmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> w&nbsp;postaci ułamka
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = {\small\frac{(2 n) !}{(n!)^2}} = {\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-<span id="A48" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A48</span><br/>
+Rozważmy dowolną liczbę pierwszą <math>p</math> występującą w&nbsp;mianowniku wypisanego wyżej ułamka. Potrzebujemy, aby <math>p</math> spełniała następujące warunki:
-Pokazujemy i&nbsp;omawiamy wynik zastosowania twierdzeń [[#A43|A43]] i [[#A45|A45]] do współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math>. Można udowodnić, że granicę stosowalności obu twierdzeń bardzo dokładnie opisuje warunek <math>p > \sqrt{2 n}</math>, co w&nbsp;naszym przypadku daje <math>p > \sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.04</math>.
-{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Pokaż przykład|Hide=Ukryj przykład}}
+* <math>2 p \leqslant n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej dwa razy w&nbsp;mianowniku
-Wybraliśmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math> dlatego, że w&nbsp;rozkładzie tego współczynnika na czynniki pierwsze występują wszystkie liczby pierwsze <math>p \leqslant 107</math>, co ułatwia analizowanie występowania liczb pierwszych. Tylko sześć liczb pierwszych: 2, 3, 59, 61, 73, 79 występuje z&nbsp;wykładnikiem większym niż jeden. Ponieważ <math>\sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.043</math>, zatem liczba 79 jest ostatnią liczbą pierwszą, która mogłaby wystąpić z&nbsp;wykładnikiem większym niż jeden i&nbsp;tak właśnie jest.<br/>
+* <math>3 p > n</math> — warunek ten zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie dwa razy w&nbsp;mianowniku (jako <math>p</math> i <math>2 p</math>)
+* <math>4 p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>3 p > n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się co najmniej dwa razy w&nbsp;liczniku
+* <math>5 p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z&nbsp;warunkiem <math>4 p \leqslant 2 n</math>) zapewnia nam, że liczba <math>p</math> pojawi się dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku (jako <math>3 p</math> i <math>4 p</math>)
-Poniżej wypisaliśmy wszystkie liczby pierwsze <math>p \leqslant 3284</math>, które występują w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math> na czynniki pierwsze. Pogrubienie oznacza, że dana liczba rozpoczyna nowy wiersz w&nbsp;tabeli. Ostatnią pogrubioną i&nbsp;dodatkowo podkreśloną liczbą jest liczba 107, bo wszystkie liczby pierwsze mniejsze od 107 powinny pojawić się w&nbsp;tabeli – oczywiście tak się nie stanie, bo twierdzeń&nbsp;[[#A43|A43]] i [[#A45|A45]] nie można stosować bez ograniczeń dla coraz większych liczb <math>k</math>.
+Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math> pojawia się dokładnie dwa razy w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku ułamka
+::<math>{\small\frac{(n + 1) \cdot (n + 2) \cdot \ldots \cdot (2 n - 1) \cdot 2 n}{1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot (n - 1) \cdot n}}</math>
-<sup>6</sup>, 3<sup>8</sup>, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59<sup>2</sup>, 61<sup>2</sup>, 67, 71, 73<sup>2</sup>, 79<sup>2</sup>, 83, 89, 97, 101, 103, <span style="border-bottom-style: double;">'''107'''</span>, '''127''', '''137''', 139, '''151''', '''157''', '''167''', '''173''', '''197''', 199, '''211''', '''223''', '''239''', 241, '''257''', '''277''', 281, 283, '''307''', 311, '''331''', 337, '''367''', 373, 379, 383, '''419''', 421, 431, 433, '''479''', 487, 491, 499, 503, '''557''', 563, 569, 571, 577, 587, 593, '''659''', 661, 673, 677, 683, 691, 701, 709, 719, 727, '''823''', 827, 829, 839, 853, 857, 859, 863, 877, 881, 883, 887, 907, 911, 919, 929, 937, '''1097''', 1103, 1109, 1117, 1123, 1129, 1151, 1153, 1163, 1171, 1181, 1187, 1193, 1201, 1213, 1217, 1223, 1229, 1231, 1237, 1249, 1259, 1277, 1279, 1283, 1289, 1291, 1297, 1301, 1303, 1307, '''1657''', 1663, 1667, 1669, 1693, 1697, 1699, 1709, 1721, 1723, 1733, 1741, 1747, 1753, 1759, 1777, 1783, 1787, 1789, 1801, 1811, 1823, 1831, 1847, 1861, 1867, 1871, 1873, 1877, 1879, 1889, 1901, 1907, 1913, 1931, 1933, 1949, 1951, 1973, 1979, 1987, 1993, 1997, 1999, 2003, 2011, 2017, 2027, 2029, 2039, 2053, 2063, 2069, 2081, 2083, 2087, 2089, 2099, 2111, 2113, 2129, 2131, 2137, 2141, 2143, 2153, 2161, 2179
+Zatem nie występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math> na czynniki pierwsze.
+Wielokrotności liczby <math>p</math> podnoszą wykładniki, z&nbsp;jakimi występują liczby pierwsze <math>2</math> i <math>3</math>. Dlatego zakładamy, że <math>n \geqslant 8</math>, bo dla <math>n \geqslant 8</math> liczby pierwsze <math>2, 3</math> nie spełniają warunku <math>p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math>.
+Bezpośrednio sprawdzamy, że twierdzenie nie jest prawdziwe dla <math>n = 7</math> i&nbsp;liczba <math>3</math> dzieli liczbę <math>{\small\binom{14}{7}} = 3432</math>
-Liczba 821 została pogrubiona (w&nbsp;tabeli), bo jest liczbą pierwszą i&nbsp;wyznacza początek przedziału otwartego, konsekwentnie liczba 821 nie występuje w&nbsp;rozkładzie współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math> na czynniki pierwsze.<br/>
-Czytelnik łatwo sprawdzi, że największą wartością liczby <math>k</math>, dla jakiej można jeszcze stosować twierdzenie&nbsp;[[#A43|A43]], jest <math>k = 39</math>. Podobnie największą wartością liczby <math>k</math>, dla jakiej można jeszcze stosować twierdzenie&nbsp;[[#A45|A45]], jest <math>k = 40</math>. Wartości te i&nbsp;odpowiadające im przedziały zostały pogrubione, aby uwidocznić granicę stosowania tych twierdzeń. Łatwo odczytujemy, że twierdzenia&nbsp;[[#A43|A43]] i [[#A45|A45]] można stosować dla liczb pierwszych <math>p</math> spełniających warunek <math>p > 81.09</math>. Co bardzo dokładnie pokrywa się z&nbsp;warunkiem <math>p > \sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.04</math><br/>
+<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia [[#A25|A25]]</span><br/><br/>
+Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
-Liczba 73 jest ostatnią poprawnie pokazaną liczbą pierwszą. Po niej nie pojawiają się liczby pierwsze 71 i&nbsp;67, które występują w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math> na czynniki pierwsze.<br/>
+::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right )</math>
+Ponieważ przypuszczamy, że składnik ten będzie równy <math>0</math>, to będziemy szukali oszacowania od góry. Z&nbsp;założenia mamy
-{| class="wikitable"  style="font-size: 90%; text-align: center; margin: 1em auto 1em auto;"
+::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > {\small\frac{2 n}{5}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p}} < 5 \qquad \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor \leqslant 4</math>
-! <math>k</math>||<math>{\small\frac{3284}{k+1}}</math>||<math>p \in \left ( {\small\frac{3284}{k + 1}}, \frac{3284}{k + \tfrac{1}{2}} \right ]</math>||<math>\frac{3284}{k+\tfrac{1}{2}}</math>||<math>{\small\frac{3284}{k}}</math>
-|-
+::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant {\small\frac{n}{2}} \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{n}{p}} \geqslant 2 \qquad \;\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \geqslant 2</math>
-| 0||3284||{3299, 3301, ..., 6553, 6563}||6568||
-|-
+Zatem
-| 1||1642||{1657, 1663, ..., 2161, 2179}||2189,33||3284
-|-
+::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor \leqslant 4 - 4 = 0</math>
-| 2||1094,67||{1097, 1103, ..., 1303, 1307}||1313,60||1642
-|-
+Ponieważ każdy ze składników szukanej sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
-| 3||'''821'''||{823, 827, ..., 929, 937}||938,29||1094,67
-|-
+::<math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p}} \right\rfloor - 2 \left\lfloor {\small\frac{n}{p}} \right\rfloor = 0</math>
-| 4||656,80||{659, 661, 673, 677, 683, 691, 701, 709, 719, 727}||729,78||821
-|-
-| 5||547,33||{557, 563, 569, 571, 577, 587, 593}||597,09||656,80
+Założenie, że <math>n \geqslant 13</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
-|-
-| 6||469,14||{479, 487, 491, 499, 503}||505,23||547,33
+::<math>p > {\small\frac{2 n}{5}} \qquad \Longrightarrow \qquad {\small\frac{(2 n)^k}{p^k}} < 5^k</math>
-|-
-| 7||410,50||{419, 421, 431, 433}||437,87||469,14
+:::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{2 n}} \cdot \left( {\small\frac{5}{2 n}} \right)^{k - 2}</math>
-|-
-| 8||364,89||{367, 373, 379, 383}||386,35||410,50
+:::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{2 n}}</math>
-|-
-| 9||328,40||{331, 337}||345,68||364,89
+:::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad {\small\frac{2 n}{p^k}} < {\small\frac{25}{26}}</math>
-|-
-| 10||298,55||{307, 311}||312,76||328,40
+:::::<math>\;\;\;\,\, \Longrightarrow \qquad \left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>
-|-
-| 11||273,67||{277, 281, 283}||285,57||298,55
+Jeżeli <math>\left\lfloor {\small\frac{2 n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor {\small\frac{n}{p^k}} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>n \geqslant 13</math> jest
-|-
-| 12||252,62||{257}||262,72||273,67
+::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor {\small\frac{2 n}{p^{k}}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor {\small\frac{n}{p^{k}}} \right \rfloor \right ) = 0</math>
-|-
-| 13||234,57||{239, 241}||243,26||252,62
+Dla <math>n = 8, 9</math> żadna liczba pierwsza nie należy do <math>\left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math>.
-|-
-| 14||218,93||{223}||226,48||234,57
+Dla <math>n = 10, 11, 12</math> łatwo sprawdzamy, że liczba <math>5</math> nie dzieli liczb <math>{\small\binom{20}{10}} = 184756</math>, <math>{\small\binom{22}{11}} = 705432</math> oraz <math>{\small\binom{24}{12}} = 2704156</math>.
-|-
-| 15||205,25||{211}||211,87||218,93
+Zatem dla <math>n \geqslant 8</math> liczba pierwsza <math>p \in \left( {\small\frac{2 n}{5}}, {\small\frac{n}{2}} \right]</math> nie dzieli liczby <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math>.<br/>
-|-
+&#9633;
-| 16||193,18||{197, 199}||199,03||205,25
+{{\Spoiler}}
-|-
-| 17||182,44||{}||187,66||193,18
-|-
-| 18||172,84||{173}||177,51||182,44
+<span id="A50" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A50</span><br/>
-|-
+Z przykładu [[#A47|A47]] nie wynika, że w&nbsp;przedziale <math>\left( {\small\frac{n}{2}}, {\small\frac{2 n}{3}} \right]</math> znajduje się choćby jedna liczba pierwsza <math>p</math>. Analogiczna uwaga jest prawdziwa w&nbsp;przypadku przykładu&nbsp;[[#A49|A49]] oraz twierdzeń&nbsp;[[#A46|A46]] i&nbsp;[[#A48|A48]]. Istnienie liczby pierwszej w&nbsp;określonym przedziale będzie tematem kolejnego artykułu.
-| 19||164,20||{167}||168,41||172,84
+<span id="A51" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A51</span><br/>
+Pokazujemy i&nbsp;omawiamy wynik zastosowania twierdzeń [[#A46|A46]] i [[#A48|A48]] do współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math>. Można udowodnić, że granicę stosowalności obu twierdzeń bardzo dokładnie opisuje warunek <math>p > \sqrt{2 n}</math>, co w&nbsp;naszym przypadku daje <math>p > \sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.04</math>.
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Pokaż przykład|Hide=Ukryj przykład}}
+Wybraliśmy współczynnik dwumianowy <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math> dlatego, że w&nbsp;rozkładzie tego współczynnika na czynniki pierwsze występują wszystkie liczby pierwsze <math>p \leqslant 107</math>, co ułatwia analizowanie występowania liczb pierwszych. Tylko sześć liczb pierwszych: 2, 3, 59, 61, 73, 79 występuje z&nbsp;wykładnikiem większym niż jeden. Ponieważ <math>\sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.043</math>, zatem liczba 79 jest ostatnią liczbą pierwszą, która mogłaby wystąpić z&nbsp;wykładnikiem większym niż jeden i&nbsp;tak właśnie jest.<br/>
+Poniżej wypisaliśmy wszystkie liczby pierwsze <math>p \leqslant 3284</math>, które występują w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math> na czynniki pierwsze. Pogrubienie oznacza, że dana liczba rozpoczyna nowy wiersz w&nbsp;tabeli. Ostatnią pogrubioną i&nbsp;dodatkowo podkreśloną liczbą jest liczba 107, bo wszystkie liczby pierwsze mniejsze od 107 powinny pojawić się w&nbsp;tabeli – oczywiście tak się nie stanie, bo twierdzeń&nbsp;[[#A46|A46]] i [[#A48|A48]] nie można stosować bez ograniczeń dla coraz większych liczb <math>k</math>.
+<sup>6</sup>, 3<sup>8</sup>, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59<sup>2</sup>, 61<sup>2</sup>, 67, 71, 73<sup>2</sup>, 79<sup>2</sup>, 83, 89, 97, 101, 103, <span style="border-bottom-style: double;">'''107'''</span>, '''127''', '''137''', 139, '''151''', '''157''', '''167''', '''173''', '''197''', 199, '''211''', '''223''', '''239''', 241, '''257''', '''277''', 281, 283, '''307''', 311, '''331''', 337, '''367''', 373, 379, 383, '''419''', 421, 431, 433, '''479''', 487, 491, 499, 503, '''557''', 563, 569, 571, 577, 587, 593, '''659''', 661, 673, 677, 683, 691, 701, 709, 719, 727, '''823''', 827, 829, 839, 853, 857, 859, 863, 877, 881, 883, 887, 907, 911, 919, 929, 937, '''1097''', 1103, 1109, 1117, 1123, 1129, 1151, 1153, 1163, 1171, 1181, 1187, 1193, 1201, 1213, 1217, 1223, 1229, 1231, 1237, 1249, 1259, 1277, 1279, 1283, 1289, 1291, 1297, 1301, 1303, 1307, '''1657''', 1663, 1667, 1669, 1693, 1697, 1699, 1709, 1721, 1723, 1733, 1741, 1747, 1753, 1759, 1777, 1783, 1787, 1789, 1801, 1811, 1823, 1831, 1847, 1861, 1867, 1871, 1873, 1877, 1879, 1889, 1901, 1907, 1913, 1931, 1933, 1949, 1951, 1973, 1979, 1987, 1993, 1997, 1999, 2003, 2011, 2017, 2027, 2029, 2039, 2053, 2063, 2069, 2081, 2083, 2087, 2089, 2099, 2111, 2113, 2129, 2131, 2137, 2141, 2143, 2153, 2161, 2179
+Liczba 821 została pogrubiona (w&nbsp;tabeli), bo jest liczbą pierwszą i&nbsp;wyznacza początek przedziału otwartego, konsekwentnie liczba 821 nie występuje w&nbsp;rozkładzie współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math> na czynniki pierwsze.<br/>
+Czytelnik łatwo sprawdzi, że największą wartością liczby <math>k</math>, dla jakiej można jeszcze stosować twierdzenie&nbsp;[[#A46|A46]], jest <math>k = 39</math>. Podobnie największą wartością liczby <math>k</math>, dla jakiej można jeszcze stosować twierdzenie&nbsp;[[#A48|A48]], jest <math>k = 40</math>. Wartości te i&nbsp;odpowiadające im przedziały zostały pogrubione, aby uwidocznić granicę stosowania tych twierdzeń. Łatwo odczytujemy, że twierdzenia&nbsp;[[#A46|A46]] i [[#A48|A48]] można stosować dla liczb pierwszych <math>p</math> spełniających warunek <math>p > 81.09</math>. Co bardzo dokładnie pokrywa się z&nbsp;warunkiem <math>p > \sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.04</math><br/>
+Liczba 73 jest ostatnią poprawnie pokazaną liczbą pierwszą. Po niej nie pojawiają się liczby pierwsze 71 i&nbsp;67, które występują w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 \cdot 3284}{3284}}</math> na czynniki pierwsze.<br/>
+{| class="wikitable"  style="font-size: 90%; text-align: center; margin: 1em auto 1em auto;"
+! <math>k</math>||<math>{\small\frac{3284}{k+1}}</math>||<math>p \in \left ( {\small\frac{3284}{k + 1}}, \frac{3284}{k + \tfrac{1}{2}} \right ]</math>||<math>\frac{3284}{k+\tfrac{1}{2}}</math>||<math>{\small\frac{3284}{k}}</math>
 |-
-| 20||156,38||{157}||160,20||164,20
+| 0||3284||{3299, 3301, ..., 6553, 6563}||6568||
 |-
-| 21||149,27||{151}||152,74||156,38
+| 1||1642||{1657, 1663, ..., 2161, 2179}||2189,33||3284
 |-
-| 22||142,78||{}||145,96||149,27
+| 2||1094,67||{1097, 1103, ..., 1303, 1307}||1313,60||1642
 |-
-| 23||136,83||{137, 139}||139,74||142,78
+| 3||'''821'''||{823, 827, ..., 929, 937}||938,29||1094,67
 |-
-| 24||131,36||{}||134,04||136,83
+| 4||656,80||{659, 661, 673, 677, 683, 691, 701, 709, 719, 727}||729,78||821
 |-
-| 25||126,31||{127}||128,78||131,36
+| 5||547,33||{557, 563, 569, 571, 577, 587, 593}||597,09||656,80
 |-
-| 26||121,63||{}||123,92||126,31
+| 6||469,14||{479, 487, 491, 499, 503}||505,23||547,33
 |-
-| 27||117,29||{}||119,42||121,63
+| 7||410,50||{419, 421, 431, 433}||437,87||469,14
 |-
-| 28||113,24||{}||115,23||117,29
+| 8||364,89||{367, 373, 379, 383}||386,35||410,50
 |-
-| 29||109,47||{}||111,32||113,24
+| 9||328,40||{331, 337}||345,68||364,89
 |-
-| 30||105,94||{<span style="border-bottom-style: double;">'''107'''</span>}||107,67||109,47
+| 10||298,55||{307, 311}||312,76||328,40
 |-
-| 31||102,63||{103}||104,25||105,94
+| 11||273,67||{277, 281, 283}||285,57||298,55
 |-
-| 32||99,52||{101}||101,05||102,63
+| 12||252,62||{257}||262,72||273,67
 |-
-| 33||96,59||{97}||98,03||99,52
+| 13||234,57||{239, 241}||243,26||252,62
 |-
-| 34||93,83||{}||95,19||96,59
+| 14||218,93||{223}||226,48||234,57
 |-
-| 35||91,22||{}||92,51||93,83
+| 15||205,25||{211}||211,87||218,93
 |-
-| 36||88,76||{89}||89,97||91,22
+| 16||193,18||{197, 199}||199,03||205,25
 |-
-| 37||86,42||{}||87,57||88,76
+| 17||182,44||{}||187,66||193,18
 |-
-| 38||84,21||{}||85,30||86,42
+| 18||172,84||{173}||177,51||182,44
 |-
-| '''39'''||'''82,10'''||{83}||'''83,14'''||84,21
+| 19||164,20||{167}||168,41||172,84
 |-
-| '''40'''||80,10||{}||'''81,09'''||'''82,10'''
+| 20||156,38||{157}||160,20||164,20
 |-
-| 41||78,19||{79}||79,13||80,10
+| 21||149,27||{151}||152,74||156,38
 |-
-| 42||76,37||{}||77,27||78,19
+| 22||142,78||{}||145,96||149,27
 |-
-| 43||74,64||{}||75,49||76,37
+| 23||136,83||{137, 139}||139,74||142,78
 |-
-| 44||72,98||{'''73'''}||73,80||74,64
+| 24||131,36||{}||134,04||136,83
 |-
-| 45||71,39||{}||72,18||72,98
+| 25||126,31||{127}||128,78||131,36
 |-
-| 46||69,87||{}||70,62||71,39
+| 26||121,63||{}||123,92||126,31
 |-
-| 47||68,42||{}||69,14||69,87
+| 27||117,29||{}||119,42||121,63
 |-
-| 48||67,02||{}||67,71||68,42
+| 28||113,24||{}||115,23||117,29
 |-
-| 49||65,68||{}||66,34||67,02
+| 29||109,47||{}||111,32||113,24
 |-
-| 50||64,39||{}||65,03||65,68
+| 30||105,94||{<span style="border-bottom-style: double;">'''107'''</span>}||107,67||109,47
 |-
-| 51||63,15||{}||63,77||64,39
+| 31||102,63||{103}||104,25||105,94
 |-
-| 52||61,96||{}||62,55||63,15
+| 32||99,52||{101}||101,05||102,63
 |-
-| 53||60,81||{61}||61,38||61,96
+| 33||96,59||{97}||98,03||99,52
 |-
-| 54||59,71||{}||60,26||60,81
+| 34||93,83||{}||95,19||96,59
 |-
-| 55||58,64||{59}||59,17||59,71
+| 35||91,22||{}||92,51||93,83
 |-
-| 56||57,61||{}||58,12||58,64
+| 36||88,76||{89}||89,97||91,22
 |-
-| 57||56,62||{}||57,11||57,61
+| 37||86,42||{}||87,57||88,76
 |-
-| 58||55,66||{}||56,14||56,62
+| 38||84,21||{}||85,30||86,42
 |-
-| 59||54,73||{}||55,19||55,66
+| '''39'''||'''82,10'''||{83}||'''83,14'''||84,21
 |-
-| 60||53,84||{}||54,28||54,73
+| '''40'''||80,10||{}||'''81,09'''||'''82,10'''
 |-
-| 61||52,97||{53}||53,40||53,84
+| 41||78,19||{79}||79,13||80,10
 |-
-| 62||52,13||{}||52,54||52,97
+| 42||76,37||{}||77,27||78,19
 |-
-| 63||51,31||{}||51,72||52,13
+| 43||74,64||{}||75,49||76,37
 |-
-| 64||50,52||{}||50,91||51,31
+| 44||72,98||{'''73'''}||73,80||74,64
 |-
-| 65||49,76||{}||50,14||50,52
+| 45||71,39||{}||72,18||72,98
+|-
+| 46||69,87||{}||70,62||71,39
+|-
+| 47||68,42||{}||69,14||69,87
+|-
+| 48||67,02||{}||67,71||68,42
+|-
+| 49||65,68||{}||66,34||67,02
+|-
+| 50||64,39||{}||65,03||65,68
+|-
+| 51||63,15||{}||63,77||64,39
+|-
+| 52||61,96||{}||62,55||63,15
 |-
-| 66||49,01||{}||49,38||49,76
+| 53||60,81||{61}||61,38||61,96
 |-
-| 67||48,29||{}||48,65||49,01
+| 54||59,71||{}||60,26||60,81
 |-
-| 68||47,59||{}||47,94||48,29
+| 55||58,64||{59}||59,17||59,71
 |-
-| 69||46,91||{47}||47,25||47,59
+| 56||57,61||{}||58,12||58,64
 |-
-| 70||46,25||{}||46,58||46,91
+| 57||56,62||{}||57,11||57,61
-|}
+|-
-<br/>
+| 58||55,66||{}||56,14||56,62
-&#9633;
+|-
-{{\Spoiler}}
+| 59||54,73||{}||55,19||55,66
+|-
+| 60||53,84||{}||54,28||54,73
+|-
+| 61||52,97||{53}||53,40||53,84
+|-
+| 62||52,13||{}||52,54||52,97
+|-
+| 63||51,31||{}||51,72||52,13
+|-
+| 64||50,52||{}||50,91||51,31
+|-
+| 65||49,76||{}||50,14||50,52
+|-
+| 66||49,01||{}||49,38||49,76
+|-
+| 67||48,29||{}||48,65||49,01
+|-
+| 68||47,59||{}||47,94||48,29
+|-
+| 69||46,91||{47}||47,25||47,59
+|-
+| 70||46,25||{}||46,58||46,91
+|}
+<br/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
+== Dokładniejsze oszacowanie <math>\pi (n)</math> od dołu ==
+<span id="A52" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A52</span><br/>
+Poniżej przedstawimy inny dowód oszacowania od dołu funkcji <math>\pi (x)</math>. Naszym zdaniem jest łatwiejszy niż dowód twierdzenia [[#A30|A30]] i, co warto odnotować, daje nieco dokładniejsze oszacowanie.
+<span id="A53" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A53</span><br/>
+Dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie
+::<math>\pi (n) > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Z twierdzenia [[Twierdzenie Czebyszewa o liczbie pierwszej między n i 2n#B5|B5]] wiemy, że dla <math>n \geqslant 2</math> prawdziwe jest oszacowanie
-== Przypisy ==
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} > {\small\frac{4^n}{2 n}}</math>
-<references>
+Z drugiej strony, korzystając z twierdzenia [[#A27|A27]] możemy napisać
-<ref name="PARIGP">Wikipedia, ''PARI/GP'', ([https://en.wikipedia.org/wiki/PARI/GP Wiki-en])</ref>
+::<math>{\small\binom{2 n}{n}} = \prod_{2 \leqslant p \leqslant 2 n} p^{\alpha_p} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)}</math>
-<ref name="Czebyszew1">Wikipedia, ''Pafnuty Czebyszew (1821 - 1893)'', ([https://pl.wikipedia.org/wiki/Pafnutij_Czebyszow Wiki-pl]), ([https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B5%D0%B1%D1%8B%D1%88%D1%91%D0%B2,_%D0%9F%D0%B0%D1%84%D0%BD%D1%83%D1%82%D0%B8%D0%B9_%D0%9B%D1%8C%D0%B2%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87 Wiki-ru])</ref>
-<ref name="Czebyszew2">P. L. Chebyshev, ''Mémoire sur les nombres premiers'', J. de Math. Pures Appl. (1) 17 (1852), 366-390, ([http://sites.mathdoc.fr/JMPA/PDF/JMPA_1852_1_17_A19_0.pdf LINK])</ref>
+Łącząc powyższe oszacowania, otrzymujemy
-<ref name="Erdos">P. Erdos, ''Beweis eines Satzes von Tschebyschef'', Acta Litt. Sci. Szeged 5 (1932), 194-198, ([https://old.renyi.hu/~p_erdos/1932-01.pdf LINK1]), ([http://acta.bibl.u-szeged.hu/13396/1/math_005_194-198.pdf LINK2])</ref>
+::<math>{\small\frac{4^n}{2 n}} < (2 n)^{\pi (2 n)}</math>
-<ref name="Dusart99">P. Dusart, ''The <math>k^{th}</math> prime is greater than <math>k (\ln k + \ln \ln k - 1)</math> for <math>k \geqslant 2</math>'', Math. Of Computation, Vol. 68, Number 225 (January 1999), pp. 411-415.</ref>
+Czyli
-<ref name="Dusart06">P. Dusart, ''Sharper bounds for <math>\psi</math>, <math>\theta</math>, <math>\pi</math>, <math>p_k</math>'', Rapport de recherche no. 1998-06, Université de Limoges</ref>
+::<math>\pi (2 n) > {\small\frac{2 n \log 2 - \log 2 n}{\log 2 n}} = \log 2 \cdot {\small\frac{2 n}{\log 2 n}} - 1</math>
-<ref name="Dusart10">P. Dusart, ''Estimates of some functions over primes without R.H.'', (2010), ([https://arxiv.org/abs/1002.0442 LINK])</ref>
-<ref name="Dusart18">P. Dusart, ''Explicit estimates of some functions over primes'', Ramanujan Journal. 45 (1) (January 2018) pp. 225-234.</ref>
+Ponieważ dla wszystkich <math>n \geqslant 2 \,</math> jest <math>\, \pi (2 n) = \pi (2 n - 1)</math>, to
+::<math>\pi (2 n - 1) = \pi (2 n) > \log 2 \cdot {\small\frac{2 n}{\log 2 n}} - 1 > \log 2 \cdot {\small\frac{2 n - 1}{\log (2 n - 1)}} - 1</math>
+Ostatnia nierówność wynika z faktu, że <math>n \geqslant 3</math> ciąg <math>u_n = {\small\frac{n}{\log n}}</math> jest ciągiem silnie rosnącym (zobacz twierdzenie [[#A7|A7]]). Zatem znaleziony wzór jest prawdziwy dla liczb parzystych <math>4, 6, 8, \ldots</math> i nieparzystych <math>3, 5, 7, \ldots</math> Wynika stąd, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest
+::<math>\pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1</math>
+Ponownie korzystając z tego, że ciąg <math>u_n = {\small\frac{n}{\log n}}</math> jest ciągiem silnie rosnącym, widzimy, że dla <math>n > 2650</math> prawdziwy jest następujący ciąg przekształceń
+::<math>\log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 = (\log 2 - 0.003) \cdot {\small\frac{n}{\log n}} + \left( 0.003 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 \right)</math>
+::::::<math>\;\;\;\; > (\log 2 - 0.003) \cdot {\small\frac{n}{\log n}} + \left( 0.003 \cdot {\small\frac{2650}{\log 2650}} - 1 \right)</math>
+::::::<math>\;\;\;\; = (\log 2 - 0.003) \cdot {\small\frac{n}{\log n}} + 0.00858695 \ldots</math>
+<div style="margin-top: 0.8em; margin-bottom: 0.8em;">
+::::::<math>\;\;\;\; > (\log 2 - 0.003) \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
+</div>
+::::::<math>\;\;\;\; = 0.690147 \ldots \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
+::::::<math>\;\;\;\; > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
+Z układu nierówności prawdziwego dla <math>n > 2650</math>
+::<math>\pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}}</math>
+otrzymujemy natychmiast, że
+::<math>\pi (n) > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n > 2650</math>
+Sprawdzając bezpośrednio prawdziwość powyższego oszacowania dla <math>n \leqslant 2650</math>, dostajemy
+::<math>\pi (n) > 0.69 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n \geqslant 3</math>
+Co należało pokazać.<br/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
+<span id="A54" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A54</span><br/>
+Na zakończenie tego artykułu chcemy przedstawić dowód pozornie trywialnego twierdzenia, że dla <math>n \geqslant 2</math> między <math>n</math> i <math>n^2</math> znajduje się liczba pierwsza. Podobnie proste wydaje się oszacowanie <math>\pi (n) > \sqrt{n}</math>. Jednak przedstawiony niżej dowód wcale prosty nie jest. Trudność tego dowodu jest podobna do dowodu twierdzenia [[#A30|A30]] i tkwi w znalezieniu dostatecznie dokładnego oszacowania funkcji <math>\pi (n)</math> od dołu.
+Otrzymany w trakcie dowodu twierdzenia [[#A53|A53]] rezultat
+::<math>\pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n \geqslant 3</math>
+Wykorzystamy do dowodu twierdzenia [[#A55|A55]]. Podkreślmy, że nawet w przypadku tego wzoru musieliśmy
+:*&nbsp;&nbsp;&nbsp;znać wykładnik, z jakim liczba pierwsza <math>p</math> występuje w <math>n!</math>
+:*&nbsp;&nbsp;&nbsp;zbadać właściwości współczynnika dwumianowego <math>{\small\binom{2 n}{n}}</math>
+<span id="A55" style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A55</span><br/>
+Dla <math>n \geqslant 2</math> między liczbami <math>n</math> i <math>n^2</math> znajduje się liczba pierwsza.
+{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
+Łatwo sprawdzamy, że twierdzenie jest prawdziwe dla <math>n = 2, 3, \ldots 9</math>, co pozwala ograniczyć dowód do liczb <math>n \geqslant 10</math>.
+Dla oszacowania od góry funkcji <math>\pi (n)</math> wystarczy przyjąć, że <math>\pi (n) < n</math> (oszacowanie prawdziwe dla <math>n \geqslant 1</math>).
+Dla oszacowania od dołu funkcji <math>\pi (n)</math> skorzystamy ze wzoru otrzymanego w trakcie dowodu twierdzenia [[#A53|A53]]
+::<math>\pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1 \qquad \qquad \qquad \text{dla} \;\; n \geqslant 3</math>
+Dla <math>n \geqslant 10</math> otrzymujemy
+::<math>\pi (n^2) - \pi (n) > \log 2 \cdot {\small\frac{n^2}{\log n^2}} - 1 - n</math>
+:::::<math>\quad \;\; = n \left( {\small\frac{\log 2}{2}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - {\small\frac{1}{n}} - 1 \right)</math>
+:::::<math>\quad \;\; \geqslant n \left( {\small\frac{\log 2}{2}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - {\small\frac{1}{10}} - 1 \right)</math>
+:::::<math>\quad \;\; = n \left( {\small\frac{\log 2}{2}} \cdot {\small\frac{n}{\log n}} - 1.1 \right)</math>
+Wyrażenie w nawiasie rośnie ze wzrostem <math>n</math> (zobacz [[#A7|A7]], [[Ciągi liczbowe#C4|C4]], [[#A31|A31]], [[#A32|A32]]) i dla <math>n = 10</math> jest większe od <math>0.4</math>, zatem dla <math>n \geqslant 10</math> mamy
+::<math>\pi (n^2) - \pi (n) > 4</math>
+Co kończy dowód.<br/>
+&#9633;
+{{\Spoiler}}
+== Przypisy ==
+<references>
+<ref name="PARIGP">Wikipedia, ''PARI/GP'', ([https://en.wikipedia.org/wiki/PARI/GP Wiki-en])</ref>
+<ref name="Czebyszew1">Wikipedia, ''Pafnuty Czebyszew (1821 - 1893)'', ([https://pl.wikipedia.org/wiki/Pafnutij_Czebyszow Wiki-pl]), ([https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B5%D0%B1%D1%8B%D1%88%D1%91%D0%B2,_%D0%9F%D0%B0%D1%84%D0%BD%D1%83%D1%82%D0%B8%D0%B9_%D0%9B%D1%8C%D0%B2%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87 Wiki-ru])</ref>
+<ref name="Czebyszew2">P. L. Chebyshev, ''Mémoire sur les nombres premiers'', J. de Math. Pures Appl. (1) 17 (1852), 366-390, ([http://sites.mathdoc.fr/JMPA/PDF/JMPA_1852_1_17_A20_0.pdf LINK])</ref>
+<ref name="Erdos">P. Erdos, ''Beweis eines Satzes von Tschebyschef'', Acta Litt. Sci. Szeged 5 (1932), 194-198, ([https://old.renyi.hu/~p_erdos/1932-01.pdf LINK1]), ([http://acta.bibl.u-szeged.hu/13396/1/math_005_194-198.pdf LINK2])</ref>
+<ref name="Dusart99">P. Dusart, ''The <math>k^{th}</math> prime is greater than <math>k (\ln k + \ln \ln k - 1)</math> for <math>k \geqslant 2</math>'', Math. Of Computation, Vol. 68, Number 225 (January 1999), pp. 411-415.</ref>
+<ref name="Dusart06">P. Dusart, ''Sharper bounds for <math>\psi</math>, <math>\theta</math>, <math>\pi</math>, <math>p_k</math>'', Rapport de recherche no. 1998-06, Université de Limoges</ref>
+<ref name="Dusart10">P. Dusart, ''Estimates of some functions over primes without R.H.'', (2010), ([https://arxiv.org/abs/1002.0442 LINK])</ref>
+<ref name="Dusart18">P. Dusart, ''Explicit estimates of some functions over primes'', Ramanujan Journal. 45 (1) (January 2018) pp. 225-234.</ref>
+<ref name="Stirling">Wikipedia, ''Wzór Stirlinga'', ([https://pl.wikipedia.org/wiki/Wz%C3%B3r_Stirlinga Wiki-pl]), ([https://en.wikipedia.org/wiki/Stirling%27s_approximation Wiki-en])</ref>
 <ref name="p1">Wikipedia, ''Twierdzenie o&nbsp;zbieżności ciągu monotonicznego'', ([https://pl.wikipedia.org/wiki/Twierdzenie_o_zbie%C5%BCno%C5%9Bci_ci%C4%85gu_monotonicznego LINK])</ref>

Twierdzenie Czebyszewa o funkcji π(n): Różnice pomiędzy wersjami

Aktualna wersja na dzień 13:20, 21 lis 2025

Oznaczenia

Twierdzenie Czebyszewa

Oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n }[/math] od dołu i [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od góry

Wykładnik, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w [math]\displaystyle{ n! }[/math]

Oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n }[/math] od góry i [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od dołu

Uwagi do dowodu

Zastosowania

Dokładniejsze oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] od dołu

Przypisy

Menu nawigacyjne

Szukaj