Historia de los números primos

Los números primos y sus propiedades fueron estudiados de manera exhaustiva por los matemáticos de la antigua Grecia.

Los matemáticos de la Escuela Pitagórica (500 a. C. a 300 a. C.) estaban interesados en los números por su misticismo y sus propiedades numerológicas. Ellos comprendían la idea de primalidad y estaban interesados en los números perfectos y amigables. Un número perfecto es aquel que la suma de sus divisores propios da como resultado el número en si mismo. Por ejemplo, el número 6 tiene como divisores propios al 1, 2 y al 3 y 1 + 2 + 3 = 6, 28 tiene divisores 1, 2, 4, 7 y 14 y 1 + 2 + 4 + 7 + 14 = 28. Un par de números amigables es un par como 220 y 284 tal que los divisores propios de un número suman el otro y viceversa. Puede ver más acerca de estos números en el artículo de Números Perfectos en la sección de Artículos de Historia de las Matemáticas.

Para el momento en que los Elementos Euclidianos aparecieron por el 300 a. C., ya habían sido probados varios resultados importantes acerca de números primos. En el Libro IX de los Elementos, Euclides prueba que hay infinidad de números primos. Esta es una de las primeras demostraciones conocidas en la que se utiliza el método del absurdo para establecer el resultado. Euclides también demuestra el Teorema Fundamental de Aritmética: Todo entero puede ser escrito como un producto único de primos. Euclides también demostró que si el número 2ⁿ - 1 es primo, entonces el número 2^n-1(2ⁿ - 1) es un número perfecto.

El matemático Euler (más tarde, en 1747) pudo demostrar que todos, aún los números perfectos, tienen esta forma. Hasta el día de hoy no se sabe si existe algún número perfecto que sea impar. Cerca del 200 a. C. el Griego Eratóstenes ideó un algoritmo para calcular números primos llamado el Tamiz de Eratóstenes. Se da luego un gran vacío en la historia de los números primos que es usualmente llamado la Edad Obscura. El próximo gran descubrimiento fue realizado por Fermat en los inicios del siglo XVII. El demostró que la teoría de Albert Girard de que cada número primo de la forma 4 n + 1 puede ser escrito de una manera única como la suma de 2 cuadrados y demostró como cualquier número puede ser escrito como la suma de cuatro cuadrados. Ideó un nuevo método de factorización de números largos que demostró por medio de la factorización del número 2027651281 = 44021 × 46061.

Probó lo que se conoce como El pequeño teorema de Fermat (para distinguirlo del llamado Ultimo Teorema). Este establece que si p es un número primo entonces para cualquier entero a obtenemos que a^p = a modulo p. Esto prueba la mitad de lo que se ha llamado la Hipótesis China que data de unos 2000 años antes, y que dice que un entero n es primo si y solo si el número 2ⁿ - 2 es divisible por n. La otra mitad es falsa, ya que, por ejemplo, 2³⁴¹ - 2 es divisible por 341 aún cuando 341 = 31 × 11 es compuesto. El Pequeño Teorema de Fermat es la base de otros muchos resultados en la Teoría de Números y es la base de métodos de verificación de números primos que se utilizan aún hoy en ordenadores electrónicos. Fermat mantuvo correspondencia con otros matemáticos de su época, y en particular con el monje Marín Mersenne. En una de sus cartas a Mersenne, él conjetura que los números 2ⁿ + 1 eran siempre primos si n es una potencia de 2. El había verificado esto para n = 1, 2, 4, 8 y 16 y sabía que si n no era una potencia de 2, el resultado fallaba. Los números de esta forma son llamados Números de Fermat y no fue hasta más de 100 años más tarde que Euler demostró que 2³² + 1 = 4294967297 es divisible por 641 y por tanto no es primo. Los números de la forma 2ⁿ - 1 también atrajeron la atención porque es muy fácil demostrar que a menos que n sea primo, este número será compuesto. A menudo éstos son llamados Números primos de Mersenne M_n, dado que Mersenne los estudió.

No todos los números de la forma 2ⁿ - 1 con n primo son primos. Por ejemplo 2¹¹ - 1 = 2047 = 23 × 89 es compuesto, aunque fue notado por primera vez en 1536. Durante muchos años los números obtenidos de esta forma fueron los primos más largos conocidos. Cataldi probó que el número M₁₉ es primo en 1588 y fue el primo más grande conocido por unos 200 años hasta que Euler probó que M₃₁ es primo. Este marcó el récord por otra centuria hasta que Lucas demostró que M₁₂₇ (el cual tiene 39 dígitos) es primo, tomando el récord hasta la era de la computadora electrónica. En 1952 Robinson probó que los números primos de Mersenne M₅₂₁, M₆₀₇, M₁₂₇₉, M₂₂₀₃ y M₂₂₈₁ son primos utilizando un modelo temprano de ordenador comenzando así la era electrónica. Para el 2005 habían sido encontrados un total de 42 primos de Mersenne. El más grande es M_25964951, el cual tiene 7816230 dígitos decimales. El trabajo de Euler tuvo un gran impacto en la teoría numérica en general y sobre la de primos en particular. Él amplió el Teorema Pequeño de Fermat e introdujo la función φ de Euler. Como mencionamos antes, factorizó el 5^o número Fermat 2³² + 1, y encontró 60 pares de números amigables a los que nos referimos anteriormente, y estableció (pero no pudo demostrar) lo que se conoce como la Ley de Reciprocidad Cuadrática. Fue el primero en notar que la Teoría de Números puede ser estudiada utilizando las herramientas del análisis y así fundo el objeto de la Teoría del Análisis Numérico.

Él demostró que no solo las llamadas series Armónicas ∑ (1/n) divergen, sino que las series 1/2 + 1/3 + 1/5 + 1/7 + 1/11 + … formadas por la suma de los recíprocos de los números primos, son también divergentes. La suma de n términos en las series armónicas crece rápidamente como log(n), mientras que las series tardías divergen más lentamente como log[ log(n) ]. Esto significa, por ejemplo, que sumando los recíprocos de todos los primos que hemos listado, aún en las más poderosas computadoras, solo da un resultado próximo a 4, pero la serie continúa divergiendo a infinito. A primera vista, los primos parecen estar distribuidos de manera caótica entre los enteros. Por ejemplo entre los 100 números anteriores a 10 000 000 hay 9 primos, mientras que entre los 100 números posteriores hay solo 2 primos. Sin embargo, tomando una escala mayor, la distribución de los números primos es bastante regular. Legendre y Gauss realizaron exhaustivos cálculos sobre la densidad de los números primos. Gauss (que fue un calculador prodigioso) le dijo a un amigo que siempre que tenía 15 minutos libres los gastaba en contar los primos existentes en un ‘chiliad‘ (rango de 1000 números).

Para el final de su vida se estima que había contado todos los primos existentes en un rango de cerca de 3 millones. Legendre y Gauss llegaron a la conclusión de que para un largo de n la densidad de los primos cercanos a n es de aproximadamente 1/log(n). Legendre dio una estimación para π(n) del número de primos ≤n de π(n) = n / (log(n) - 1.08366) mientras la estimación de Gauss es en términos de Integrales Logarítmicas π (n) = ∫ 1/log(t) dt dónde el tramo de integración va de 2 a n. Podéis ver la Estimación de Legendre y la Estimación de Gauss y compararlas. Al enunciado de que la densidad de primos es 1/log(n) se le conoce como el Teorema de Números Primos. Los intentos por probarlo continuaron durante el Siglo XIX, con los notables progresos realizados por Chebyshev y Riemann quien pudo relacionar este problema con algo llamado la Hipótesis de Riemann: un resultado aún sin probar acerca de los ceros en el plano complejo de algo llamado la función-zeta de Riemann. Los resultados fueron demostrados (utilizando poderosos métodos de análisis complejo) por Hadamard y Vallée Poussin en 1896. Aún quedan abiertas muchas preguntas (algunas de ellas datan de hace más de cien años) relacionadas a los números primos. Algunos problemas no resueltos

1. La Conjetura de los Primos Gemelos que dice que existen infinidad de pares de números primos.
2. La Conjetura de Goldbach (realizada en una carta de C Goldbach a Euler en 1742) de que cada entero par mayor que 2 puede ser escrito como la suma de 2 primos.
3. ¿Existen muchos primos de la forma n² + 1 ? (Dirichlet probo que cada progresión aritmética: {a + bn | n ∈ N} con a, b coprimos contiene infinidad de primos).
4. ¿Siempre existe un primo entre n² y (n + 1)² ? (El hecho de que siempre exista un número primo entre n y 2n se llama la Conjetura de Bertrand y fue demostrada por Chebyshev.)
5. ¿Existe una infinidad de números primos de Fermat? De hecho, ¿hay algún número primo de Fermat luego del cuarto?
6. ¿Hay alguna progresión aritmética de primos consecutivos para cualquier largo (finito) dado? Por ejemplo, 251, 257, 263, 269 tiene largo 4. El ejemplo más largo conocido tiene largo 10.
7. Existen infinitos conjuntos de 3 primos consecutivos en progresiones aritméticas. (Verdadero si omitimos la palabra consecutivos).
8. n² - n + 41 es primo en 0 ≤ n ≤ 40. ¿Hay infinitos primos de esta forma? La misma pregunta se aplica a n² - 79 n + 1601 que es primo en 0 ≤ n ≤ 79.
9. ¿Existen infinitos primos de la forma n# + 1? (dónde n# es el producto de todos los primos ≤ n.)
10. ¿Existen infinitos primos de la forma n# - 1?
11. ¿Existen infinitos primos de la forma n! + 1?
12. ¿Existen infinitos primos de la forma n! - 1?
13. Si p es primo, ¿2^p - 1 es siempre libre de cuadrados? Es decir, no divisible por el cuadrado de un primo.
14. ¿Contiene la secuencia de Fibonacci un número infinito de primos?

Aquí hay algunos de los últimos récords de números primos que conocemos. El número primo más grande conocido (encontrado por GIMPS [Gran Buscador de Internet de Primos Mersenne] en febrero de 2005) es el 42^o primo de Mersenne: M_25964951 que tiene 7816230 dígitos decimales. Vea el Anuncio Oficial (en inglés). Los primos gemelos más grandes conocidos son 242206083 × 2³⁸⁸⁸⁰ ± 1. Tienen 11713 dígitos y fueron anunciados por Indlekofer y Ja’rai en noviembre de 1995. El número primo factorial más grande conocido (primo de la forma n! ± 1) es 3610! - 1. Es un número de 11277 dígitos y fue anunciado por Caldwell en 1993. El número primo primorial más grande conocido (primo de la forma n# ± 1, dónde n# es el producto de todos los primos ≤ n) es 24029# + 1. Es un número de 10387 dígitos y fue anunciado por Caldwell en 1993. Autores: J J O’Connor y E F Robertson MacTutor History of Mathematics Referencias (21 libros/articulos)

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Otros sitios Web: Puede encontrar más acerca de El Gran Buscador de Internet de Primos de Mersenne en GIMPS home page (en inglés). Puede encontrar más acerca de números primos en Universidad de Tennessee, EUA (en inglés).

http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/HistTopics/Prime_numbers.html