Różnica pomiędzy stronami "Henryk Dąbrowski" i "Twierdzenie Czebyszewa o funkcji π(n)"

Z Henryk Dąbrowski
(Różnica między stronami)
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
 
 
Linia 1: Linia 1:
−
<div style="text-align:right; font-size: 90%; font-style: italic; ">Wolność nie czyni ludzi szczęśliwymi, czyni ich po prostu ludźmi</div>
+
<div style="text-align:right; font-size: 130%; font-style: italic; font-weight: bold;">07.11.2021</div>
  
 +
__FORCETOC__
  
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Powitanie|Hide=Powitanie}}
+
 
−
*[[WOLNOŚĆ, PRAWDA, SPRAWIEDLIWOŚĆ, HONOR, MIŁOŚĆ, ...]]
+
== Oznaczenia ==
 +
 
 +
Będziemy stosowali następujące oznaczenia:
 +
 
 +
::<math>\mathbb{Z}</math> — zbiór liczb całkowitych<br/>
 +
::<math>\mathbb{Z}_+</math> — zbiór liczb całkowitych dodatnich<br/>
 +
::<math>\mathbb{N}</math> — zbiór liczb naturalnych <math>\mathbb{N} = \mathbb{Z}_{+}\cup \left \{ 0 \right \}</math><br/>
 +
::<math>\mathbb{R}</math> — zbiór liczb rzeczywistych<br/>
 +
::<math>d \mid n</math> — czytaj: d dzieli n (<math>d</math> jest dzielnikiem liczby <math>n</math>)<br/>
 +
::<math>d \nmid n</math> — czytaj: d nie dzieli n (<math>d</math> nie jest dzielnikiem liczby <math>n</math>)<br/>
 +
::<math>p_n</math> — <math>n</math>-ta liczba pierwsza<br/>
 +
::<math>\pi (n)</math> — ilość liczb pierwszych nie większych od <math>n</math><br/>
 +
::<math>P(n)</math> — iloczyn liczb pierwszych nie większych od <math>n</math><br/>
 +
::<math>\lfloor x \rfloor</math> — największa liczba całkowita nie większa od <math>x</math><br/>
 +
::<math>\binom{n}{m}</math> — współczynnik dwumianowy (symbol Newtona), <math>\binom{n}{m} = \frac{n!}{m! \cdot (n - m) !}</math><br/>
 +
::<math>\log (x)</math> — logarytm naturalny liczby <math>x > 0</math>
 +
::<math>W_p (n)</math> — wykładnik z jakim liczba pierwsza <math>p</math> wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze liczby <math>n</math>
 +
::<math>n</math> — oznacza zawsze liczbę naturalną
 +
::<math>p</math> — oznacza zawsze liczbę pierwszą
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Przykładowe wartości niektórych wypisanych wyżej funkcji:
 +
 
 +
::<math>p_2 = 3</math>,&nbsp;&nbsp; <math>p_{10} = 29</math>,&nbsp;&nbsp; <math>p_{100} = 541</math><br/>
 +
::<math>\pi (10) = 4</math>,&nbsp;&nbsp; <math>\pi (100) = 25</math>,&nbsp;&nbsp; <math>\pi (541) = 100</math><br/>
 +
::<math>P(5) = 30</math>,&nbsp;&nbsp; <math>P(10) = 210</math>,&nbsp;&nbsp; <math>P(50) = 614889782588491410</math><br/>
 +
::<math>\lfloor 1.2 \rfloor = 1</math>,&nbsp;&nbsp; <math>\lfloor 2.8 \rfloor = 2</math>,&nbsp;&nbsp; <math>\lfloor - 1.5 \rfloor = - 2</math><br/>
 +
::<math>\binom{5}{2} = 10</math>,&nbsp;&nbsp; <math>\binom{10}{5} = 252</math>,&nbsp;&nbsp; <math>\binom{9}{3} = 84</math><br/>
 +
::<math>W_2 (8) = 3</math>,&nbsp;&nbsp; <math>W_3 (18) = 2</math>,&nbsp;&nbsp; <math>W_7 (28) = 1</math>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Funkcje te są zaimplementowane w PARI/GP<ref name="PARIGP"/>
 +
 
 +
::<math>p_n</math> = prime(n)<br/>
 +
::<math>\pi (n)</math> = primepi(n)<br/>
 +
::<math>P(n)</math> = prodeuler(p=2, n, p)<br/>
 +
::<math>\lfloor x \rfloor</math> = floor(x)<br/>
 +
::<math>\binom{n}{m}</math> = binomial(n, m)<br/>
 +
::<math>W_p (n)</math> = valuation(n, p)
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
== Twierdzenie Czebyszewa ==
 +
 
 +
W 1852 roku rosyjski matematyk Czebyszew<ref name="Czebyszew1"/><ref name="Czebyszew2"/> udowodnił, że dla funkcji <math>\pi (n)</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie
 +
 
 +
::<math>a \cdot \frac{n}{\log n} \: \underset{n \geqslant 11}{<} \: \pi (n) \: \underset{n \geqslant 96098}{<} \: b \cdot \frac{n}{\log n}</math>
 +
 
 +
gdzie
 +
 
 +
::<math>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&nbsp;nierównościami udowodnionymi przez Czebyszewa w&nbsp;teorii prawdopodobieństwa), a&nbsp;twierdzeniem Czebyszewa nazywany jest łatwy wniosek z&nbsp;tych nierówności. Stąd tytuł tego artykułu: „Twierdzenie Czebyszewa o&nbsp;funkcji <math>\pi (n)</math>”
 +
 
 +
Twierdzenie Czebyszewa o&nbsp;funkcji <math>\pi (n)</math> nabrało nowego życia, gdy w&nbsp;1936 Erdos<ref name="Erdos"/> zelementaryzował jego dowód. Elementarny dowód daje mniej dokładne oszacowania, ale pozwala zapoznać się z&nbsp;tym pięknym twierdzeniem nawet uczniom szkoły podstawowej.
 +
 
 +
 
 +
Czytelnik powinien mieć świadomość, że rezultat ten ma już jedynie znaczenie historyczne – dzisiaj dysponujemy znacznie lepszymi oszacowaniami<ref name="Dusart99"/><ref name="Dusart06"/><ref name="Dusart10"/><ref name="Dusart18"/> funkcji <math>\pi (n)</math> oraz <math>p_n</math>
 +
 
 +
 
 +
::<math>\frac{n}{\log n} \left( 1 + \frac{1}{\log n} \right) \underset{n \geqslant 599}{<} \pi (n) \underset{n \geqslant 2}{<} \frac{n}{\log n} \left( 1 + \frac{1.28}{\log n} \right)</math>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
::<math>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&nbsp;funkcji <math>\pi (n)</math> oraz analogiczne oszacowanie dla funkcji <math>p_n</math>.
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A1</span><br/>
 +
Prawdziwe są następujące oszacowania:
 +
 
 +
 
 +
::<math>0.72 \cdot n \log n \underset{n \geqslant 1}{<} p_n \underset{n \geqslant 3}{<} 2n \log n</math>
 +
 
 +
 
 +
::<math>\frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} \underset{n \geqslant 3}{<} \pi (n) \underset{n \geqslant 2}{<} \frac{2 n}{\log n}</math>
 +
 
 +
 
 +
Dowód powyższego twierdzenia jest łatwy, ale wymaga udowodnienia kolejno wielu, przeważnie bardzo prostych, twierdzeń pomocniczych.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
== Oszacowanie <math>p_n</math> od dołu i <math>\pi (n)</math> od góry ==
 +
 
 +
Rozpoczniemy od oszacowania liczby <math>\binom{2n}{n}</math>. Badanie właściwości tego współczynnika dwumianowego jest kluczowe dla naszego dowodu.
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A2</span><br/>
 +
Niech <math>n, k \in \mathbb{N}</math>. Współczynnik dwumianowy <math>\binom{n}{k}</math> jest zawsze liczbą całkowitą dodatnią.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Indukcja matematyczna. Ponieważ
 +
 
 +
::<math>\binom{0}{0} = \binom{1}{0} = \binom{1}{1} = 1</math>
 +
 
 +
to twierdzenie jest prawdziwe dla <math>n = 1</math>. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla wszystkich liczb całkowitych należących do przedziału <math>[1, n]</math> mamy dla <math>n + 1</math>
 +
 
 +
::<math>\binom{n + 1}{0} = \binom{n + 1}{n + 1} = 1</math>
 +
 
 +
Dla <math>k</math> spełniającego warunek <math>1 \leqslant k \leqslant n</math>, jest
 +
 
 +
::<math>\binom{n + 1}{k} = \binom{n}{k} + \binom{n}{k - 1}</math>
 +
 
 +
Na podstawie założenia indukcyjnego liczby po prawej stronie są liczbami całkowitymi dodatnimi, zatem <math>\binom{n + 1}{k}</math> dla wszystkich wartości <math>k</math> jest liczbą całkowitą dodatnią. Co należało pokazać.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A3</span><br/>
 +
Niech <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>. Współczynnik dwumianowy <math>\binom{2 n}{n}</math> jest liczbą parzystą.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Łatwo zauważamy, że
 +
 
 +
::<math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{n! \cdot n!} = \frac{2 n \cdot (2 n - 1)!}{n \cdot (n - 1) ! \cdot n!} = 2 \cdot \binom{2 n - 1}{n - 1}</math><br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A4</span><br/>
 +
Prawdziwe są następujące oszacowania współczynnika dwumianowego <math>\binom{2 n}{n}</math>
 +
 
 +
::<math>3.8^{n + 1} \underset{n \geqslant 80}{<} \binom{2 n}{n} \underset{n \geqslant 5}{<} 4^{n - 1}</math>
 +
 
 +
{{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} < \binom{160}{80}</math>. Zakładając prawdziwość nierówności dla <math>n \geqslant 80</math>, otrzymujemy dla <math>n + 1</math>
 +
 
 +
::<math>\binom{2 (n + 1)}{n + 1} = \binom{2 n}{n} \cdot \frac{(2 n + 2) (2 n + 1)}{(n + 1) (n + 1)} > 3.8^{n + 1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - \frac{1}{n + 1} \right) \geqslant 3.8^{n + 1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - \frac{1}{80 + 1} \right) > 3.8^{n + 1} \cdot 3.9753 > 3.8^{n + 2}</math>
 +
 
 +
 
 +
Prawa nierówność jest prawdziwa dla <math>n = 5</math>. Zakładając prawdziwość nierówności dla <math>n</math>, otrzymujemy dla <math>n + 1</math>:
 +
 
 +
::<math>\binom{2 (n + 1)}{n + 1} = \binom{2 n}{n} \cdot \frac{(2 n + 2) (2 n + 1)}{(n + 1) (n + 1)} < 4^{n -1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - \frac{1}{n + 1} \right) < 4^n</math>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A5</span><br/>
 +
Dla <math>n \geqslant 12</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>p_n > 3 n</math>.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Indukcja matematyczna. Dowód oprzemy na spostrzeżeniu, że wśród kolejnych sześciu liczb naturalnych <math>6 k, 6 k + 1, 6 k + 2, 6 k + 3, 6 k + 4, 6 k + 5</math>
 +
jedynie dwie: <math>6 k + 1</math> i <math>6 k + 5</math> mogą być pierwsze. Wynika stąd, że <math>p_{n + 2} \geqslant p_n + 6</math> dla <math>n \geqslant 4</math>. Dowód indukcyjny przeprowadzimy, stosując krok równy <math>2</math>. Twierdzenie jest oczywiście prawdziwe dla <math>n = 12</math>, bowiem <math>p_{12} = 37 > 3 \cdot 12 = 36</math>, podobnie <math>p_{13} = 41 > 3 \cdot 13 = 39</math>. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla wszystkich liczb naturalnych <math>k \in [12, n]</math>, otrzymujemy dla <math>n + 2</math>:
 +
 
 +
::<math>p_{n + 2} \geqslant p_n + 6 > 3 n + 6 = 3 \cdot (n + 2)</math>
 +
 
 +
Uwaga: inaczej mówiąc, dowodzimy twierdzenie osobno dla <math>n</math> parzystych <math>(n \geqslant 12)</math> i&nbsp;osobno dla <math>n</math> nieparzystych <math>(n \geqslant 13)</math>.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A6</span><br/>
 +
Ciąg <math>a_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n</math> jest rosnący i&nbsp;ograniczony. Dla wyrazów ciągu <math>(a_n)</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>2 \leqslant a_n < 3</math>.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
W&nbsp;artykule, w&nbsp;którym pojęcie współczynnika dwumianowego odgrywa główną rolę, nie mogło zabraknąć dowodu odwołującego się do wzoru dwumianowego
 +
 
 +
::<math>\left ( x + y \right )^{n} = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} x^{n-k}y^{k} = \binom{n}{0} x^{n} + \binom{n}{1}x^{n-1}y + \binom{n}{2}x^{n-2}y^{2} + \ldots + \binom{n}{n}y^{n}</math>
 +
 
 +
gdzie <math>\binom{n}{k} = \frac{n!}{k! \cdot (n - k)!}</math>.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Dowód opiera się na spostrzeżeniu, że <math>e = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{k!} = 2.718281828 \ldots</math>, a&nbsp;wykorzystanie wzoru dwumianowego pozwala przekształcić wyrażenie <math>\left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n</math> do postaci sumy z wyraźnie wydzielonym czynnikiem <math>\frac{1}{k!}</math>. Stosując wzór dwumianowy, możemy zapisać <math>n</math>-ty wyraz ciągu <math>(a_n)</math> w&nbsp;postaci
 +
 
 +
::<math>a_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n =</math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} \frac{1}{n^k} =</math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{n!}{k! \cdot (n - k)!} \cdot \frac{1}{n^k} =</math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \frac{n \cdot (n - 1) \cdot \ldots \cdot (n - (k - 1))}{n^k} =</math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \frac{k - 1}{n} \right) </math>
 +
 
 +
 
 +
Odpowiednio dla wyrazu <math>a_{n + 1}</math> mamy
 +
 
 +
::<math>a_{n + 1} = \left( 1 + \frac{1}{n + 1} \right)^{n + 1} =</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \: = 2 + \sum_{k=2}^{n + 1} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n + 1} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \frac{k - 1}{n + 1} \right) ></math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \: > 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n + 1} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \frac{k - 1}{n + 1} \right) ></math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \: > 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \frac{k - 1}{n} \right) =</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \: = a_n</math>
 +
 
 +
Ostatnia nierówność jest prawdziwa, bo dla dowolnej liczby <math>x \in \mathbb{R}_+</math> jest <math>1 - \frac{x}{n + 1} > 1 - \frac{x}{n}</math>
 +
 
 +
Zatem ciąg <math>(a_n)</math> jest rosnący. Musimy jeszcze wykazać, że jest ograniczony od góry. Pokazaliśmy wyżej, że wyraz <math>a_n</math> może być zapisany w postaci
 +
 
 +
::<math>a_n = 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \frac{k - 1}{n} \right) </math>
 +
 
 +
 
 +
Ponieważ czynniki w&nbsp;nawiasach są dodatnie i&nbsp;mniejsze od jedności, to
 +
 
 +
::<math>a_n \leqslant 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} =</math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; \leqslant 1 + 1 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{2^{k-1}} =</math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; = 1 + \left ( 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{2^2} + \ldots + \frac{1}{2^{n-1}}\right ) =</math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; = 1 + \frac{1 - \left ( \frac{1}{2} \right )^{n}}{1 - \frac{1}{2}} =</math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; = 1 + 2 - \frac{1}{2^{n-1}} < </math>
 +
 
 +
::<math>\quad \; < 3</math>
 +
 
 +
 
 +
Druga nierówność (nieostra) jest prawdziwa, bo dla <math>k \geqslant 2</math> zachodzi oczywista nierówność <math>k! \geqslant 2^{k - 1}</math>. Do sumy ujętej w nawiasy zastosowaliśmy wzór na sumę częściową szeregu geometrycznego.
 +
 
 +
Ponieważ <math>a_1 = 2</math>, to prawdziwe jest oszacowanie <math>2 \leqslant a_n < 3</math>. Zauważmy jeszcze (już bez dowodu), że ciąg <math>(a_n)</math>, jako rosnący i&nbsp;ograniczony od góry<ref name="p1"/>, jest zbieżny. Granicą ciągu <math>(a_n)</math> jest liczba niewymierna <math>e = 2.718281828 \ldots</math>, która jest podstawą logarytmu naturalnego.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A7</span><br/>
 +
Prawdziwe są następujące oszacowania:
 +
 
 +
::<math>n^n \underset{n \geqslant 13}{<} p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n \underset{n \geqslant 3}{<} (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. Udowodnimy tylko oszacowanie od dołu. Dowód oszacowania od góry przedstawimy po zakończeniu dowodu twierdzenia A1. Łatwo sprawdzamy, że twierdzenie jest prawdziwe dla <math>n = 13</math>. Zakładając prawdziwość twierdzenia dla liczb naturalnych <math>k \in [13, n]</math> mamy dla <math>n + 1</math>:
 +
 
 +
::<math>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 + \frac{1}{n} \right)^n \cdot (n + 1) = (n + 1)^{n + 1}</math>
 +
 
 +
Gdzie skorzystaliśmy z faktu, że <math>p_n > 3 n</math> dla <math>n \geqslant 12</math> oraz z właściwości rosnącego ciągu <math>a_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n < e = 2.718281828 \ldots < 3</math> (zobacz twierdzenie A6).<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A8</span><br/>
 +
Dla <math>n \geqslant 2</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\frac{P (2 n)}{P (n)} < 4^{n - 1}</math>.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Rozważmy współczynnik dwumianowy
 +
 
 +
::<math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{n! \cdot n!} = \frac{2 n \cdot (2 n - 1) \cdot \ldots \cdot (n + 1)}{n!}</math>
 +
 
 +
Każda liczba pierwsza należąca do przedziału <math>[n + 1, 2 n]</math> występuje w&nbsp;liczniku wypisanego wyżej ułamka i&nbsp;nie występuje w&nbsp;mianowniku. Wynika stąd oszacowanie
 +
 
 +
::<math>\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} = \frac{P (2 n)}{P (n)}</math>
 +
 
 +
Zauważmy, że wypisany w&nbsp;powyższej nierówności iloczyn liczb pierwszych jest liczbą nieparzystą. Ponieważ współczynnik dwumianowy <math>\binom{2 n}{n}</math> jest dodatnią liczbą całkowitą parzystą, zatem również czynnik <math>C \geqslant 2</math> musi być dodatnią liczbą całkowitą parzystą. Łącząc uzyskaną nierówność z&nbsp;oszacowaniem z&nbsp;twierdzenia A4, otrzymujemy natychmiast:
 +
 
 +
::<math>\frac{P (2 n)}{P (n)} < \binom{2 n}{n} < 4^{n - 1}</math>
 +
 
 +
Dla <math>n = 2, 3, 4</math> sprawdzamy uzyskany rezultat bezpośrednio.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A9</span><br/>
 +
Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>P(n) < 4^n</math>
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Indukcja matematyczna. Oszacowanie <math>P(n) < 4^n</math> jest prawdziwe dla <math>n = 1, 2</math>. Zakładając prawdziwość oszacowania dla wszystkich liczb całkowitych nie większych od <math>n</math>, dla <math>n + 1</math> rozpatrzymy dwa przypadki. Jeżeli <math>n + 1 = 2 k + 1</math> jest liczbą nieparzystą większą lub równą <math>3</math>, to mamy
 +
 
 +
::<math>P(n + 1) = P (2 k + 1) = P (2 k + 2) = P (k + 1) \cdot \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.
 +
 
 +
Jeżeli <math>n + 1 = 2 k</math> jest liczbą parzystą większą lub równą <math>4</math>, to mamy
 +
 
 +
::<math>P(n + 1) = P (2 k) = P (k) \cdot \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.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A10</span><br/>
 +
Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>p_n > \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 A5 i&nbsp;A8 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>
 +
 
 +
Logarytmując obie strony nierówności, mamy
 +
 
 +
::<math>n \log n < p_n \cdot \log 4</math>
 +
 
 +
Skąd natychmiast wynika dowodzone oszacowanie
 +
 
 +
::<math>p_n > \frac{1}{2 \log 2} \cdot n \log n > 0.72 \cdot n \log n</math>
 +
 
 +
Prawdziwość powyższej nierówności dla <math>n \leqslant 12</math> sprawdzamy bezpośrednio.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A11</span><br/>
 +
Dla <math>n \geqslant 2</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\pi (2 n) - \pi (n) < 2 \log 2 \cdot \frac{n}{\log n}</math>.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Każda liczba pierwsza należąca do przedziału <math>[n + 1, 2 n]</math> jest dzielnikiem współczynnika dwumianowego
 +
 
 +
::<math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{n! \cdot n!} = \frac{2 n \cdot (2 n - 1) \cdot \ldots \cdot (n + 1)}{n!}</math>
 +
 
 +
bowiem dzieli licznik i&nbsp;nie dzieli mianownika. Ponieważ dla każdej z&nbsp;tych liczb jest <math>p > n</math>, to
 +
 
 +
::<math>n^{\pi (2 n) - \pi (n)} < \prod_{n < p_i \leqslant 2 n} p_i < \binom{2 n}{n} < 4^n</math>
 +
 
 +
Ostatnia nierówność wynika z&nbsp;twierdzenia A4. Logarytmując, dostajemy
 +
 
 +
::<math>[\pi (2 n) - \pi (n)] \cdot \log n < 2 n \cdot \log 2</math>
 +
 
 +
Czyli
 +
 
 +
::<math>\pi (2 n) - \pi (n) < 2 \log 2 \cdot \frac{n}{\log n}</math>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A12</span><br/>
 +
Dla <math>n \geqslant 2</math> prawdziwe jest oszacowanie <math>\pi (n) < 2 \cdot \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 \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:
 +
 
 +
::for(n=2, 62, if( primepi(n) >= 2 * n/log(n), print(n) ))
 +
 
 +
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:
 +
 
 +
::<math>\pi (n + 1) = \pi (n) = 2 \cdot \frac{n}{\log n} < 2 \cdot \frac{n + 1}{\log (n + 1)}</math>
 +
 
 +
ostania nierówność wynika ze spostrzeżenia, że funkcja <math>\frac{x}{\log x}</math> jest funkcją rosnącą dla <math>x > e \approx 2.71828</math>. Można też wykorzystać oszacowanie <math>\log(1 + x) < x</math> prawdziwe dla <math>x > 0</math>.
 +
 
 +
b) jeżeli <math>n + 1</math> jest liczbą nieparzystą, to możemy położyć <math>n + 1 = 2 k + 1</math> i&nbsp;otrzymujemy:
 +
 
 +
::<math>\pi (n + 1) = \pi (2 k + 1) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = \pi (2 k + 2) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = \pi (k + 1) + [\pi (2 k + 2) - \pi (k + 1)] <</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad < 2 \cdot \frac{k + 1}{\log (k + 1)} + 2 \log 2 \cdot \frac{k + 1}{\log (k + 1)} =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = (1 + \log 2) \cdot \frac{2 k + 2}{\log (k + 1)} <</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad < \left[ 1.7 \cdot \frac{2 k + 2}{\log (k + 1)} \cdot \frac{\log (2 k + 1)}{2 k + 1} \right] \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} <</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad < \left[ 1.7 \cdot \frac{2 k + 2}{2 k + 1} \cdot \frac{\log (2 k + 2)}{\log (k + 1)} \right] \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} <</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = \left[ 1.7 \cdot \left( 1 + \frac{1}{2 k + 1} \right) \cdot \frac{\log (k + 1) + \log 2}{\log (k + 1)} \right] \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = \left[ 1.7 \cdot \left( 1 + \frac{1}{2 k + 1} \right) \cdot \left( 1 + \frac{\log 2}{\log (k + 1)} \right) \right] \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} <</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad < 2 \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = 2 \cdot \frac{n + 1}{\log (n + 1)}</math>
 +
 
 +
Ostatnia nierówność wynika z&nbsp;faktu, że czynnik w nawiasie kwadratowym maleje wraz ze wzrostem <math>k</math> i&nbsp;dla <math>k = 63</math> osiąga wartość <math>1.9989 \ldots</math><br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
== Wykładnik z jakim liczba pierwsza <math>p</math> występuje w <math>n!</math> ==
 +
 
 +
Uzyskanie kolejnych oszacowań wymaga znalezienia wykładnika, z&nbsp;jakim liczba pierwsza <math>p</math> wchodzi do rozwinięcia współczynnika dwumianowego <math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2}</math>.
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Definicja A13</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 style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A14</span><br/>
 +
Dla <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>, <math>x \in \mathbb{R}</math> jest <math>\left \lfloor \frac{x}{n} \right\rfloor = \left \lfloor \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, 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
 +
 
 +
::<math>0 \leqslant \frac{r + \varepsilon}{n} < 1</math>
 +
 
 +
czyli
 +
 
 +
<div style="margin-top: 0em; margin-bottom: 1em;">
 +
::<math>\left \lfloor \frac{x}{n} \right \rfloor = \left \lfloor \frac{qn + r + \varepsilon }{n} \right \rfloor = \left \lfloor q + \frac{r + \varepsilon }{n} \right \rfloor = q</math>
 +
</div>
 +
 
 +
Podobnie, ponieważ <math>0 \leqslant r < n</math>, to <math>0 \leqslant \frac{r}{n} < 1</math> i&nbsp;otrzymujemy
 +
 
 +
<div style="margin-top: 1em; margin-bottom: 0em;">
 +
::<math>\left\lfloor \frac{\left \lfloor x \right\rfloor}{n} \right\rfloor = \left \lfloor \frac{\left \lfloor qn + r + \varepsilon \right \rfloor}{n} \right \rfloor = \left \lfloor \frac{qn + r}{n} \right \rfloor = \left \lfloor q + \frac{r}{n} \right \rfloor = q</math>
 +
</div>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A15</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>.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Niech <math>x = k + \varepsilon</math>, gdzie <math>0 \leqslant \varepsilon < 1</math>. Mamy
 +
 
 +
::<math> \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>0 \leqslant 2 \varepsilon < 2</math>, zatem <math>\lfloor 2 \varepsilon \rfloor = 0</math> lub <math>\lfloor 2 \varepsilon \rfloor = 1</math>.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Bardzo istotnym rezultatem (z&nbsp;punktu widzenia przyszłych obliczeń) będzie znalezienie wykładnika, z&nbsp;jakim liczba pierwsza <math>p</math> występuje w&nbsp;iloczynie <math>1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot n = n!</math>
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Definicja A16</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
 +
 
 +
::<math>W_p (n) = a \qquad\qquad \iff \qquad\qquad p^{a} \mid n \qquad \text{i} \qquad p^{a + 1} \nmid n</math>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A17</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>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Wprost z&nbsp;definicji funkcji <math>W_p (n)</math> wynikają następujące właściwości:
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A18</span><br/>
 +
 
 +
Podstawowe własności funkcji <math>W_p (n)</math>
 +
 
 +
::# <math>\;\; W_p (n \cdot m) = W_p (n) + W_p (m)</math>
 +
::# <math>\;\; W_p (n \cdot p^a) = a + W_p (n)</math>
 +
::# <math>\;\; W_{p}\left ( \frac{n}{m} \right ) = W_{p}\left ( n \right ) - W_{p}\left ( m \right ) \quad \text{o ile} \quad \frac{n}{m}\in \mathbb{Z}_{+}</math>
 +
::# <math>\;\; p \nmid n \quad\quad \iff \quad\quad W_p (n) = 0</math>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A19</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 \frac{n}{p} \right\rfloor</math>.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Wśród liczb naturalnych <math>1, 2, 3, \ldots, n</math> istnieje pewna ilość liczb podzielnych przez <math>p</math>. Liczby te możemy z&nbsp;łatwością wypisać, będą nimi
 +
 
 +
::<math>1 \cdot p, 2 \cdot p, 3 \cdot p, \ldots, r \cdot p</math>
 +
 
 +
Gdzie <math>r</math> jest największą liczbą całkowitą nie większą niż <math>\frac{n}{p}</math>, czyli <math>r = \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor</math>.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A20</span><br/>
 +
Ilość liczb całkowitych dodatnich podzielnych przez <math>5</math> i&nbsp;nie większych od <math>63</math> wynosi <math>\left\lfloor \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 umożliwi nam określenie wykładnika, z&nbsp;jakim liczba pierwsza <math>p</math> występuje w <math>n!</math>
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A21</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 \frac{n}{p^k} \right\rfloor</math>
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Dowód sprowadza się do znalezienia wartości funkcji <math>W_p (n!)</math>.
 +
 
 +
::<math>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 \frac{n}{p} \right\rfloor \cdot p \right)</math>
 +
 
 +
Pozostawiliśmy jedynie czynniki podzielne przez <math>p</math> (czynniki niepodzielne przez <math>p</math> nie dają wkładu do wykładnika, z&nbsp;jakim <math>p</math> występuje w <math>n!</math>), wyłączając czynnik <math>p</math> z&nbsp;każdej z&nbsp;liczb <math>p, 2 p, 3 p, \ldots, \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \cdot p</math> mamy
 +
 
 +
::<math>W_p (n!) = W_p \left( p^{\lfloor n / p \rfloor} \cdot 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \right) = \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor + W_p \left( 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \right)</math>
 +
 
 +
Otrzymane wyrażenie przekształcamy analogicznie jak wyżej
 +
 
 +
::<math>W_p (n!) = \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor + W_p \left( p \cdot 2 p \cdot 3 p \cdot \ldots \cdot \left\lfloor \frac{\lfloor n / p \rfloor}{p} \right\rfloor \cdot p \right)</math>
 +
 
 +
Z twierdzenia A14 wiemy, że dla <math>x \in \mathbb{R}</math> i <math>n \in \mathbb{Z}_{+}</math> jest:
 +
 
 +
::<math>\left\lfloor \frac{\lfloor x \rfloor}{n} \right\rfloor = \left \lfloor \frac{x}{n} \right \rfloor</math>
 +
 
 +
zatem
 +
 
 +
::<math>W_p (n!) = \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor + W_p \left( p \cdot 2 p \cdot 3 p \cdot \ldots \cdot \left\lfloor \frac{n}{p^2} \right\rfloor \cdot p \right) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\;\, = \left\lfloor \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 \frac{n}{p^2} \right\rfloor \right) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\;\, = \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor + \left\lfloor \frac{n}{p^2} \right\rfloor + W_p \left( 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left\lfloor \frac{n}{p^2} \right\rfloor \right)</math>
 +
 
 +
Oczywiście opisaną wyżej procedurę możemy powtarzać wielokrotnie. Zakończenie następuje wtedy, gdy wykładnik liczby pierwszej <math>p</math> osiągnie wartość tak dużą, że <math>\left\lfloor \frac{n}{p^k} \right\rfloor = 0</math>. Ponieważ nie wiemy, jaka to wartość (choć możemy ją oszacować), to stosujemy zapis
 +
 
 +
::<math>W_p (n!) = \sum_{k = 1}^{\infty} \left\lfloor \frac{n}{p^k} \right\rfloor</math>
 +
 
 +
zdając sobie sprawę z&nbsp;tego, że w&nbsp;rzeczywistości sumowanie obejmuje jedynie skończoną liczbę składników.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A22</span><br/>
 +
Należy zauważyć, że liczba sumowań jest skończona, bowiem bardziej precyzyjnie możemy powyższy wzór zapisać w postaci
 +
 
 +
::<math>W_p (n!) = \sum_{k = 1}^B \left\lfloor \frac{n}{p^k} \right\rfloor</math>
 +
 
 +
gdzie <math>B = \lfloor \log_2 (n) \rfloor</math>. Jest tak dlatego, że jeżeli <math>k</math> przekroczy <math>\lfloor \log_2 (n) \rfloor</math>, to dla liczby pierwszej <math>p = 2</math>, jak również dla wszystkich innych liczb pierwszych mamy
 +
 
 +
::<math>\frac{n}{p^k} < 1</math>
 +
 
 +
czyli dla <math>k > B</math> sumujemy same zera.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A23</span><br/>
 +
Niech <math>n = 30</math>, <math>p = 3</math>
 +
 
 +
::<math>W_3 (30!) = W_3 (1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4 \cdot \ldots \cdot 30) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = W_3 (3\cdot 6 \cdot 9 \cdot 12 \cdot 15 \cdot 18 \cdot 21 \cdot 24 \cdot 27 \cdot 30) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\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>\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>\quad = 10 + W_3 (3 \cdot 6 \cdot 9) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = 10 + W_3 (3^3 \cdot 1 \cdot 2 \cdot 3) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = 10 + 3 + W_3 (1 \cdot 2 \cdot 3) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = 10 + 3 + W_3 (3) =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = 10 + 3 + 1 =</math>
 +
 
 +
::::<math>\quad = 14</math>
 +
 
 +
Co jest zgodne ze wzorem:
 +
 
 +
::<math>W_3 (30!) = \left\lfloor \frac{30}{3} \right\rfloor + \left\lfloor \frac{30}{3^2} \right\rfloor + \left\lfloor \frac{30}{3^3} \right\rfloor = 10 + 3 + 1 = 14</math>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Podobnie jak w&nbsp;poprzednim podrozdziale będziemy badali współczynnik dwumianowy postaci <math>\binom{2 n}{n}</math>. Teraz już łatwo możemy policzyć wykładnik, z&nbsp;jakim liczba pierwsza <math>p</math> wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze tego współczynnika dwumianowego.
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A24</span><br/>
 +
Liczba pierwsza <math>p</math> wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze liczby <math>\binom{2 n}{n}</math> z&nbsp;wykładnikiem
 +
 
 +
::<math>u = \sum^{\infty}_{k = 1} \left( \left \lfloor \frac{2n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{k}} \right \rfloor \right)</math>
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Ponieważ <math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2}</math>, to liczba pierwsza <math>p</math> wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze liczby <math>\binom{2 n}{n}</math> z&nbsp;wykładnikiem:
 +
 
 +
::<math>W_p \left( \binom{2 n}{n} \right) = W_p ((2 n) !) - 2 W_p (n!) = \sum^{\infty}_{k = 1} \left \lfloor \frac{2n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \sum^{\infty}_{k = 1} \left \lfloor \frac{n}{p^{k}} \right \rfloor = \sum^{\infty}_{k = 1} \left( \left \lfloor \frac{2n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{k}} \right \rfloor \right)</math>
 +
<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A25</span><br/>
 +
Liczby pierwsze spełniające warunek <math>p > \sqrt{2 n}</math> występują w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>\binom{2 n}{n}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem <math>u = 1</math> lub <math>u = 0</math>.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Jeżeli <math>p > \sqrt{2 n}</math>, to dla <math>k \geqslant 2</math> mamy <math>p^k \geqslant p^2 > 2 n > n</math>. Zatem dla <math>k \geqslant 2</math> jest <math>\left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = \left\lfloor \frac{n}{p^k} \right\rfloor = 0</math> i&nbsp;otrzymujemy
 +
 
 +
::<math>u = \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{k}} \right \rfloor \right ) = \left \lfloor \frac{2 n}{p} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p} \right \rfloor</math>
 +
 
 +
Na mocy twierdzenia A15 (dla <math>x = \tfrac{n}{p}</math>), dostajemy natychmiast, że <math>u = 1</math> lub <math>u = 0</math>.
 +
<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A26</span><br/>
 +
Niech <math>p</math> będzie liczbą pierwszą. Jeżeli <math>p^a \big\rvert \binom{2 n}{n}</math>, to <math>p^a \leqslant 2 n</math>.
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Niech <math>u</math> oznacza wykładnik, z&nbsp;jakim liczba pierwsza <math>p</math> wchodzi do rozwinięcia współczynnika dwumianowego <math>\binom{2 n}{n}</math> na czynniki pierwsze. Mamy
 +
 
 +
::<math>u = \sum_{k = 1}^{\infty} \left( \left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \frac{n}{p^k} \right\rfloor \right)</math>
 +
 
 +
gdzie sumowanie przebiega w&nbsp;rzeczywistości od <math>k = 1</math> do <math>k = s</math>, a&nbsp;wartość liczby <math>s</math> wynika z&nbsp;warunku <math>p^s \leqslant 2 n < p^{s + 1}</math>. Ponieważ sumowane wyrazy są równe <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy natychmiast oszacowanie <math>u \leqslant s</math>, skąd wynika następujący ciąg nierówności
 +
 
 +
::<math>p^a \leqslant p^u \leqslant p^s \leqslant 2 n</math>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
== Oszacowanie <math>p_n</math> od góry i <math>\pi (n)</math> od dołu ==
 +
 
 +
Z twierdzenia A26 wynika natychmiast
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A27</span><br/>
 +
Niech <math>\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.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A28</span><br/>
 +
Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie współczynnika dwumianowego <math>\binom{2 n}{n}</math>
 +
 
 +
::<math>\binom{2 n}{n} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)}</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 A27, bowiem
 +
 
 +
::<math>\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>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A29</span><br/>
 +
Dla <math>n \geqslant 3</math> prawdziwe jest następujące oszacowanie
 +
 
 +
::<math>\pi (n) > \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n}</math>
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
W twierdzeniu A4 oszacowaliśmy współczynnik dwumianowy <math>\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} < \binom{2 n}{n}</math>
 +
 
 +
Nierówności te są prawdziwe dla <math>n \geqslant 80</math>. Z&nbsp;twierdzenia A28 mamy
 +
 
 +
::<math>\left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n} < \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} < \binom{2 n}{n} \leqslant (2 n)^{\pi (2 n)} < (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)}</math>
 +
 
 +
Łącząc odpowiednie oszacowania współczynnika dwumianowego <math>\binom{2 n}{n}</math> od góry z&nbsp;odpowiednimi oszacowaniami od dołu, dostajemy
 +
 
 +
::<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
 +
 
 +
::<math>m^{\pi (m)} > \left( \sqrt{3.8} \right)^m</math>
 +
 
 +
::<math>\pi (m) \cdot \log m > m \cdot \log \left( \sqrt{3.8} \right)</math>
 +
 
 +
Czyli
 +
 
 +
::<math>\pi (m) > \frac{1}{2} \cdot \log \left ( 3.8 \right ) \cdot \frac{m}{\log m} > 0.6675 \cdot \frac{m}{\log m} > \frac{2}{3} \cdot \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}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span 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>
 +
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Z twierdzenia A29 wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> zachodzi <math>\pi (n) > \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n}</math>. Kładąc <math>n = p_s</math> otrzymujemy dla <math>s \geqslant 2</math>
 +
 
 +
::<math>s = \pi (p_s) > \frac{2}{3} \cdot \frac{p_s}{\log p_s}</math>
 +
 
 +
Rozważmy funkcję
 +
 
 +
::<math>\frac{2}{3} \cdot \frac{x}{\log x} - x^{3 / 4} = \frac{2}{3} \cdot \frac{x^{3 / 4}}{\log x} \left( x^{1 / 4} - \frac{3}{2} \cdot \log x \right)</math>
 +
 
 +
Zamieszczony niżej obrazek przedstawia wykres funkcji <math>x^{1 / 4} - \tfrac{3}{2} \cdot \log x</math>
 +
 
 +
[[File: A_Czebyszew-wykres-1.png|center]]
 +
 
 +
Wpisując w PARI/GP polecenie
 +
 
 +
<span style="font-size: 90%; color:black;">'''solve'''(x = 10^4, 10^5, x^(1/4) - 3/2 * '''log'''(x))</span>
 +
 
 +
łatwo sprawdzamy, że funkcja <math>x^{1 / 4} - \tfrac{3}{2} \cdot \log x</math> przecina oś <math>OX</math> w&nbsp;punkcie <math>x = 83499.136 \ldots</math> Wynika stąd, że dla <math>x > 83499.14</math> prawdziwe jest oszacowanie
 +
 
 +
::<math>\frac{2}{3} \cdot \frac{x}{\log x} > x^{3 / 4}</math>
 +
 
 +
Zatem możemy napisać
 +
 
 +
::<math>s = \pi (p_s) > \frac{2}{3} \cdot \frac{p_s}{\log p_s} > (p_s)^{3 / 4}</math>
 +
 
 +
Co oznacza, że dla <math>s \geqslant 8153</math> (bo <math>p_{8153} = 83537 > 83499.14</math>) mamy <math>p_s < s^{4 / 3}</math> i&nbsp;wpisując w PARI/GP polecenie
 +
 
 +
<span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 1, 10^4, '''if'''( '''prime'''(n) >= n^(4/3), '''print'''(n) ))</span>
 +
 
 +
sprawdzamy, że otrzymane oszacowanie <math>p_s < s^{4 / 3}</math> jest prawdziwe dla <math>s \geqslant 255</math>. Wykorzystując ten rezultat i&nbsp;szacując po raz drugi dostajemy dla <math>s \geqslant 255</math>
 +
 
 +
::<math>p_s < \frac{3}{2} \cdot s \cdot \log p_s < \frac{3}{2} \cdot s \cdot \log s^{4 / 3} = 2 s \cdot \log s</math>
 +
 
 +
Ponownie w&nbsp;GP/PARI sprawdzamy, że otrzymana nierówność jest prawdziwa dla <math>s \geqslant 3</math>
 +
 
 +
<span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(s = 1, 300, '''if'''( '''prime'''(s) >= 2 * s*'''log'''(s), '''print'''(s) ))</span>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Brak kary śmierci w kodeksie karnym jest pogardą dla ofiar|Hide=Brak kary śmierci w kodeksie karnym jest pogardą dla ofiar}}
 
−
<br/><div style="font-size: 95%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold;color: #808080;">Prawa ustanowione są dla sprawiedliwych nie dlatego, by nie popełniali nieprawości, lecz by jej nie doznawali.</div>
 
−
[[File:Epikur83x100.png|50px]]<span style="font-size: 90%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold; color: #808080;">&nbsp;&nbsp;Epikur</span><br/><br/>
 
  
−
<div style="font-size: 95%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold;color: #808080;">Jestem głosem zamordowanych. Jestem głosem tych, których godność i prawo do życia uczyniono mniej znaczącymi od godności i prawa do życia morderców. Jestem głosem tych, którzy nie mogą się już bronić. Jestem głosem niezgody na Twoje milczenie.</div><br/>
 
  
−
*[[NIE!]]
 
−
*[[Brak kary śmierci w kodeksie karnym jest pogardą dla ofiar]]
 
−
*[[Śmierć i Sprawiedliwość (Edward I. Koch)]]
 
−
*[[Pamiętajmy, że to co tolerujemy na nic więcej nie zasługuje]]
 
−
*[[Strzeżcie się fałszywych proroków]]
 
−
*[[Dlaczego Jezus, przybywszy do świątyni, powywracał kupcom stoły?]]
 
−
*[[Rozmowa Chrześcijanina i Człowieka Postępu o karze śmierci]]
 
−
*[[Bezcenne czy przecenione?]]
 
−
*[[Porozmawiajmy o argumentach (1)]]
 
−
*[[Porozmawiajmy o argumentach (2)]]
 
−
*[[Porozmawiajmy o argumentach (3)]]
 
−
*[[Porozmawiajmy o argumentach (4)]]
 
−
*[[Porozmawiajmy o argumentach (5)]]
 
−
*[[Porozmawiajmy o argumentach – „Rozważania… ” Camusa]]
 
−
*[[Albert Camus – fobia czy rzeczywistość?]]
 
−
*[[George Orwell – uraz psychiczny czy rzeczywistość?]]
 
−
*[[Księga powtórnie powtórzonego prawa]]
 
−
*[[CBOS – czy poznamy stosunek Polaków do kary śmierci?]]
 
−
*[[Jak postęp zapewnił bezpieczeństwo mordercom i zbrodniarzom]]
 
−
*[[Jak to z moratorium było|Jak to z moratorium było - uzupełnienie!]]
 
−
*[[Kara śmierci: topór kontra karabin maszynowy (USA)]]
 
−
*[[Morderstwa, egzekucje, odstraszanie - amerykański eksperyment]]
 
−
*[[Stany Zjednoczone, Murzyni, zabójstwa, kara śmierci i odstraszanie]]
 
−
*[[Kara śmierci w Stanach Zjednoczonych]]
 
−
*[[Czy kara śmierci ratuje życie?]]
 
−
*[[Kara śmierci: topór kontra karabin maszynowy (Japonia)]]
 
−
*[[Kara śmierci: kto nie ma topora, a kto ma karabin (Polska)]]
 
−
*[[Kara śmierci: lista państw świata według wskaźnika reakcji]]
 
−
*[[Czy kara śmierci odstrasza?]]
 
−
*[[Pomyłki sądowe – mordercy którym pozwolono zabić ponownie]]
 
−
*[[Za drugą szansę zabójcy możesz zapłacić życiem]]
 
−
*[[Lepiej, aby zginęło stu niewinnych, niż gdyby jeden winny miał zginąć]]
 
−
*[[Crime International – Polska 2015]]
 
−
*[[Crime International – Polska 2016]]
 
−
*[[Crime International – Polska 2017]]
 
−
*[[Crime International – Polska 2018]]
 
−
*[[Wielokrotni mordercy – typologia i przykłady]]
 
−
*[[Prawie niewinni mordercy. Co jeszcze jesteś gotów dla nich uczynić?]]
 
−
*[[Prawa człowieka czy prawa bandyty? Przyrodzona godność ludzka]]
 
−
*[[Arthur Schopenhauer: godność ludzka czyli nowe szaty króla]]
 
−
*[[Prawo do życia, czyli zwycięstwo hipokryzji]]
 
−
*[[Sąd Najwyższy USA: czarne jest najpiękniejsze]]
 
−
*[[Pomyłka sądowa – prawie niewinny morderca Marlene Miller]]
 
−
*[[Banalizacja zła]]
 
−
*[[Krótkie historie o zabijaniu]]
 
−
*[[Kara śmierci – cytaty]]
 
  
  
  
−
[https://drive.google.com/uc?export=download&id=0B1HrFK-3gYNvRC1JT0Q2T2dyeVU Pobierz artykuły dotyczące kary śmierci – plik PDF]
 
  
  
  
 +
 +
 +
Dowód twierdzenia A30 kończy dowód całego twierdzenia&nbsp;A1. Możemy teraz dokończyć dowód twierdzenia&nbsp;A7 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 + \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>
 +
 +
::::::<math>\quad = [(n + 1) \cdot \log (n + 1)]^{n + 1}</math>
 +
 +
Gdzie skorzystaliśmy z&nbsp;twierdzenia A30 oraz z&nbsp;faktu, że ciąg <math>a_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n</math> jest ciągiem ograniczonym <math>2 \leqslant a_n < 3</math> (zobacz twierdzenie A6).<br/>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Historia|Hide=Historia}}
+
 
−
*[[Hańba i chwała - II Rzeczpospolita]]
+
 
−
*[[Hańba i chwała - II Wojna Światowa]]
+
 
−
*[[Hańba i chwała – Powstanie Warszawskie]]
+
 
−
*[[Hańba i chwała – Stalin'44]]
+
== Uwagi do dowodu ==
−
*[[Hańba i chwała – sieroty po II RP]]
+
Wydłużając znacząco czas obliczeń, moglibyśmy nieco poprawić uzyskane wyżej oszacowanie i&nbsp;udowodnić
−
*[[Hańba i chwała – policzmy głosy]]
+
 
−
*[[Czy niemiecką mordownię z lat 1939-45 można nazywać okupacją?]]
+
 
−
*[[Niemiecka Mordownia 1939-1945]]
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A31</span><br/>
−
*[[Bandyci, mordercy i towarzysze]]
+
Niech <math>n \geqslant 3</math>. Dla <math>n</math>-tej liczby pierwszej <math>p_n</math> prawdziwe jest oszacowanie
−
*[[Poeci, pisarze i towarzysze]]
+
 
−
*[[Szymborska – ciszej nad tą trumną]]
+
::<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 A1 wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> zachodzi <math>\pi (n) > \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n}</math>. Kładąc <math>n = p_s</math>, otrzymujemy dla <math>s \geqslant 2</math>
 +
 
 +
::<math>s = \pi (p_s) > \frac{2}{3} \cdot \frac{p_s}{\log p_s} > (p_s)^{4 / 5}</math>
 +
 
 +
Ostatnia nierówność wynika z&nbsp;faktu, że dla <math>x > 7572437.223 \ldots</math> prawdziwe jest oszacowanie
 +
 
 +
::<math>\frac{2}{3} \cdot \frac{x}{\log x} > x^{4 / 5}</math>
 +
 
 +
Zatem dla <math>s \geqslant 512830</math> (bo <math>p_{512830} = 7572449 > 7572437.223 \ldots</math>) mamy <math>p_s < s^{5 / 4}</math> i&nbsp;wpisując w PARI/GP polecenie
 +
 
 +
<span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(s = 1, 520000, '''if'''( '''prime'''(s) >= s^(5/4), '''print'''(s) ))</span>
 +
 
 +
sprawdzamy, że otrzymane oszacowanie <math>p_s < s^{5 / 4}</math> jest prawdziwe dla <math>s \geqslant 13760</math>. Wykorzystując ten rezultat i&nbsp;szacując po raz drugi, dostajemy dla <math>s \geqslant 13760</math>
 +
 
 +
::<math>p_s < \frac{3}{2} \cdot s \cdot \log p_s < \frac{3}{2} \cdot s \cdot \log s^{5 / 4} = 1.875 \cdot s \cdot \log s</math>
 +
 
 +
Ponownie w&nbsp;PARI/GP sprawdzamy, że otrzymana nierówność jest prawdziwa dla <math>s \geqslant 3</math>
 +
 
 +
<span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(s = 1, 15000, '''if'''( '''prime'''(s) >= 1.875 * s*'''log'''(s), '''print'''(s) ))</span>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Powstanie Warszawskie|Hide=Powstanie Warszawskie}}
 
−
<br/><div style="font-size: 110%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold;color: #808080;">Celem wojny nie jest śmierć za ojczyznę, ale sprawienie, aby tamci skurwiele umierali za swoją.</div>
 
−
[[File:Patton94x133.png|45px]]<span style="font-size: 110%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold; color: #808080;"> gen. George Patton</span><br/><br/>
 
  
−
*[[POMNIK TRUPA]]
+
 
−
*[[Hańba i chwała – Powstanie Warszawskie]]
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A32</span><br/>
−
*[[Hańba i chwała – Stalin'44]]
+
Niech <math>n \geqslant 2</math>. Dla funkcji <math>\pi (n)</math> prawdziwe jest oszacowanie
−
*[[Hańba i chwała – sieroty po II RP]]
+
 
−
*[[Hańba i chwała – policzmy głosy]]
+
::<math>\pi (n) < 1.733 \cdot \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 wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest
 +
 
 +
::<math>\pi (n) > \frac{2}{3} \cdot \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>\frac{2}{3} \cdot \frac{x}{\log x} > x^{4 / 5}</math>
 +
 
 +
Korzystając z&nbsp;twierdzenia 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
 +
 
 +
::<math>\pi (n) < 1.733 \cdot \frac{n}{\log n}</math>
 +
 
 +
W GP/PARI sprawdzamy, że otrzymana nierówność jest prawdziwa dla <math>n \geqslant 2</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>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Polska|Hide=Polska}}
+
 
−
*[[Manewry polityczne i nie tylko]]
+
 
−
*[[Referendum, wybory, jednomandatowe okręgi wyborcze (1)]]
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A33</span><br/>
−
*[[Referendum, wybory, jednomandatowe okręgi wyborcze (2)]]
+
Dowód twierdzenia A31 wymagał wykorzystania polecenia PARI/GP, w&nbsp;którym wielokrotnie była wywoływana funkcja <code>prime(n)</code>. Analogiczna sytuacja miała miejsce w&nbsp;przypadku twierdzenia&nbsp;A32 – tam musieliśmy wielokrotnie wywoływać funkcję <code>primepi(n)</code>. 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 <code>Test1(n)</code> i <code>Test2(n)</code> wywołane z&nbsp;parametrami <code>n = 520000</code> i&nbsp;odpowiednio <code>n = 8*10^6</code> odpowiadają poleceniom
−
*[[Referendum, wybory, jednomandatowe okręgi wyborcze (3)]]
+
 
−
*[[Refleksje]]
+
<span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(s = 1, 520000, '''if'''( '''prime'''(s) >= s^(5/4), '''print'''(s) ))</span>
−
*[[Kreacja pieniądza. Rząd vs. banki.]]
+
 
−
*[[III RP – kraj w którym żyjesz]]
+
<span style="font-size: 90%; color:black;">'''for'''(n = 2, 8 * 10^6, '''if'''( '''primepi'''(n) >= 1.733 * n / '''log'''(n), '''print'''(n) ))</span>
−
*[[III RP - krajem faszystów]]
+
 
−
*[[Konsultacje KRRiT - odpowiedź]]
+
ale wykonywane są znacznie szybciej.
−
*[[Co stało by się ze światem, gdyby krowy zrozumiały, że potrafią latać?]]
+
 
−
*[[Pełnosprawni też mają prawa!]]
+
<span style="font-size: 90%; color:black;">Test1(n) =
−
*[[Smoleńskie pytania]]
+
\\ test oszacowania: prime(k) >= k^(5/4) dla 1 <= k <= n
−
*[[Dlaczego należy zlikwidować abonament RTV]]
+
\\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji prime(k)
−
*[[Bajki o braniu odpowiedzialności]]
+
{
−
*[[Nieudolność może być przestępstwem]]
+
'''local'''(p, k);
−
*[[Panie premierze, coś trzeba zrobić!]]
+
k = 1;
−
*[[Nie jestem Charlie]]
+
p = 2;
−
*[[Polska – Chiny. Szokujące porównanie.]]
+
'''while'''( k <= n,
−
*[[Nadzwyczajne przemówienie]]
+
        '''if'''( p >= k^(5/4), '''print'''(k) );
−
*[[Europa czy dyktatura ciemniaków?]]
+
        k = k + 1;
−
*[[HejtStop kontra Pudzianowski]]
+
        p = '''nextprime'''(p + 1);  \\ liczba p ma wartość prime(k)
−
*[[Demokracja czy dyktatura Sądu Najwyższego?]]
+
      );
−
*[[Witaj w świecie obrońców zygot i przyjaciół morderców]]
+
}</span>
−
*[[Ksenofobia może uratować ci życie]]
+
 
−
*[[UE – 27 milczących ludzi]]
+
<span style="font-size: 90%; color:black;">Test2(n) =
−
*[[Przemówienie prezydenta Donalda Trumpa w Warszawie]]
+
\\ test oszacowania: primepi(k) < 1.733*k/log(k) dla 2 <= k <= n
−
*[[Wieluń]]
+
\\ bez bezpośredniego odwoływania się do funkcji primepi(k)
−
*[[Bezpłodność. Feminizm. Homoseksualizm. Czy damy radę?]]
+
{
−
*[[Murzyni. Czy czarne jest piękne?]]
+
'''local'''(s, k);
−
*[[IQ, rozkład Gaussa i czarno-białe konsekwencje]]
+
s = 1;
−
*[[Aborcja – orzeczenie Trybunału Konstytucyjnego z 1997 roku]]
+
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>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A34</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>\frac{2}{3} \cdot \frac{x}{\log x} > x^{15 / 16}</math>
 +
 
 +
jest prawdziwa dla <math>x > 7.671 \cdot 10^{32}</math>.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
== Zastosowania ==
 +
 
 +
Ciekawy rezultat wynika z twierdzenia&nbsp;A7, ale wcześniej musimy udowodnić twierdzenie o&nbsp;średniej arytmetycznej i&nbsp;geometrycznej.
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A35</span><br/>
 +
Dla dowolnych liczb dodatnich <math>a_1, a_2, \ldots, a_n</math> średnia arytmetyczna jest nie mniejsza od średniej geometrycznej
 +
 
 +
::<math>\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}}
 +
Twierdzenie jest w 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>
 +
 
 +
::<math>a^2_1 - 2 a_1 a_2 + a^2_2 \geqslant 0</math>
 +
 
 +
::<math>a^2_1 + 2 a_1 a_2 + a^2_2 \geqslant 4 a_1 a_2</math>
 +
 
 +
::<math>(a_1 + a_2)^2 \geqslant 4 a_1 a_2</math>
 +
 
 +
::<math>\frac{a_1 + a_2}{2} \geqslant \sqrt{a_1 a_2}</math>
 +
 
 +
Dla potrzeb dowodu zapiszemy dowodzoną nierówność w postaci
 +
 
 +
::<math>\left( \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>n</math> dla <math>n + 1</math> mamy
 +
 
 +
a) w przypadku gdy <math>n + 1 = 2 k</math> jest liczbą parzystą
 +
 
 +
::<math>\left( \frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{n + 1}}{n + 1} \right)^{n + 1} = \left( \frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k}}{2 k} \right)^{2 k} =</math>
 +
 
 +
::::::::::<math>\quad = \left[ \left( \frac{\frac{a_1 + a_2}{2} + \frac{a_3 + a_4}{2} + \ldots + \frac{a_{2 k - 1} + a_{2 k}}{2}}{k} \right)^k \right]^2 \geqslant</math>
 +
 
 +
::::::::::<math>\quad \geqslant \left( \frac{a_1 + a_2}{2} \cdot \frac{a_3 + a_4}{2} \cdot \ldots \cdot \frac{a_{2 k - 1} + a_{2 k}}{2} \right)^2 \geqslant</math>
 +
 
 +
::::::::::<math>\quad \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>\quad = a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k} =</math>
 +
 
 +
::::::::::<math>\quad = a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{n + 1}</math>
 +
 
 +
Gdzie skorzystaliśmy z założenia indukcyjnego i&nbsp;prawdziwości dowodzonego twierdzenia dla <math>n = 2</math>.
 +
 
 +
b) w 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>a_1, a_2, \ldots, a_{2 k - 1}, S</math>
 +
 
 +
gdzie przez <math>S</math> oznaczyliśmy średnią arytmetyczną liczb <math>a_1, a_2, \ldots, a_{2 k - 1}</math>
 +
 
 +
::<math>S = \frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1}}{2 k - 1}</math>
 +
 
 +
Na mocy punktu a) prawdziwa jest nierówność
 +
 
 +
::<math>\left( \frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1} + S}{2 k} \right)^{2 k} = \left( \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>
 +
 
 +
::<math>S^{2 k - 1} \geqslant a_1 a_2 \cdot \ldots \cdot a_{2 k - 1}</math>
 +
 
 +
Co należało pokazać.<br/>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Prawo – artykuł 257 kodeksu karnego|Hide=Prawo – artykuł 257 kodeksu karnego}}
+
 
−
*[[Co nam jeszcze wolno powiedzieć?]]
+
 
−
*[[Artykuł 257 kodeksu karnego – dalsze rozważania]]
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A36</span><br/>
−
*[[Małpy w zoo]]
+
Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwa jest nierówność <math>p_1 + p_2 + \ldots + p_n > n^2</math>.
−
*[[HejtStop kontra Pudzianowski]]
+
 
 +
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
 +
Korzystając z&nbsp;twierdzeń A7 i A35 możemy napisać następujący ciąg nierówności dla <math>n</math> kolejnych liczb pierwszych
 +
 
 +
::<math>\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>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) ))<br/>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Lewactwo|Hide=Lewactwo}}
 
−
<br/><div style="font-size: 95%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold;color: #808080;">Nie logika, lecz chęć szczera zrobi z ciebie myśliciela.</div><br/>
 
  
−
<div style="font-size: 95%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold;color: #808080;">Nam bajki trzeba pisać. Powiem więcej: brednie... Niech przy naszych bajkach nawet prawda zblednie.</div><br/>
 
  
−
<div style="font-size: 95%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold;color: #808080;">Ślepi prowadzą ociemniałych ku świetlanej przyszłości.</div><br/>
+
Twierdzenie 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.
 +
 
  
−
<div style="font-size: 95%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold;color: #808080;">Czytasz: "Dla nas najważniejszy jest człowiek" i myślisz, że to o Tobie mówią? To błąd. Człowiek to pederasta, lesbijka, zboczeniec, morderca, gwałciciel, złodziej, bandyta, feministka, uchodźca, imigrant, a w ostateczności niepełnosprawny. Jeśli nie zaliczasz się do wymienionych, to nie o Tobie mówią...</div><br/>
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A37</span><br/>
 +
Prawdziwe są następujące nierówności:
  
−
<div style="font-size: 95%; line-height: 1.1em; font-style: italic; font-weight: bold;color: #808080;">Nawet Kościół nie obieca wam takiego raju w niebie, jaki lewactwo obieca wam na ziemi.</div><br/>
+
::1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>e^x > x \qquad \qquad \qquad \quad \:\,</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}</math>
  
−
*[[Zrówność jako podstawa lewackiej ideologii]]
+
::2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x < n \cdot x^{1 / n} \qquad \quad \;\;\:</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i dowolnego <math>n \in \mathbb{Z}_+</math>
−
*[[Lewactwo – przyczyny politycznego obłędu (Lyle Rossiter)]]
+
 
−
*[[Bezpłodność. Feminizm. Homoseksualizm. Czy damy radę?]]
+
::3.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\log x \leqslant n (x^{1 / n} - 1) \qquad</math> dla każdego <math>x \in \mathbb{R}_+</math> i 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}}
 +
 
 +
'''Punkt 1.'''
 +
 
 +
Można powiedzieć, że dowód pierwszej nierówności jest oczywisty, bo każdy z&nbsp;nas ma przed oczami wykres funkcji <math>e^x</math> i <math>x</math>:
 +
 
 +
[[File: A_Czebyszew-wykres-2.png|center]]
 +
 
 +
Komu taki dowód obrazkowy nie wystarcza, może posłużyć się rozwinięciem funkcji <math>e^x</math> w szereg nieskończony
 +
 
 +
::<math>e^x = \underset{k = 0}{\overset{\infty}{\sum}} \frac{x^k}{k!} = 1 + x + \frac{1}{2} x^2 + \frac{1}{6} x^3 + \ldots</math>
 +
 
 +
zbieżny dla dowolnego <math>x \in \mathbb{R}</math>. Teraz wystarczy zauważyć, że:
 +
 
 +
::* dla <math>x > 0</math> prawdziwe jest oszacowanie: <math>e^x > 1 + x > x</math>
 +
::* w punkcie <math>x = 0</math> mamy <math>e^x = 1</math> i <math>x = 0</math>
 +
::* dla <math>x < 0</math> funkcja <math>e^x</math> jest dodatnia, a funkcja <math>x</math> ujemna
 +
 
 +
'''Punkt 2.'''
 +
 
 +
W drugiej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą <math>x = e^y</math>, gdzie <math>y \in \mathbb{R}</math>. Otrzymujemy
 +
 
 +
::<math>y < n \cdot (e^y)^{1 / n}</math>
 +
 
 +
czyli
 +
 
 +
::<math>\frac{y}{n} < e^{y / n}</math>
 +
 
 +
Kładąc <math>z = \frac{y}{n}</math>, gdzie <math>z \in \mathbb{R}</math>, mamy <math>z < e^z</math>. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla każdego <math>z \in \mathbb{R}</math> na mocy punktu&nbsp;1 tego twierdzenia.
 +
 
 +
'''Punkt 3.'''
 +
 
 +
Rozważmy funkcję
 +
 
 +
::<math>f(x) = n \cdot x^{1 / n} - \log x</math>
 +
 
 +
Pochodna tej funkcji jest równa
 +
 
 +
::<math>f' (x) = \frac{x^{1 / n} - 1}{x}</math>
 +
 
 +
Pochodna jest równa zero dla <math>x = 1</math>. Dla <math>0 < x < 1</math> pochodna jest ujemna, a dla <math>x > 1</math> jest dodatnia, zatem w punkcie <math>x = 1</math> funkcja <math>f(x)</math> ma minimum i <math>f(1) = n</math>. Wynika stąd oszacowanie
 +
 
 +
::<math>f(x) = n \cdot x^{1 / n} - \log x \geqslant n</math>
 +
 
 +
Skąd otrzymujemy
 +
 
 +
::<math>\log x \leqslant n (x^{1 / n} - 1)</math><br/>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Pederaści, lesbijki i homopropaganda|Hide=Pederaści, lesbijki i homopropaganda}}
+
 
−
*[[Marsz ku tęczy]]
+
 
−
*[[Pederaści i lesbijki – cud uzdrowienia]]
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A38</span><br/>
−
*[[Domagajmy się ustawy zakazującej homopropagandy!]]
+
Dla funkcji <math>p_n</math> i <math>\pi (n)</math> prawdziwe są następujące oszacowania:
−
*[[Czy już idą po Cejrowskiego?]]
+
 
−
*[[Zrówność jako podstawa lewackiej ideologii]]
+
::<math>10 n \underset{n \geqslant 6473}{<} p_n \underset{n \geqslant 2}{<} n^2</math>
−
*[[Homopropaganda – 10 zasad prowadzenia debaty (Scott Lively)]]
+
 
−
*[[Jak pokonać homopropagandę? (Scott Lively)]]
+
::<math>\sqrt{n} \underset{n \geqslant 5}{<} \pi (n) \underset{n \geqslant 64721}{<} \frac{n}{10}</math>
−
*[[Jeśli kochasz swoje dzieci, protestuj przeciwko homopropagandzie]]
+
 
−
*[[Bezpłodność. Feminizm. Homoseksualizm. Czy damy radę?]]
+
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
−
*[[Komu zagraża tęczowa zaraza?]]
+
<span style="border-bottom-style: double;">Lewa górna nierówność.</span> Z twierdzenia&nbsp;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>
 +
 
 +
czyli <math>n > \exp \left( \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) ))
 +
 
 +
 
 +
<span style="border-bottom-style: double;">Prawa górna nierówność.</span> Z twierdzenia&nbsp;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, łatwo zauważmy, że dla <math>n > 16</math> jest:
 +
 
 +
::<math>n - 2 \log n > n - 2 \cdot 2 \cdot n^{1 / 2} = \sqrt{n} \left( \sqrt{n} - 4 \right) > 0</math>
 +
 
 +
Przypadki <math>n \leqslant 16</math> sprawdzamy bezpośrednio.
 +
 
 +
 
 +
<span style="border-bottom-style: double;">Lewa dolna nierówność.</span> Z twierdzenia&nbsp;A1 wiemy, że dla <math>n \geqslant 3</math> jest <math>\pi (n) > \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n}</math>. Zatem wystarczy pokazać, że <math>\frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} > \sqrt{n}</math>. Korzystając z twierdzenia&nbsp;A37, łatwo zauważmy, że dla <math>n > 6^4 = 1296</math> jest:
 +
 
 +
::<math>\frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} - \sqrt{n} > \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{4 \cdot n^{1 / 4}} - \sqrt{n} = \frac{1}{6} \cdot n^{3 / 4} - \sqrt{n} = \frac{1}{6} \sqrt{n} (n^{1 / 4} - 6) > 0</math>
 +
 
 +
Sprawdzenie przypadków <math>n \leqslant 1296</math> sprowadza się do wpisania w PARI/GP polecenia:
 +
 
 +
::for(n=1, 2000, if( primepi(n) <= sqrt(n), print(n) ))
 +
 
 +
 
 +
<span style="border-bottom-style: double;">Prawa dolna nierówność.</span> Z twierdzenia&nbsp;A1 wiemy, że dla <math>n \geqslant 2</math> jest <math>\pi (n) < \frac{2 n}{\log n}</math>. Zatem wystarczy pokazać, że <math>\frac{2 n}{\log n} < \frac{n}{10}</math>. Nierówność ta jest prawdziwa dla <math>\log n > 20</math>, czyli dla
 +
 
 +
::<math>n > e^{20} > 485165195.4</math>
 +
 
 +
Sprawdzenie przypadków dla <math>n \leqslant 490 \cdot 10^6</math> będzie wymagało napisania w PARI/GP krótkiego programu i&nbsp;wywołania go z&nbsp;parametrem n&nbsp;=&nbsp;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)
 +
      )
 +
}<br/>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Wiersze|Hide=Wiersze}}
+
 
−
*[[NIE!]]
+
 
−
*[[ONI]]
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A39</span><br/>
−
*[[Historia się powtarza]]
+
Dla <math>n \geqslant 1</math> prawdziwe jest oszacowanie
−
*[[MÓJ NARODZIE]]
+
 
−
*[[Marsz ku tęczy]]
+
::<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3}</math>
−
*[[Ludziom honoru]]
+
 
−
*[[POMNIK TRUPA]]
+
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
−
*[[Przyzwoitość]]
+
Korzystając kolejno z twierdzeń A30, A37 i A7, łatwo otrzymujemy
−
*[[Wieluń]]
+
 
 +
::<math>(p_{n^2})^{n / 3} < (2 \cdot n^2 \cdot \log n^2)^{n / 3}</math>
 +
 
 +
::::<math>\;\; = (4 \cdot n^2 \cdot \log n)^{n / 3}</math>
 +
 
 +
::::<math>\;\; < (8 \cdot n^{5 / 2})^{n / 3}</math>
 +
 
 +
::::<math>\;\; = (2 \cdot n^{5 / 6})^n</math>
 +
 
 +
::::<math>\;\; < n^n</math>
 +
 
 +
::::<math>\;\; < p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n</math>
 +
 
 +
Zauważmy, że nierówność <math>2 \cdot n^{5 / 6} < n</math> jest prawdziwa dla <math>n > 2^6</math>. Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n \leqslant 64</math> stwierdzamy, że dowodzona nierówność jest prawdziwa dla <math>n \geqslant 1</math>.<br/>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Edukacja|Hide=Edukacja}}
+
 
−
*[[Twierdzenie Czebyszewa o funkcji π(n)|A. Twierdzenie Czebyszewa o funkcji <math>\pi (n)</math>]]
+
 
−
*[[Twierdzenie Czebyszewa o liczbie pierwszej między n i 2n|B. Twierdzenie Czebyszewa o liczbie pierwszej między <math>n</math> i <math>2 n</math>]]
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Zadanie A40</span><br/>
−
*[[Ciągi liczbowe|C. Ciągi liczbowe]]
+
Korzystając z twierdzenia A39 pokazać, że
−
*[[Szeregi liczbowe|D. Szeregi liczbowe]]
+
 
−
*[[Wzór Eulera-Maclaurina|E. Wzór Eulera-Maclaurina]]
+
:*&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>
−
*[[Całkowanie numeryczne. Metoda Simpsona|F. Całkowanie numeryczne. Metoda Simpsona]]
+
:*&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>
−
*[[Największy wspólny dzielnik, element odwrotny modulo, funkcja Eulera|H. Największy wspólny dzielnik, element odwrotny modulo, funkcja Eulera]]
+
 
−
*[[CRT, twierdzenia Lagrange'a, Wilsona i Fermata, kryterium Eulera, symbole Legendre'a i Jacobiego|J. CRT, twierdzenia Lagrange'a, Wilsona i Fermata, kryterium Eulera, symbole Legendre'a i Jacobiego]]
+
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Rozwiązanie|Hide=Ukryj rozwiązanie}}
−
*[[Liczby kwadratowe i niekwadratowe modulo. Wybrane zagadnienia|K. Liczby kwadratowe i niekwadratowe modulo. Wybrane zagadnienia]]
+
 
−
*[[Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Fermata i liczby silnie pseudopierwsze|M. Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Fermata i liczby silnie pseudopierwsze]]
+
'''Punkt 1.'''
−
*[[Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Lucasa i liczby silnie pseudopierwsze Lucasa. Test BPSW|N. Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Lucasa i liczby silnie pseudopierwsze Lucasa. Test BPSW]]
+
 
−
*[[Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Dicksona drugiego rodzaju|P. Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Dicksona drugiego rodzaju]]
+
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
−
*[[Protokół Diffiego-Hellmana. Szyfrowanie RSA. Podpis cyfrowy|Q. Protokół Diffiego-Hellmana. Szyfrowanie RSA. Podpis cyfrowy]]
+
 
−
*[[Liczby losowe – metoda odwracania dystrybuanty]]
+
::<math>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} > (p_{n + 1})^2</math>
−
*[[Nadciśnienie tętnicze – leki]]
+
 
−
*[[Dynamika rozprzestrzeniania się koronawirusa SARS-CoV-2 w Polsce]]
+
Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n \leqslant 6</math>, łatwo stwierdzamy prawdziwość oszacowania dla <math>n \geqslant 4</math>.
−
*[[LibreOffice Calc – makra – przykłady]]
+
 
−
*[[Kalendarz juliański i kalendarz gregoriański]]
+
'''Punkt 2.'''
 +
 
 +
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>p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n > (p_{n^2})^{n / 3} > (p_{2 n})^3</math>
 +
 
 +
Sprawdzając bezpośrednio dla <math>n \leqslant 9</math>, łatwo stwierdzamy prawdziwość oszacowania dla <math>n \geqslant 7</math>.<br/>
 +
&#9633;
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
  
  
−
{{Spoiler|Style=font-size:1.5em; color:#000|Show=Najnowsze artykuły|Hide=Najnowsze artykuły}}
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A41</span><br/>
−
*[[Największy wspólny dzielnik, element odwrotny modulo, funkcja Eulera]]
+
Każda liczba pierwsza <math>p</math>, taka że <math>p \in \left( \frac{n}{2}, n \right]</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu <math>n!</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
−
*[[Protokół Diffiego-Hellmana. Szyfrowanie RSA. Podpis cyfrowy]]
+
 
−
*[[Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Dicksona drugiego rodzaju]]
+
{{Spoiler|Style = font-style: italic; font-weight: bold; color: olive; text-decoration: underline;|Show=Dowód|Hide=Ukryj dowód}}
−
*[[Liczby kwadratowe i niekwadratowe modulo. Wybrane zagadnienia]]
+
Z twierdzenia 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 \frac{n}{p^k} \right\rfloor</math>
−
*[[CRT, twierdzenia Lagrange'a, Wilsona i Fermata, kryterium Eulera, symbole Legendre'a i Jacobiego]]
+
 
−
*[[Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Lucasa i liczby silnie pseudopierwsze Lucasa. Test BPSW]]
+
Z założenia <math>p \leqslant n</math> i <math>2 p > n</math>, zatem:
−
*[[Testy pierwszości. Liczby pseudopierwsze Fermata i liczby silnie pseudopierwsze]]
+
 
−
*[[Przemówienie premiera Viktora Orbána na 31. Letnim Wolnym Uniwersytecie Bálványos]]
+
::1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\frac{n}{p} \geqslant 1</math> &nbsp;&nbsp;oraz&nbsp;&nbsp; <math>\frac{n}{p} < 2</math>, &nbsp;&nbsp;czyli&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor = 1</math>
−
*[[Całkowanie numeryczne. Metoda Simpsona]]
+
 
−
*[[Wzór Eulera-Maclaurina]]
+
::2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\frac{n}{p^2} < \frac{2}{p} \leqslant 1</math>, &nbsp;&nbsp;czyli&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor \frac{n}{p^2} \right\rfloor = 0</math> &nbsp;&nbsp;i tym bardziej&nbsp;&nbsp; <math>\left\lfloor \frac{n}{p^k} \right\rfloor = 0</math> &nbsp;&nbsp;dla&nbsp;&nbsp; <math>k \geqslant 3</math><br/>
−
*[[Szeregi liczbowe]]
+
&#9633;
−
*[[Ciągi liczbowe]]
 
−
*[[Twierdzenie Czebyszewa o liczbie pierwszej między n i 2n|Twierdzenie Czebyszewa o liczbie pierwszej między <math>n</math> i <math>2 n</math>]]
 
−
*[[Twierdzenie Czebyszewa o funkcji π(n)|Twierdzenie Czebyszewa o funkcji <math>\pi (n)</math>]]
 
−
*[[Prawo do życia, czyli zwycięstwo hipokryzji]]
 
−
*[[Krótkie historie o zabijaniu]]
 
−
*[[LibreOffice Calc – makra – przykłady]]
 
−
*[[Dynamika rozprzestrzeniania się koronawirusa SARS-CoV-2 w Polsce]]
 
−
*[[Liczby losowe – metoda odwracania dystrybuanty]]
 
−
*[[Aborcja – orzeczenie Trybunału Konstytucyjnego z 1997 roku]]
 
−
*[[Nadciśnienie tętnicze – leki]]
 
−
*[[Kara śmierci – cytaty]]
 
−
*[[Jak to z moratorium było|Jak to z moratorium było - uzupełnienie!]]
 
−
*[[Porozmawiajmy o argumentach – „Rozważania… ” Camusa]]
 
−
*[[Komu zagraża tęczowa zaraza?]]
 
−
*[[George Orwell – uraz psychiczny czy rzeczywistość?]]
 
−
*[[Albert Camus – fobia czy rzeczywistość?]]
 
−
*[[Crime International – Polska 2018]]
 
−
*[[Banalizacja zła]]
 
−
*[[IQ, rozkład Gaussa i czarno-białe konsekwencje]]
 
−
*[[Pomyłka sądowa – prawie niewinny morderca Marlene Miller]]
 
−
*[[Sąd Najwyższy USA: czarne jest najpiękniejsze]]
 
−
*[[Arthur Schopenhauer: godność ludzka czyli nowe szaty króla]]
 
−
*[[Kalendarz juliański i kalendarz gregoriański]]
 
−
*[[Crime International – Polska 2017]]
 
−
*[[Prawa człowieka czy prawa bandyty? Przyrodzona godność ludzka]]
 
−
*[[Prawie niewinni mordercy. Co jeszcze jesteś gotów dla nich uczynić?]]
 
−
*[[Murzyni. Czy czarne jest piękne?]]
 
−
*[[Bezpłodność. Feminizm. Homoseksualizm. Czy damy radę?]]
 
−
*[[Wieluń]]
 
−
*[[Jeśli kochasz swoje dzieci, protestuj przeciwko homopropagandzie]]
 
−
*[[Przemówienie prezydenta Donalda Trumpa w Warszawie]]
 
−
*[[Wielokrotni mordercy – typologia i przykłady]]
 
−
*[[Przyzwoitość]]
 
−
*[[Za drugą szansę zabójcy możesz zapłacić życiem]]
 
−
*[[UE – 27 milczących ludzi]]
 
−
*[[Crime International – Polska 2016]]
 
−
*[[Lewactwo – przyczyny politycznego obłędu (Lyle Rossiter)]]
 
−
*[[Ksenofobia może uratować ci życie]]
 
−
*[[Jak pokonać homopropagandę? (Scott Lively)]]
 
−
*[[Homopropaganda – 10 zasad prowadzenia debaty (Scott Lively)]]
 
−
*[[Zrówność jako podstawa lewackiej ideologii]]
 
−
*[[Crime International – Polska 2015]]
 
−
*[[Witaj w świecie obrońców zygot i przyjaciół morderców]]
 
−
*[[Demokracja czy dyktatura Sądu Najwyższego?]]
 
−
*[[HejtStop kontra Pudzianowski]]
 
−
*[[Stany Zjednoczone, Murzyni, zabójstwa, kara śmierci i odstraszanie]]
 
−
*[[Kara śmierci w Stanach Zjednoczonych]]
 
−
*[[Europa czy dyktatura ciemniaków?]]
 
−
*[[Czy kara śmierci ratuje życie?]]
 
−
*[[Morderstwa, egzekucje, odstraszanie - amerykański eksperyment]]
 
−
*[[Nadzwyczajne przemówienie]]
 
−
*[[Kara śmierci: kto nie ma topora, a kto ma karabin (Polska)]]
 
−
*[[Polska – Chiny. Szokujące porównanie.]]
 
−
*[[Lepiej, aby zginęło stu niewinnych, niż gdyby jeden winny miał zginąć]]
 
−
*[[Pomyłki sądowe – mordercy którym pozwolono zabić ponownie]]
 
−
*[[Czy kara śmierci odstrasza?]]
 
−
*[[Kara śmierci: lista państw świata według wskaźnika reakcji]]
 
−
*[[Śmierć i Sprawiedliwość (Edward I. Koch)]]
 
−
*[[Kara śmierci: topór kontra karabin maszynowy (Japonia)]]
 
−
*[[Kara śmierci: topór kontra karabin maszynowy (USA)]]
 
−
*[[Nie jestem Charlie]]
 
−
*[[Jak postęp zapewnił bezpieczeństwo mordercom i zbrodniarzom]]
 
−
*[[Księga powtórnie powtórzonego prawa]]
 
−
*[[CBOS – czy poznamy stosunek Polaków do kary śmierci?]]
 
−
*[[POMNIK TRUPA]]
 
 
{{\Spoiler}}
 
{{\Spoiler}}
  
  
  
−
{|style="border-left:solid 15px #9FFB88; border-right:solid 15px #9FFB88; border-top:solid 10px #9FFB88; border-bottom:solid 10px #9FFB88; text-align:justify; font-size: 90%; font-style: italic; background-color: #9FFB88; font-weight: bold; "
+
Rezultat uzyskany w twierdzeniu A25 zainspirował nas do postawienia pytania: jakie warunki musi spełniać liczba pierwsza <math>p</math>, aby występowała w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>\binom{2 n}{n}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden lub równym zero? Twierdzenia A42 i A44 udzielają na to pytanie precyzyjnej odpowiedzi. Przykłady A43 i A45 to tylko twierdzenia A42 i A44 dla wybranych wartości liczby <math>k</math>. Jeśli Czytelnik nie miał problemów ze zrozumieniem dowodów twierdzeń A42 i A44, to może je pominąć.
−
|
+
 
−
Drogi Czytelniku!<br/><br/>
+
 
−
Przygotowanie niektórych artykułów wymagało nawet kilkudziesięciu godzin pracy. Większość tekstów to nie są felietony, a&nbsp;opracowania i&nbsp;tłumaczenia, których próżno szukać w&nbsp;mediach głównego nurtu. Jeśli chciałbyś dobrowolnie wesprzeć ten wysiłek i&nbsp;pomóc w&nbsp;rozwoju strony, proszę o&nbsp;dokonanie wpłaty na podane niżej konto bankowe.<br/><br/>
+
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A42</span><br/>
−
Dziękuję za Twoją życzliwą pomoc!<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(
−
Henryk Dąbrowski
+
\frac{n}{k + 1}, \frac{n}{k + \frac{1}{2}} \right]</math>, to <math>p</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>\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
 +
 
 +
::<math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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&nbsp;mianowniku. Zatem w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>\binom{2 n}{n}</math> na czynniki pierwsze wystąpi z&nbsp;wykładnikiem równym <math>1</math>.
 +
 
 +
Co kończy dowód twierdzenia w przypadku, gdy <math>k = 0</math>.
 +
 
 +
'''Możemy teraz przejść do dowodu dla wszystkich <math>k \geqslant 1</math>.'''
 +
 
  
 +
<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie analizy krotności pojawiania się liczby <math>p</math></span><br/><br/>
 +
Zapiszmy współczynnik dwumianowy <math>\binom{2 n}{n}</math> w postaci ułamka
  
 +
::<math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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:
  
−
<html>
+
* <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
−
<form action="https://www.paypal.com/cgi-bin/webscr" method="post" target="_top">
+
* <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>)
−
<input type="hidden" name="cmd" value="_s-xclick">
+
* <math>(2 k + 1) p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z 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
−
<input type="hidden" name="hosted_button_id" value="Y2RF4E2DLZL6Y">
+
* <math>(2 k + 2) p > 2 n</math> — warunek ten (łącznie z 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>)
−
<input type="image" src="https://www.paypalobjects.com/pl_PL/PL/i/btn/btn_donate_LG.gif" border="0" name="submit" alt="PayPal – Płać wygodnie i bezpiecznie">
 
−
<img alt="" border="0" src="https://www.paypalobjects.com/pl_PL/i/scr/pixel.gif" width="1" height="1">
 
−
</form>
 
−
</html>
 
  
−
[[Konto bankowe|Dane konta bankowego do wykonania wpłaty]]
+
Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left(\frac{n}{k + 1}, \frac{n}{k + \frac{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>\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>
  
−
[[Wpłaty]]
+
Zatem występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>\binom{2 n}{n}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem jeden.
 +
 
 +
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
 +
 
 +
::<math>r_i \notin \left( \frac{n}{k + 1}, \frac{n}{k + \frac{1}{2}} \right]</math>
 +
 
 +
Warunek ten będzie z&nbsp;pewnością spełniony, gdy
 +
 
 +
::<math>q \leqslant 2 k + 1 \leqslant \frac{n}{k + 1}</math>
 +
 
 +
czyli dla <math>n</math> spełniających nierówność <math>n \geqslant (k + 1) (2 k + 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>.
 +
 
 +
 
 +
<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia A24</span><br/><br/>
 +
Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
 +
 
 +
::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{s}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{s}} \right \rfloor \right )</math>
 +
 
 +
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 > \frac{n}{k + 1} \quad\ \implies \quad \frac{n}{p} < k + 1 \quad\ \implies \quad \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \leqslant k</math>
 +
 
 +
2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant \frac{n}{k + \tfrac{1}{2}} \quad\ \implies \quad \frac{2 n}{p} \geqslant 2 k + 1 \quad\ \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor \geqslant 2 k + 1</math>
 +
 
 +
Zatem
 +
 
 +
::<math>\left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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
 +
 
 +
::<math>\left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor = 1</math>
 +
 
 +
 
 +
Założenie, że <math>n \geqslant 2 (k + 1)^2</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
 +
 
 +
::<math>p > \frac{n}{k + 1} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p} < 2 k + 2 \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \frac{(2 n)^s}{p^s} < (2 k + 2)^s \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \frac{2 n}{p^s} < \frac{(2 k + 2)^2}{2 n} \cdot \left( \frac{2 k + 2}{2 n} \right)^{s - 2} \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \frac{2 n}{p^s} < \frac{(2 k + 2)^2}{2 n} \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \frac{2 n}{p^s} < 1 \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p^s} \right\rfloor = 0</math>
 +
 
 +
Jeżeli <math>\left\lfloor \frac{2 n}{p^s} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor \frac{n}{p^s} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>n \geqslant 2 (k + 1)^2</math> jest
 +
 
 +
::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{s}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{s}} \right \rfloor \right ) = 1</math>
 +
 
 +
Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości <math>n < 2 (k + 1)^2</math> twierdzenie pozostaje prawdziwe.
 +
 
 +
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}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A43</span><br/>
 +
Jeżeli <math>n \geqslant 6</math> i liczba pierwsza <math>p \in \left( \frac{n}{2}, \frac{2 n}{3} \right]</math>, to <math>p</math> występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>\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/>
 +
Zapiszmy współczynnik dwumianowy <math>\binom{2 n}{n}</math> w&nbsp;postaci ułamka
 +
 
 +
::<math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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:
 +
 
 +
* <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 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 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( \tfrac{n}{2}, \tfrac{2 n}{3} \right]</math> pojawia się dokładnie jeden raz w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku ułamka
 +
 
 +
::<math>\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>\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( \tfrac{n}{2}, \tfrac{2 n}{3} \right]</math>.
 +
 
 +
Bezpośrednio sprawdzamy, że twierdzenie nie jest prawdziwe dla <math>n = 5</math> i&nbsp;liczba <math>3^2</math> dzieli liczbę <math>\binom{10}{5} = 252 = 9 \cdot 28</math>
 +
 
 +
 
 +
<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia A24</span><br/><br/>
 +
Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
 +
 
 +
::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{k}} \right \rfloor \right )</math>
 +
 
 +
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 > \frac{n}{2} \quad \implies \quad \frac{n}{p} < 2 \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \leqslant 1</math>
 +
 
 +
::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant \frac{2 n}{3} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p} \geqslant 3 \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor \geqslant 3</math>
 +
 
 +
Zatem
 +
 
 +
::<math>\left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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 \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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 > \frac{n}{2} \quad \implies \quad \frac{(2 n)^k}{p^k} < 4^k \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} < \frac{16}{2 n} \cdot \left( \frac{4}{2 n} \right)^{k - 2} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} \leqslant \frac{16}{2 n} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} \leqslant \frac{16}{18} \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = 0</math>
 +
 
 +
Jeżeli <math>\left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor \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 \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{k}} \right \rfloor \right ) = 1</math>
 +
 
 +
Dla <math>n = 6, 7</math> żadna liczba pierwsza nie należy do <math>\left( \tfrac{n}{2}, \tfrac{2 n}{3} \right]</math>. Dla <math>n = 8</math> łatwo sprawdzamy, że liczba <math>5</math> wchodzi do rozkładu liczby <math>\binom{16}{8} = 12870</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.
 +
 
 +
Zatem dla <math>n \geqslant 6</math> liczba pierwsza <math>p \in \left( \tfrac{n}{2}, \tfrac{2 n}{3} \right]</math> wchodzi do rozkładu liczby <math>\binom{2 n}{n}</math> na czynniki pierwsze z&nbsp;wykładnikiem równym jeden.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Twierdzenie A44</span><br/>
 +
Niech <math>k</math> będzie dowolną ustaloną liczbą całkowitą dodatnią. Jeżeli liczba pierwsza <math>p \in \left( \frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}, \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>\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>\binom{2 n}{n}</math> w postaci ułamka
 +
 
 +
::<math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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>p</math> 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 p \leqslant 2 n</math> — warunek ten (łącznie z 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 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( \frac{n}{k + \frac{1}{2}}, \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>\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>p</math> nie występuje w&nbsp;rozwinięciu współczynnika dwumianowego <math>\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( \frac{n}{k + \frac{1}{2}}, \frac{n}{k} \right]</math>
 +
 
 +
Warunek ten będzie z&nbsp;pewnością spełniony, gdy
 +
 
 +
::<math>q \leqslant 2 k \leqslant \frac{n}{k + \frac{1}{2}}</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</span><br/><br/>
 +
Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
 +
 
 +
::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{s}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \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 > \frac{n}{k + \frac{1}{2}} \quad\ \implies \quad \frac{2 n}{p} < 2 k + 1 \quad\ \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor \leqslant 2 k</math>
 +
 
 +
2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant \frac{n}{k} \quad\ \implies \quad \frac{n}{p} \geqslant k \quad\ \implies \quad \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \geqslant k</math>
 +
 
 +
Zatem
 +
::<math>\left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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>\left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor = 0</math>
 +
 
 +
 
 +
Założenie, że <math>2 n \geqslant (2 k + 1)^2</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
 +
 
 +
::<math>p > \frac{2 n}{2 k + 1} \quad \implies \quad \frac{(2 n)^s}{p^s} < (2 k + 1)^s \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \; \implies \quad \frac{2 n}{p^s} < \frac{(2 k + 1)^2}{2 n} \cdot \left( \frac{2 k + 1}{2 n} \right)^{s - 2} \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \; \implies \quad \frac{2 n}{p^s} < \frac{(2 k + 1)^2}{2 n} \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \; \implies \quad \frac{2 n}{p^s} < 1 \quad \implies</math>
 +
 
 +
::<math>\qquad \qquad \qquad \; \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p^s} \right\rfloor = 0</math>
 +
 
 +
Jeżeli <math>\left\lfloor \frac{2 n}{p^s} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor \frac{n}{p^s} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>2 n \geqslant (2 k + 1)^2</math> jest
 +
 
 +
::<math>\sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{s}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{s}} \right \rfloor \right ) = 0</math>
 +
 
 +
Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości <math>n < \frac{1}{2} (2 k + 1)^2</math> twierdzenie pozostaje prawdziwe.
 +
 
 +
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/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A45</span><br/>
 +
Jeżeli <math>n \geqslant 8</math> i&nbsp;liczba pierwsza <math>p \in \left( \frac{2 n}{5}, \frac{n}{2} \right]</math>, to <math>p</math> nie występuje w&nbsp;rozwinięciu liczby <math>\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>\binom{2 n}{n}</math> w postaci ułamka
 +
 
 +
::<math>\binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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>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>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 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 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>)
 +
 
 +
Łącząc otrzymane warunki, otrzymujemy, że liczba pierwsza <math>p \in \left( \tfrac{2 n}{5}, \tfrac{n}{2} \right]</math> pojawia się dokładnie dwa razy w&nbsp;mianowniku i&nbsp;dokładnie dwa razy w&nbsp;liczniku ułamka
 +
 
 +
::<math>\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>\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( \tfrac{2 n}{5}, \tfrac{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>\binom{14}{7} = 3432</math>
 +
 
 +
 
 +
<span style="border-bottom-style: double;">Dowód na podstawie twierdzenia A24</span><br/><br/>
 +
Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy
 +
 
 +
::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \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
 +
 
 +
::1)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p > \frac{2 n}{5} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p} < 5 \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor \leqslant 4</math>
 +
 
 +
::2)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>p \leqslant \frac{n}{2} \quad \implies \quad \frac{n}{p} \geqslant 2 \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \geqslant 2</math>
 +
 
 +
Zatem
 +
 
 +
::<math>\left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \leqslant 4 - 4 = 0</math>
 +
 
 +
Ponieważ każdy ze składników szukanej sumy może być równy tylko <math>0</math> lub <math>1</math>, to otrzymujemy
 +
 
 +
::<math>\left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor = 0</math>
 +
 
 +
 
 +
Założenie, że <math>n \geqslant 13</math> pozwoli uprościć obliczenia dla drugiego i&nbsp;następnych składników sumy
 +
 
 +
::<math>p > \frac{2 n}{5} \quad \implies \quad \frac{(2 n)^k}{p^k} < 5^k \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} < \frac{25}{2 n} \cdot \left( \frac{5}{2 n} \right)^{k - 2} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} \leqslant \frac{25}{2 n} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} \leqslant \frac{25}{26} \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = 0</math>
 +
 
 +
Jeżeli <math>\left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = 0</math>, to również musi być <math>\left\lfloor \frac{n}{p^k} \right\rfloor = 0</math>. Pokazaliśmy, że dla <math>n \geqslant 13</math> jest
 +
 
 +
::<math>\sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{k}} \right \rfloor \right ) = 0</math>
 +
 
 +
Dla <math>n = 8, 9</math> żadna liczba pierwsza nie należy do <math>\left( \tfrac{2 n}{5}, \tfrac{n}{2} \right]</math>.
 +
 
 +
Dla <math>n = 10, 11, 12</math> łatwo sprawdzamy, że liczba <math>5</math> nie dzieli liczb <math>\binom{20}{10} = 184756</math>, <math>\binom{22}{11} = 705432</math> oraz <math>\binom{24}{12} = 2704156</math>.
 +
 
 +
Zatem dla <math>n \geqslant 8</math> liczba pierwsza <math>p \in \left( \tfrac{2 n}{5}, \tfrac{n}{2} \right]</math> nie dzieli liczby <math>\binom{2 n}{n}</math>.<br/>
 +
&#9633;
 +
{{\Spoiler}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Uwaga A46</span><br/>
 +
Z przykładu A43 nie wynika, że w&nbsp;przedziale <math>\left( \frac{n}{2}, \frac{2 n}{3} \right]</math> znajduje się choćby jedna liczba pierwsza <math>p</math>. Analogiczna uwaga jest prawdziwa w&nbsp;przypadku przykładu&nbsp;A45 oraz twierdzeń&nbsp;A42 i&nbsp;A44. Istnienie liczby pierwszej w&nbsp;określonym przedziale będzie tematem kolejnego artykułu.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<span style="font-size: 110%; font-weight: bold;">Przykład A47</span><br/>
 +
Pokazujemy i&nbsp;omawiamy wynik zastosowania twierdzeń A42 i A44 do współczynnika dwumianowego <math>\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>\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>\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;A42 i A44 nie można stosować bez ograniczeń dla coraz większych liczb <math>k</math>.
 +
 
 +
 
 +
2<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>\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;A42, jest <math>k = 39</math>. Podobnie największą wartością liczby <math>k</math>, dla jakiej można jeszcze stosować twierdzenie&nbsp;A44, 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;A42 i A44 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>\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>\frac{3284}{k+1}</math>||<math>p \in \left ( \frac{3284}{k + 1}, \frac{3284}{k + \tfrac{1}{2}} \right ]</math>||<math>\frac{3284}{k+\tfrac{1}{2}}</math>||<math>\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||{<span style="border-bottom-style: double;">'''107'''</span>}||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
 
|}
 
|}
 +
<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_A19_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="p1">Wikipedia, ''Twierdzenie o zbieżności ciągu monotonicznego'', ([https://pl.wikipedia.org/wiki/Twierdzenie_o_zbie%C5%BCno%C5%9Bci_ci%C4%85gu_monotonicznego LINK])</ref>
 +
 +
</references>
  
−
<div style="font-size: 75%;">Some rights reserved.
 
  
−
(CC) 2009 - 2020 by Henryk Dąbrowski
 
  
  
−
Żadna część jak i całość niniejszego opracowania nie może być wykorzystywana w celach komercyjnych, bez uprzedniej pisemnej zgody autora.
 
  
−
Dozwolone jest kopiowanie, rozpowszechnianie, przedstawianie i wykonywanie treści jedynie w celach niekomercyjnych pod warunkiem zachowania jej w&nbsp;oryginalnej postaci. Niedozwolone jest jej zmienianie i/lub tworzenie na jej bazie utworów pochodnych.
 
  
  
−
Kontakt: brakkarysmierci@gmail.com
 
  
  
−
</div>
 
  
  
−
<span class="plainlinks">[https://henryk-dabrowski.pl/index.php?title=Aborcja_%E2%80%93_orzeczenie_Trybuna%C5%82u_Konstytucyjnego_z_1997_roku <span style="font-size: 50%; line-height: 0.5em; color: transparent;">LINK</span>]</span>
+
&nbsp;

Wersja z 20:35, 18 lut 2024

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}_{+}\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{ \binom{n}{m} }[/math] — współczynnik dwumianowy (symbol Newtona), [math]\displaystyle{ \binom{n}{m} = \frac{n!}{m! \cdot (n - m) !} }[/math]
[math]\displaystyle{ \log (x) }[/math] — logarytm naturalny liczby [math]\displaystyle{ x \gt 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{ \binom{5}{2} = 10 }[/math],   [math]\displaystyle{ \binom{10}{5} = 252 }[/math],   [math]\displaystyle{ \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{ \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 \frac{n}{\log n} \: \underset{n \geqslant 11}{\lt } \: \pi (n) \: \underset{n \geqslant 96098}{\lt } \: b \cdot \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{ \frac{n}{\log n} \left( 1 + \frac{1}{\log n} \right) \underset{n \geqslant 599}{\lt } \pi (n) \underset{n \geqslant 2}{\lt } \frac{n}{\log n} \left( 1 + \frac{1.28}{\log n} \right) }[/math]


[math]\displaystyle{ n (\log n + \log \log n - 1) \underset{n \geqslant 2}{\lt } p_n \underset{n \geqslant 6}{\lt } 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}{\lt } p_n \underset{n \geqslant 3}{\lt } 2n \log n }[/math]


[math]\displaystyle{ \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} \underset{n \geqslant 3}{\lt } \pi (n) \underset{n \geqslant 2}{\lt } \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{ \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{ \binom{n}{k} }[/math] jest zawsze liczbą całkowitą dodatnią.

Dowód

Indukcja matematyczna. Ponieważ

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

Na podstawie założenia indukcyjnego liczby po prawej stronie są liczbami całkowitymi dodatnimi, zatem [math]\displaystyle{ \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{ \binom{2 n}{n} }[/math] jest liczbą parzystą.

Dowód

Łatwo zauważamy, że

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

□


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

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

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

[math]\displaystyle{ \binom{2 (n + 1)}{n + 1} = \binom{2 n}{n} \cdot \frac{(2 n + 2) (2 n + 1)}{(n + 1) (n + 1)} \gt 3.8^{n + 1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - \frac{1}{n + 1} \right) \geqslant 3.8^{n + 1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - \frac{1}{80 + 1} \right) \gt 3.8^{n + 1} \cdot 3.9753 \gt 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{ \binom{2 (n + 1)}{n + 1} = \binom{2 n}{n} \cdot \frac{(2 n + 2) (2 n + 1)}{(n + 1) (n + 1)} \lt 4^{n -1} \cdot 2 \cdot \left( 2 - \frac{1}{n + 1} \right) \lt 4^n }[/math]

□


Twierdzenie A5
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 12 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n \gt 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], bowiem [math]\displaystyle{ p_{12} = 37 \gt 3 \cdot 12 = 36 }[/math], podobnie [math]\displaystyle{ p_{13} = 41 \gt 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 \gt 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 + \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 \lt 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} \binom{n}{k} x^{n-k}y^{k} = \binom{n}{0} x^{n} + \binom{n}{1}x^{n-1}y + \binom{n}{2}x^{n-2}y^{2} + \ldots + \binom{n}{n}y^{n} }[/math]

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


Dowód opiera się na spostrzeżeniu, że [math]\displaystyle{ e = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{k!} = 2.718281828 \ldots }[/math], a wykorzystanie wzoru dwumianowego pozwala przekształcić wyrażenie [math]\displaystyle{ \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n }[/math] do postaci sumy z wyraźnie wydzielonym czynnikiem [math]\displaystyle{ \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 + \frac{1}{n} \right)^n = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} \frac{1}{n^k} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{n!}{k! \cdot (n - k)!} \cdot \frac{1}{n^k} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \frac{n \cdot (n - 1) \cdot \ldots \cdot (n - (k - 1))}{n^k} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; = 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \frac{k - 1}{n} \right) }[/math]


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

[math]\displaystyle{ a_{n + 1} = \left( 1 + \frac{1}{n + 1} \right)^{n + 1} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \: = 2 + \sum_{k=2}^{n + 1} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n + 1} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \frac{k - 1}{n + 1} \right) \gt }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \: \gt 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n + 1} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \frac{k - 1}{n + 1} \right) \gt }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \: \gt 2 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \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 - \frac{x}{n + 1} \gt 1 - \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} \frac{1}{k!} \cdot \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \cdot \ldots \cdot \left( 1 - \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} \frac{1}{k!} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; \leqslant 1 + 1 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{2^{k-1}} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; = 1 + \left ( 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{2^2} + \ldots + \frac{1}{2^{n-1}}\right ) = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; = 1 + \frac{1 - \left ( \frac{1}{2} \right )^{n}}{1 - \frac{1}{2}} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; = 1 + 2 - \frac{1}{2^{n-1}} \lt }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \; \lt 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 \lt 3 }[/math]. Zauważmy jeszcze (już bez dowodu), że ciąg [math]\displaystyle{ (a_n) }[/math], jako rosnący i ograniczony od góry[9], jest zbieżny. Granicą ciągu [math]\displaystyle{ (a_n) }[/math] jest liczba niewymierna [math]\displaystyle{ e = 2.718281828 \ldots }[/math], która jest podstawą logarytmu naturalnego.
□


Twierdzenie A7
Prawdziwe są następujące oszacowania:

[math]\displaystyle{ n^n \underset{n \geqslant 13}{\lt } p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n \underset{n \geqslant 3}{\lt } (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} \gt n^n \cdot p_{n + 1} \gt n^n \cdot 3 (n + 1) \gt n^n \cdot \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n \cdot (n + 1) = (n + 1)^{n + 1} }[/math]

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


Twierdzenie A8
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ \frac{P (2 n)}{P (n)} \lt 4^{n - 1} }[/math].

Dowód

Rozważmy współczynnik dwumianowy

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

Zauważmy, że wypisany w powyższej nierówności iloczyn liczb pierwszych jest liczbą nieparzystą. Ponieważ współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ \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{ \frac{P (2 n)}{P (n)} \lt \binom{2 n}{n} \lt 4^{n - 1} }[/math]

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


Twierdzenie A9
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ P(n) \lt 4^n }[/math]

Dowód

Indukcja matematyczna. Oszacowanie [math]\displaystyle{ P(n) \lt 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 \frac{P (2 k + 2)}{P (k + 1)} \lt 4^{k + 1} \cdot 4^k = 4^{2 k + 1} = 4^{n + 1} }[/math]

gdzie skorzystaliśmy z założenia indukcyjnego i oszacowania z twierdzenia A8.

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

gdzie ponownie skorzystaliśmy z założenia indukcyjnego i oszacowania z twierdzenia A8.
□


Twierdzenie A10
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ p_n \gt \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 A5 i A8 dostajemy dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 13 }[/math]

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

Logarytmując obie strony nierówności, mamy

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

Skąd natychmiast wynika dowodzone oszacowanie

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

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


Twierdzenie A11
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (2 n) - \pi (n) \lt 2 \log 2 \cdot \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{ \binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{n! \cdot n!} = \frac{2 n \cdot (2 n - 1) \cdot \ldots \cdot (n + 1)}{n!} }[/math]

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

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

Ostatnia nierówność wynika z twierdzenia A4. Logarytmując, dostajemy

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

Czyli

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

□


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

Dowód

Indukcja matematyczna. Oszacowanie [math]\displaystyle{ \pi (n) \lt 2 \cdot \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 \frac{n}{\log n} \lt 2 \cdot \frac{n + 1}{\log (n + 1)} }[/math]

ostania nierówność wynika ze spostrzeżenia, że funkcja [math]\displaystyle{ \frac{x}{\log x} }[/math] jest funkcją rosnącą dla [math]\displaystyle{ x \gt e \approx 2.71828 }[/math]. Można też wykorzystać oszacowanie [math]\displaystyle{ \log(1 + x) \lt x }[/math] prawdziwe dla [math]\displaystyle{ x \gt 0 }[/math].

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)] \lt }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \lt 2 \cdot \frac{k + 1}{\log (k + 1)} + 2 \log 2 \cdot \frac{k + 1}{\log (k + 1)} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad = (1 + \log 2) \cdot \frac{2 k + 2}{\log (k + 1)} \lt }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \lt \left[ 1.7 \cdot \frac{2 k + 2}{\log (k + 1)} \cdot \frac{\log (2 k + 1)}{2 k + 1} \right] \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} \lt }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \lt \left[ 1.7 \cdot \frac{2 k + 2}{2 k + 1} \cdot \frac{\log (2 k + 2)}{\log (k + 1)} \right] \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} \lt }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad = \left[ 1.7 \cdot \left( 1 + \frac{1}{2 k + 1} \right) \cdot \frac{\log (k + 1) + \log 2}{\log (k + 1)} \right] \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad = \left[ 1.7 \cdot \left( 1 + \frac{1}{2 k + 1} \right) \cdot \left( 1 + \frac{\log 2}{\log (k + 1)} \right) \right] \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} \lt }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \lt 2 \cdot \frac{2 k + 1}{\log (2 k + 1)} = }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad = 2 \cdot \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{ \binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} }[/math].


Definicja A13
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 \lt 1 }[/math], jeżeli [math]\displaystyle{ x = k + \varepsilon }[/math], to [math]\displaystyle{ \lfloor x \rfloor = \lfloor k + \varepsilon \rfloor = k }[/math].


Twierdzenie A14
Dla [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_+ }[/math], [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math] jest [math]\displaystyle{ \left \lfloor \frac{x}{n} \right\rfloor = \left \lfloor \frac{\left \lfloor x \right \rfloor}{n} \right \rfloor }[/math].

Dowód

Korzystając z definicji A13, przedstawmy liczbę w postaci [math]\displaystyle{ x = k + \varepsilon }[/math], gdzie [math]\displaystyle{ 0 \leqslant \varepsilon \lt 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 \lt n }[/math], to po podzieleniu przez [math]\displaystyle{ n }[/math] dostajemy

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

czyli

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

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

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

□


Twierdzenie A15
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 \lt 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 \lt 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 A16
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 A17
[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 A18

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

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


Twierdzenie A19
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 \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{ \frac{n}{p} }[/math], czyli [math]\displaystyle{ r = \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor }[/math].
□


Przykład A20
Ilość liczb całkowitych dodatnich podzielnych przez [math]\displaystyle{ 5 }[/math] i nie większych od [math]\displaystyle{ 63 }[/math] wynosi [math]\displaystyle{ \left\lfloor \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 A19 umożliwi nam określenie wykładnika, z jakim liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w [math]\displaystyle{ n! }[/math]

Twierdzenie A21
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 \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 \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 \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 \frac{n}{p} \right\rfloor \right) = \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor + W_p \left( 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \right) }[/math]

Otrzymane wyrażenie przekształcamy analogicznie jak wyżej

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

Z twierdzenia A14 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math] i [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{Z}_{+} }[/math] jest:

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

zatem

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

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


Uwaga A22
Należy zauważyć, że liczba sumowań jest skończona, bowiem bardziej precyzyjnie możemy powyższy wzór zapisać w postaci

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

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


Przykład A23
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 \frac{30}{3} \right\rfloor + \left\lfloor \frac{30}{3^2} \right\rfloor + \left\lfloor \frac{30}{3^3} \right\rfloor = 10 + 3 + 1 = 14 }[/math]



Podobnie jak w poprzednim podrozdziale będziemy badali współczynnik dwumianowy postaci [math]\displaystyle{ \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 A24
Liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math] wchodzi do rozwinięcia na czynniki pierwsze liczby [math]\displaystyle{ \binom{2 n}{n} }[/math] z wykładnikiem

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

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

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


□


Twierdzenie A25
Liczby pierwsze spełniające warunek [math]\displaystyle{ p \gt \sqrt{2 n} }[/math] występują w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ \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 \gt \sqrt{2 n} }[/math], to dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math] mamy [math]\displaystyle{ p^k \geqslant p^2 \gt 2 n \gt n }[/math]. Zatem dla [math]\displaystyle{ k \geqslant 2 }[/math] jest [math]\displaystyle{ \left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = \left\lfloor \frac{n}{p^k} \right\rfloor = 0 }[/math] i otrzymujemy

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

Na mocy twierdzenia A15 (dla [math]\displaystyle{ x = \tfrac{n}{p} }[/math]), dostajemy natychmiast, że [math]\displaystyle{ u = 1 }[/math] lub [math]\displaystyle{ u = 0 }[/math].
□


Twierdzenie A26
Niech [math]\displaystyle{ p }[/math] będzie liczbą pierwszą. Jeżeli [math]\displaystyle{ p^a \big\rvert \binom{2 n}{n} }[/math], to [math]\displaystyle{ p^a \leqslant 2 n }[/math].

Dowód

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

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

□



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

Z twierdzenia A26 wynika natychmiast


Twierdzenie A27
Niech [math]\displaystyle{ \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 A28
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwe jest następujące oszacowanie współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ \binom{2 n}{n} }[/math]

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

Dowód wynika natychmiast z twierdzenia A27, bowiem

[math]\displaystyle{ \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)} \lt (2 n + 1)^{\pi (2 n + 1)} }[/math]

□


Twierdzenie A29
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] prawdziwe jest następujące oszacowanie

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

W twierdzeniu A4 oszacowaliśmy współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ \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} \lt \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 1} \lt \left( \sqrt{3.8} \right)^{2 n + 2} = 3.8^{n + 1} \lt \binom{2 n}{n} }[/math]

Nierówności te są prawdziwe dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 80 }[/math]. Z twierdzenia A28 mamy

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

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

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

Czyli

[math]\displaystyle{ \pi (m) \gt \frac{1}{2} \cdot \log \left ( 3.8 \right ) \cdot \frac{m}{\log m} \gt 0.6675 \cdot \frac{m}{\log m} \gt \frac{2}{3} \cdot \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 A30
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 \lt 2 n \log n }[/math]

Dowód

Z twierdzenia A29 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] zachodzi [math]\displaystyle{ \pi (n) \gt \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} }[/math]. Kładąc [math]\displaystyle{ n = p_s }[/math] otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 2 }[/math]

[math]\displaystyle{ s = \pi (p_s) \gt \frac{2}{3} \cdot \frac{p_s}{\log p_s} }[/math]

Rozważmy funkcję

[math]\displaystyle{ \frac{2}{3} \cdot \frac{x}{\log x} - x^{3 / 4} = \frac{2}{3} \cdot \frac{x^{3 / 4}}{\log x} \left( x^{1 / 4} - \frac{3}{2} \cdot \log x \right) }[/math]

Zamieszczony niżej obrazek przedstawia wykres funkcji [math]\displaystyle{ x^{1 / 4} - \tfrac{3}{2} \cdot \log x }[/math]

A Czebyszew-wykres-1.png

Wpisując w PARI/GP polecenie 

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

łatwo sprawdzamy, że funkcja [math]\displaystyle{ x^{1 / 4} - \tfrac{3}{2} \cdot \log x }[/math] przecina oś [math]\displaystyle{ OX }[/math] w punkcie [math]\displaystyle{ x = 83499.136 \ldots }[/math] Wynika stąd, że dla [math]\displaystyle{ x \gt 83499.14 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie

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

Zatem możemy napisać

[math]\displaystyle{ s = \pi (p_s) \gt \frac{2}{3} \cdot \frac{p_s}{\log p_s} \gt (p_s)^{3 / 4} }[/math]

Co oznacza, że dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 8153 }[/math] (bo [math]\displaystyle{ p_{8153} = 83537 \gt 83499.14 }[/math]) mamy [math]\displaystyle{ p_s \lt s^{4 / 3} }[/math] i wpisując w PARI/GP polecenie 

for(n = 1, 10^4, if( prime(n) >= n^(4/3), print(n) ))

sprawdzamy, że otrzymane oszacowanie [math]\displaystyle{ p_s \lt s^{4 / 3} }[/math] jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 255 }[/math]. Wykorzystując ten rezultat i szacując po raz drugi dostajemy dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 255 }[/math]

[math]\displaystyle{ p_s \lt \frac{3}{2} \cdot s \cdot \log p_s \lt \frac{3}{2} \cdot s \cdot \log s^{4 / 3} = 2 s \cdot \log s }[/math]

Ponownie w GP/PARI sprawdzamy, że otrzymana nierówność jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 3 }[/math] 

for(s = 1, 300, if( prime(s) >= 2 * s*log(s), print(s) ))

□






Dowód twierdzenia A30 kończy dowód całego twierdzenia A1. Możemy teraz dokończyć dowód twierdzenia A7 i pokazać, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie:

[math]\displaystyle{ p_1 \cdot \ldots \cdot p_n \lt (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} \lt (n \log n)^n \cdot p_{n + 1} \lt }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \lt n^n \cdot (\log n)^n \cdot 2 (n + 1) \log (n + 1) \leqslant }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \leqslant n^n \cdot \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n \cdot (n + 1) \cdot (\log n)^n \cdot \log (n + 1) \lt }[/math]
[math]\displaystyle{ \quad \lt (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 A30 oraz z faktu, że ciąg [math]\displaystyle{ a_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n }[/math] jest ciągiem ograniczonym [math]\displaystyle{ 2 \leqslant a_n \lt 3 }[/math] (zobacz twierdzenie A6).
□



Uwagi do dowodu

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


Twierdzenie A31
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 \lt 1.875 \cdot n \log n }[/math]
Dowód

Z twierdzenia A1 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] zachodzi [math]\displaystyle{ \pi (n) \gt \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} }[/math]. Kładąc [math]\displaystyle{ n = p_s }[/math], otrzymujemy dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 2 }[/math]

[math]\displaystyle{ s = \pi (p_s) \gt \frac{2}{3} \cdot \frac{p_s}{\log p_s} \gt (p_s)^{4 / 5} }[/math]

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

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

Zatem dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 512830 }[/math] (bo [math]\displaystyle{ p_{512830} = 7572449 \gt 7572437.223 \ldots }[/math]) mamy [math]\displaystyle{ p_s \lt s^{5 / 4} }[/math] i wpisując w PARI/GP polecenie 

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

sprawdzamy, że otrzymane oszacowanie [math]\displaystyle{ p_s \lt s^{5 / 4} }[/math] jest prawdziwe dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 13760 }[/math]. Wykorzystując ten rezultat i szacując po raz drugi, dostajemy dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 13760 }[/math]

[math]\displaystyle{ p_s \lt \frac{3}{2} \cdot s \cdot \log p_s \lt \frac{3}{2} \cdot s \cdot \log s^{5 / 4} = 1.875 \cdot s \cdot \log s }[/math]

Ponownie w PARI/GP sprawdzamy, że otrzymana nierówność jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ s \geqslant 3 }[/math] 

for(s = 1, 15000, if( prime(s) >= 1.875 * s*log(s), print(s) ))

□


Twierdzenie A32
Niech [math]\displaystyle{ n \geqslant 2 }[/math]. Dla funkcji [math]\displaystyle{ \pi (n) }[/math] prawdziwe jest oszacowanie

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

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

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

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

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

Korzystając z twierdzenia A9 możemy napisać ciąg nierówności

[math]\displaystyle{ 4^n \gt P (n) = p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_{\pi (n)} \gt \pi (n)^{\pi (n)} \gt (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) \lt 1.733 \cdot \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 A33
Dowód twierdzenia A31 wymagał wykorzystania polecenia PARI/GP, w którym wielokrotnie była wywoływana funkcja prime(n). Analogiczna sytuacja miała miejsce w przypadku twierdzenia A32 – 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 A34
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 \lt 1.6 \cdot n \log n }[/math] przekracza możliwości obliczeniowe współczesnych komputerów. Wystarczy zauważyć, że nierówność

[math]\displaystyle{ \frac{2}{3} \cdot \frac{x}{\log x} \gt x^{15 / 16} }[/math]

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



Zastosowania

Ciekawy rezultat wynika z twierdzenia A7, ale wcześniej musimy udowodnić twierdzenie o średniej arytmetycznej i geometrycznej.

Twierdzenie A35
Dla dowolnych liczb dodatnich [math]\displaystyle{ a_1, a_2, \ldots, a_n }[/math] średnia arytmetyczna jest nie mniejsza od średniej geometrycznej

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

Dla potrzeb dowodu zapiszemy dowodzoną nierówność w postaci

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

Na mocy punktu a) prawdziwa jest nierówność

[math]\displaystyle{ \left( \frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_{2 k - 1} + S}{2 k} \right)^{2 k} = \left( \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 A36
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwa jest nierówność [math]\displaystyle{ p_1 + p_2 + \ldots + p_n \gt n^2 }[/math].

Dowód

Korzystając z twierdzeń A7 i A35 możemy napisać następujący ciąg nierówności dla [math]\displaystyle{ n }[/math] kolejnych liczb pierwszych

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

Stąd otrzymujemy natychmiast tezę twierdzenia, którą sprawdzamy dla [math]\displaystyle{ n \lt 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 \gt 0 }[/math] istnieje takie [math]\displaystyle{ n_0 }[/math], że dla każdego [math]\displaystyle{ n \gt n_0 }[/math] prawdziwa jest nierówność [math]\displaystyle{ \log x \lt 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 A37
Prawdziwe są następujące nierówności:

1.    [math]\displaystyle{ e^x \gt x \qquad \qquad \qquad \quad \:\, }[/math] dla każdego [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math]
2.    [math]\displaystyle{ \log x \lt 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]
3.    [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]
Dowód

Punkt 1.

Można powiedzieć, że dowód pierwszej nierówności jest oczywisty, bo każdy z nas ma przed oczami wykres funkcji [math]\displaystyle{ e^x }[/math] i [math]\displaystyle{ x }[/math]:

A Czebyszew-wykres-2.png

Komu taki dowód obrazkowy nie wystarcza, może posłużyć się rozwinięciem funkcji [math]\displaystyle{ e^x }[/math] w szereg nieskończony

[math]\displaystyle{ e^x = \underset{k = 0}{\overset{\infty}{\sum}} \frac{x^k}{k!} = 1 + x + \frac{1}{2} x^2 + \frac{1}{6} x^3 + \ldots }[/math]

zbieżny dla dowolnego [math]\displaystyle{ x \in \mathbb{R} }[/math]. Teraz wystarczy zauważyć, że:

  • dla [math]\displaystyle{ x \gt 0 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie: [math]\displaystyle{ e^x \gt 1 + x \gt x }[/math]
  • w punkcie [math]\displaystyle{ x = 0 }[/math] mamy [math]\displaystyle{ e^x = 1 }[/math] i [math]\displaystyle{ x = 0 }[/math]
  • dla [math]\displaystyle{ x \lt 0 }[/math] funkcja [math]\displaystyle{ e^x }[/math] jest dodatnia, a funkcja [math]\displaystyle{ x }[/math] ujemna

Punkt 2.

W drugiej nierówności połóżmy zmienną pomocniczą [math]\displaystyle{ x = e^y }[/math], gdzie [math]\displaystyle{ y \in \mathbb{R} }[/math]. Otrzymujemy

[math]\displaystyle{ y \lt n \cdot (e^y)^{1 / n} }[/math]

czyli

[math]\displaystyle{ \frac{y}{n} \lt e^{y / n} }[/math]

Kładąc [math]\displaystyle{ z = \frac{y}{n} }[/math], gdzie [math]\displaystyle{ z \in \mathbb{R} }[/math], mamy [math]\displaystyle{ z \lt e^z }[/math]. Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla każdego [math]\displaystyle{ z \in \mathbb{R} }[/math] na mocy punktu 1 tego twierdzenia.

Punkt 3.

Rozważmy funkcję

[math]\displaystyle{ f(x) = n \cdot x^{1 / n} - \log x }[/math]

Pochodna tej funkcji jest równa

[math]\displaystyle{ f' (x) = \frac{x^{1 / n} - 1}{x} }[/math]

Pochodna jest równa zero dla [math]\displaystyle{ x = 1 }[/math]. Dla [math]\displaystyle{ 0 \lt x \lt 1 }[/math] pochodna jest ujemna, a dla [math]\displaystyle{ x \gt 1 }[/math] jest dodatnia, zatem w punkcie [math]\displaystyle{ x = 1 }[/math] funkcja [math]\displaystyle{ f(x) }[/math] ma minimum i [math]\displaystyle{ f(1) = n }[/math]. Wynika stąd oszacowanie

[math]\displaystyle{ f(x) = n \cdot x^{1 / n} - \log x \geqslant n }[/math]

Skąd otrzymujemy

[math]\displaystyle{ \log x \leqslant n (x^{1 / n} - 1) }[/math]

□


Twierdzenie A38
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}{\lt } p_n \underset{n \geqslant 2}{\lt } n^2 }[/math]
[math]\displaystyle{ \sqrt{n} \underset{n \geqslant 5}{\lt } \pi (n) \underset{n \geqslant 64721}{\lt } \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 \gt 0.72 \cdot n \log n }[/math]. Wystarczy rozwiązać nierówność:

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

czyli [math]\displaystyle{ n \gt \exp \left( \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 \lt 2 n \log n }[/math]. Zatem wystarczy pokazać, że [math]\displaystyle{ 2 n \log n \lt n^2 }[/math]. Korzystając z twierdzenia A37, łatwo zauważmy, że dla [math]\displaystyle{ n \gt 16 }[/math] jest:

[math]\displaystyle{ n - 2 \log n \gt n - 2 \cdot 2 \cdot n^{1 / 2} = \sqrt{n} \left( \sqrt{n} - 4 \right) \gt 0 }[/math]

Przypadki [math]\displaystyle{ n \leqslant 16 }[/math] sprawdzamy bezpośrednio.


Lewa dolna nierówność. Z twierdzenia A1 wiemy, że dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 3 }[/math] jest [math]\displaystyle{ \pi (n) \gt \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} }[/math]. Zatem wystarczy pokazać, że [math]\displaystyle{ \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} \gt \sqrt{n} }[/math]. Korzystając z twierdzenia A37, łatwo zauważmy, że dla [math]\displaystyle{ n \gt 6^4 = 1296 }[/math] jest:

[math]\displaystyle{ \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{\log n} - \sqrt{n} \gt \frac{2}{3} \cdot \frac{n}{4 \cdot n^{1 / 4}} - \sqrt{n} = \frac{1}{6} \cdot n^{3 / 4} - \sqrt{n} = \frac{1}{6} \sqrt{n} (n^{1 / 4} - 6) \gt 0 }[/math]

Sprawdzenie przypadków [math]\displaystyle{ n \leqslant 1296 }[/math] sprowadza się do wpisania w PARI/GP polecenia:

for(n=1, 2000, 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) \lt \frac{2 n}{\log n} }[/math]. Zatem wystarczy pokazać, że [math]\displaystyle{ \frac{2 n}{\log n} \lt \frac{n}{10} }[/math]. Nierówność ta jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ \log n \gt 20 }[/math], czyli dla

[math]\displaystyle{ n \gt e^{20} \gt 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 A39
Dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math] prawdziwe jest oszacowanie

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

Korzystając kolejno z twierdzeń A30, A37 i A7, łatwo otrzymujemy

[math]\displaystyle{ (p_{n^2})^{n / 3} \lt (2 \cdot n^2 \cdot \log n^2)^{n / 3} }[/math]
[math]\displaystyle{ \;\; = (4 \cdot n^2 \cdot \log n)^{n / 3} }[/math]
[math]\displaystyle{ \;\; \lt (8 \cdot n^{5 / 2})^{n / 3} }[/math]
[math]\displaystyle{ \;\; = (2 \cdot n^{5 / 6})^n }[/math]
[math]\displaystyle{ \;\; \lt n^n }[/math]
[math]\displaystyle{ \;\; \lt p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n }[/math]

Zauważmy, że nierówność [math]\displaystyle{ 2 \cdot n^{5 / 6} \lt n }[/math] jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ n \gt 2^6 }[/math]. Sprawdzając bezpośrednio dla [math]\displaystyle{ n \leqslant 64 }[/math] stwierdzamy, że dowodzona nierówność jest prawdziwa dla [math]\displaystyle{ n \geqslant 1 }[/math].
□


Zadanie A40
Korzystając z twierdzenia A39 pokazać, że

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

Punkt 1.

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

[math]\displaystyle{ p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n \gt (p_{n^2})^{n / 3} \gt (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 \gt 2 n }[/math] dla [math]\displaystyle{ n \gt 2 }[/math] oraz [math]\displaystyle{ {\small\frac{n}{3}} \gt 3 }[/math] dla [math]\displaystyle{ n \gt 9 }[/math], to dla [math]\displaystyle{ n \gt 9 }[/math] jest

[math]\displaystyle{ p_1 p_2 \cdot \ldots \cdot p_n \gt (p_{n^2})^{n / 3} \gt (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 A41
Każda liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math], taka że [math]\displaystyle{ p \in \left( \frac{n}{2}, n \right] }[/math] występuje w rozwinięciu [math]\displaystyle{ n! }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden.

Dowód

Z twierdzenia A21 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 \frac{n}{p^k} \right\rfloor }[/math]

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

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

□


Rezultat uzyskany w twierdzeniu A25 zainspirował nas do postawienia pytania: jakie warunki musi spełniać liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math], aby występowała w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ \binom{2 n}{n} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden lub równym zero? Twierdzenia A42 i A44 udzielają na to pytanie precyzyjnej odpowiedzi. Przykłady A43 i A45 to tylko twierdzenia A42 i A44 dla wybranych wartości liczby [math]\displaystyle{ k }[/math]. Jeśli Czytelnik nie miał problemów ze zrozumieniem dowodów twierdzeń A42 i A44, to może je pominąć.


Twierdzenie A42
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( \frac{n}{k + 1}, \frac{n}{k + \frac{1}{2}} \right] }[/math], to [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ \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{ \binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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{ \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{ \binom{2 n}{n} }[/math] w postaci ułamka

[math]\displaystyle{ \binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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 \gt 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 \gt 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 \gt 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(\frac{n}{k + 1}, \frac{n}{k + \frac{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{ \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{ \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( \frac{n}{k + 1}, \frac{n}{k + \frac{1}{2}} \right] }[/math]

Warunek ten będzie z pewnością spełniony, gdy

[math]\displaystyle{ q \leqslant 2 k + 1 \leqslant \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 \lt 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 \lt 2 (k + 1) (k + \tfrac{1}{2}) }[/math].


Dowód na podstawie twierdzenia A24

Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{s}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \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 \gt \frac{n}{k + 1} \quad\ \implies \quad \frac{n}{p} \lt k + 1 \quad\ \implies \quad \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \leqslant k }[/math]

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

Zatem

[math]\displaystyle{ \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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 \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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 \gt \frac{n}{k + 1} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p} \lt 2 k + 2 \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \frac{(2 n)^s}{p^s} \lt (2 k + 2)^s \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \frac{2 n}{p^s} \lt \frac{(2 k + 2)^2}{2 n} \cdot \left( \frac{2 k + 2}{2 n} \right)^{s - 2} \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \frac{2 n}{p^s} \lt \frac{(2 k + 2)^2}{2 n} \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \frac{2 n}{p^s} \lt 1 \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \! \! \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p^s} \right\rfloor = 0 }[/math]

Jeżeli [math]\displaystyle{ \left\lfloor \frac{2 n}{p^s} \right\rfloor = 0 }[/math], to również musi być [math]\displaystyle{ \left\lfloor \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 \frac{2 n}{p^{s}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{s}} \right \rfloor \right ) = 1 }[/math]

Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości [math]\displaystyle{ n \lt 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 A43
Jeżeli [math]\displaystyle{ n \geqslant 6 }[/math] i liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( \frac{n}{2}, \frac{2 n}{3} \right] }[/math], to [math]\displaystyle{ p }[/math] występuje w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ \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{ \binom{2 n}{n} }[/math] w postaci ułamka

[math]\displaystyle{ \binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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 \gt 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 \gt n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej dwa razy w liczniku
  • [math]\displaystyle{ 4 p \gt 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( \tfrac{n}{2}, \tfrac{2 n}{3} \right] }[/math] pojawia się dokładnie jeden raz w mianowniku i dokładnie dwa razy w liczniku ułamka

[math]\displaystyle{ \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{ \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( \tfrac{n}{2}, \tfrac{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{ \binom{10}{5} = 252 = 9 \cdot 28 }[/math]


Dowód na podstawie twierdzenia A24

Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \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 \gt \frac{n}{2} \quad \implies \quad \frac{n}{p} \lt 2 \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \leqslant 1 }[/math]
2)    [math]\displaystyle{ p \leqslant \frac{2 n}{3} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p} \geqslant 3 \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor \geqslant 3 }[/math]

Zatem

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

Jeżeli [math]\displaystyle{ \left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = 0 }[/math], to również musi być [math]\displaystyle{ \left\lfloor \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 \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \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( \tfrac{n}{2}, \tfrac{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{ \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( \tfrac{n}{2}, \tfrac{2 n}{3} \right] }[/math] wchodzi do rozkładu liczby [math]\displaystyle{ \binom{2 n}{n} }[/math] na czynniki pierwsze z wykładnikiem równym jeden.
□


Twierdzenie A44
Niech [math]\displaystyle{ k }[/math] będzie dowolną ustaloną liczbą całkowitą dodatnią. Jeżeli liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( \frac{n}{k + \tfrac{1}{2}}, \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{ \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{ \binom{2 n}{n} }[/math] w postaci ułamka

[math]\displaystyle{ \binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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 \gt 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 \gt 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 \gt 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( \frac{n}{k + \frac{1}{2}}, \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{ \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{ \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( \frac{n}{k + \frac{1}{2}}, \frac{n}{k} \right] }[/math]

Warunek ten będzie z pewnością spełniony, gdy

[math]\displaystyle{ q \leqslant 2 k \leqslant \frac{n}{k + \frac{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 \lt 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 \lt 2 k (k + \tfrac{1}{2}) }[/math].


Dowód na podstawie twierdzenia A24

Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{s = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{s}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \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 \gt \frac{n}{k + \frac{1}{2}} \quad\ \implies \quad \frac{2 n}{p} \lt 2 k + 1 \quad\ \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor \leqslant 2 k }[/math]

2)    [math]\displaystyle{ p \leqslant \frac{n}{k} \quad\ \implies \quad \frac{n}{p} \geqslant k \quad\ \implies \quad \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \geqslant k }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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 \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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 \gt \frac{2 n}{2 k + 1} \quad \implies \quad \frac{(2 n)^s}{p^s} \lt (2 k + 1)^s \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \; \implies \quad \frac{2 n}{p^s} \lt \frac{(2 k + 1)^2}{2 n} \cdot \left( \frac{2 k + 1}{2 n} \right)^{s - 2} \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \; \implies \quad \frac{2 n}{p^s} \lt \frac{(2 k + 1)^2}{2 n} \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \; \implies \quad \frac{2 n}{p^s} \lt 1 \quad \implies }[/math]
[math]\displaystyle{ \qquad \qquad \qquad \; \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p^s} \right\rfloor = 0 }[/math]

Jeżeli [math]\displaystyle{ \left\lfloor \frac{2 n}{p^s} \right\rfloor = 0 }[/math], to również musi być [math]\displaystyle{ \left\lfloor \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 \frac{2 n}{p^{s}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \frac{n}{p^{s}} \right \rfloor \right ) = 0 }[/math]

Pozostaje bezpośrednio sprawdzić, dla jakich wartości [math]\displaystyle{ n \lt \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 A45
Jeżeli [math]\displaystyle{ n \geqslant 8 }[/math] i liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p \in \left( \frac{2 n}{5}, \frac{n}{2} \right] }[/math], to [math]\displaystyle{ p }[/math] nie występuje w rozwinięciu liczby [math]\displaystyle{ \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{ \binom{2 n}{n} }[/math] w postaci ułamka

[math]\displaystyle{ \binom{2 n}{n} = \frac{(2 n) !}{(n!)^2} = \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 \gt 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 \gt n }[/math]) zapewnia nam, że liczba [math]\displaystyle{ p }[/math] pojawi się co najmniej dwa razy w liczniku
  • [math]\displaystyle{ 5 p \gt 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( \tfrac{2 n}{5}, \tfrac{n}{2} \right] }[/math] pojawia się dokładnie dwa razy w mianowniku i dokładnie dwa razy w liczniku ułamka

[math]\displaystyle{ \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{ \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( \tfrac{2 n}{5}, \tfrac{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{ \binom{14}{7} = 3432 }[/math]


Dowód na podstawie twierdzenia A24

Rozważmy najpierw pierwszy składnik sumy

[math]\displaystyle{ \sum^{\infty}_{k = 1} \left ( \left \lfloor \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \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 \gt \frac{2 n}{5} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p} \lt 5 \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor \leqslant 4 }[/math]
2)    [math]\displaystyle{ p \leqslant \frac{n}{2} \quad \implies \quad \frac{n}{p} \geqslant 2 \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor \geqslant 2 }[/math]

Zatem

[math]\displaystyle{ \left\lfloor \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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 \frac{2 n}{p} \right\rfloor - 2 \left\lfloor \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 \gt \frac{2 n}{5} \quad \implies \quad \frac{(2 n)^k}{p^k} \lt 5^k \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} \lt \frac{25}{2 n} \cdot \left( \frac{5}{2 n} \right)^{k - 2} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} \leqslant \frac{25}{2 n} \quad \implies \quad \frac{2 n}{p^k} \leqslant \frac{25}{26} \quad \implies \quad \left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = 0 }[/math]

Jeżeli [math]\displaystyle{ \left\lfloor \frac{2 n}{p^k} \right\rfloor = 0 }[/math], to również musi być [math]\displaystyle{ \left\lfloor \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 \frac{2 n}{p^{k}} \right \rfloor - 2 \left \lfloor \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( \tfrac{2 n}{5}, \tfrac{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{ \binom{20}{10} = 184756 }[/math], [math]\displaystyle{ \binom{22}{11} = 705432 }[/math] oraz [math]\displaystyle{ \binom{24}{12} = 2704156 }[/math].

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


Uwaga A46
Z przykładu A43 nie wynika, że w przedziale [math]\displaystyle{ \left( \frac{n}{2}, \frac{2 n}{3} \right] }[/math] znajduje się choćby jedna liczba pierwsza [math]\displaystyle{ p }[/math]. Analogiczna uwaga jest prawdziwa w przypadku przykładu A45 oraz twierdzeń A42 i A44. Istnienie liczby pierwszej w określonym przedziale będzie tematem kolejnego artykułu.


Przykład A47
Pokazujemy i omawiamy wynik zastosowania twierdzeń A42 i A44 do współczynnika dwumianowego [math]\displaystyle{ \binom{2 \cdot 3284}{3284} }[/math]. Można udowodnić, że granicę stosowalności obu twierdzeń bardzo dokładnie opisuje warunek [math]\displaystyle{ p \gt \sqrt{2 n} }[/math], co w naszym przypadku daje [math]\displaystyle{ p \gt \sqrt{2 \cdot 3284} \approx 81.04 }[/math].

Pokaż przykład

Wybraliśmy współczynnik dwumianowy [math]\displaystyle{ \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{ \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 A42 i A44 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{ \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 A42, jest [math]\displaystyle{ k = 39 }[/math]. Podobnie największą wartością liczby [math]\displaystyle{ k }[/math], dla jakiej można jeszcze stosować twierdzenie A44, jest [math]\displaystyle{ k = 40 }[/math]. Wartości te i odpowiadające im przedziały zostały pogrubione, aby uwidocznić granicę stosowania tych twierdzeń. Łatwo odczytujemy, że twierdzenia A42 i A44 można stosować dla liczb pierwszych [math]\displaystyle{ p }[/math] spełniających warunek [math]\displaystyle{ p \gt 81.09 }[/math]. Co bardzo dokładnie pokrywa się z warunkiem [math]\displaystyle{ p \gt \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{ \binom{2 \cdot 3284}{3284} }[/math] na czynniki pierwsze.

[math]\displaystyle{ k }[/math] [math]\displaystyle{ \frac{3284}{k+1} }[/math] [math]\displaystyle{ p \in \left ( \frac{3284}{k + 1}, \frac{3284}{k + \tfrac{1}{2}} \right ] }[/math] [math]\displaystyle{ \frac{3284}{k+\tfrac{1}{2}} }[/math] [math]\displaystyle{ \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


□








Przypisy

  1. ↑ Wikipedia, PARI/GP, (Wiki-en)
  2. ↑ Wikipedia, Pafnuty Czebyszew (1821 - 1893), (Wiki-pl), (Wiki-ru)
  3. ↑ P. L. Chebyshev, Mémoire sur les nombres premiers, J. de Math. Pures Appl. (1) 17 (1852), 366-390, (LINK)
  4. ↑ P. Erdos, Beweis eines Satzes von Tschebyschef, Acta Litt. Sci. Szeged 5 (1932), 194-198, (LINK1), (LINK2)
  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.
  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
  7. ↑ P. Dusart, Estimates of some functions over primes without R.H., (2010), (LINK)
  8. ↑ P. Dusart, Explicit estimates of some functions over primes, Ramanujan Journal. 45 (1) (January 2018) pp. 225-234.
  9. ↑ Wikipedia, Twierdzenie o zbieżności ciągu monotonicznego, (LINK)






 

Źródło: „https://henryk-dabrowski.pl/index.php?title=Henryk_Dąbrowski&oldid=660”