home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / math / 10407 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-08-19  |  3.9 KB

  1. Path: sparky!uunet!zephyr.ens.tek.com!uw-beaver!ubc-cs!destroyer!sol.ctr.columbia.edu!ira.uka.de!Germany.EU.net!ecrc!acrab20!jeanmarc
  2. From: jeanmarc@ecrc.de (Jean-Marc Andreoli)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: u(v^n)w prime puzzle
  5. Message-ID: <1992Aug19.141957.17410@ecrc.de>
  6. Date: 19 Aug 92 14:19:57 GMT
  7. References: <1992Aug18.171532.14274@wri.com>
  8. Sender: news@ecrc.de
  9. Reply-To: jeanmarc@ecrc.de
  10. Organization: European Computer industry Research Centre GmbH.
  11. Lines: 106
  12.  
  13. In article 14274@wri.com, roach@bikini.wri.com (Kelly Roach) writes:
  14. >
  15. >
  16. >
  17. >     Prove or disprove:  There are three non-empty
  18. >     strings of digits u,v,w such that all the
  19. >     numbers in
  20. >          L = {u(v^n)w | n is a natural number}
  21. >            = {uw, uvw, uvvw, uvvvw, uvvvvw, ...}
  22. >     are prime numbers.
  23. >
  24. >
  25. >     Time to say a few more words about my u(v^n)w prime
  26. >puzzle which I posted yesterday.  I am definitely not looking
  27. >for any solutions involving u=v="0".  Ordinary syntax only
  28. >please.  No leading zeros in u.
  29. >     Some interesting patterns:
  30. >
  31. >     u="3",v="3",w="1"
  32. >     31, 331, 3331, 33331, 333331, 3333331, 33333331
  33. >
  34. >     u="1",v="36",w="1"
  35. >     11, 1361, 136361, 13636361, 1363636361, 136363636361
  36. >
  37. >     u="17",v="57",w="09"
  38. >     1709, 175709, 17575709, 1757575709, 175757575709,
  39. >     17575757575709, 1757575757575709, 175757575757575709
  40. >
  41. >Below each line giving u,v,w values appear a lot of prime
  42. >numbers.  These patterns do eventually fail:
  43. >
  44. >     333333331 = 17*19607843
  45. >     13636363636361 = 17*1321*5693*106661
  46. >     17575757575757575709 = 232433*75616446785773
  47. >
  48. >The question is, are there any {u,v,w} examples which do
  49. >not fail?  That always give prime numbers?
  50. >     I know the solution to this puzzle.  I think the
  51. >solution can be understood fairly easily by anyone that
  52. >has had a first course in number theory.  See if you
  53. >can discover it.
  54. >
  55.  
  56. Let x_n be the number u(v^n)w.
  57. Let r be the number of digits in v and z be the sequence of r zeros.
  58.  
  59. x_{n+1}  = uv ........... vvw
  60.             <-- n times -->
  61.  
  62. 10^r x_n = uv ........... vwz
  63.             <-- n times -->
  64.  
  65. Notice that the sequences vw and wz at the end of each number have the same length
  66. hence x_{n+1} - 10^r x_n = (vw - wz)
  67.  
  68. More generally, we have x_{n+1} = a x_n + b
  69. and we have to prove that such a sequence is either constant or contains at least one composite, for any integral values of x_0,a,b (with a>1).
  70.  
  71. This is a well known result, but, just in case, here is a proof.
  72.  
  73. If (a x_0 + b = x_0), then all the term in the sequence are equal to x_0. This is obviously not the case in the proposed sequence u(v^n)w. Now, if not(a x_0 + b = x_0), then the sequence is monotone and we can assume without loss of generality that it is positive increasing (that's the case of the proposed sequence).
  74.  
  75. Assume that x_n contains only (positive) primes.
  76.  
  77. Let p be a prime such that neither p|a nor p|a-1
  78.  
  79. Since not(p|a-1), there exists c such that (a-1) c = 1 (mod p)
  80.  
  81. hence a c = c+1 (mod p) and a b c = b + b c (mod p)
  82.  
  83. x_{n+1} + b c = a x_n + b + b c = a x_n + a b c (mod p)
  84.  
  85. hence x_{n+1} + b c = a(x_n + b c)  (mod p)
  86. and, for all k
  87. x_{n+k} + b c = a^k (x_n + b c)  (mod p)
  88.  
  89. For k = p-1, by Fermat's theorem and not(p|a), we have a^k = 1 (p)
  90.  
  91. Hence x_{n+p-1} = x_n (mod p)
  92.  
  93. Hence, not(x_n = p) otherwise x_{n+p-1} which is strictly greater that x_n
  94. would be divisible by x_n and wouldn't be prime.
  95.  
  96. Therefore,
  97.  
  98. for all p, if p prime and not(p|a) and not(p|a-1) then for all n not(x_n=p)
  99.  
  100. which is equivalent to
  101.  
  102. for all p, if p prime and (exists n, p=x_n)  then p|a or p|a-1
  103.  
  104. By hypothesis, x_n is prime for all n. Hence
  105.  
  106. for all n, x_n|a or x_n|a-1
  107.  
  108. and the sequence cannot be ever increasing, a contradiction.
  109. QED
  110.  
  111. Now, I propose the following question:
  112.  
  113. Is it true that any sequence x_{n+1} = a x_n + b is either constant or contains *infinitely many* composite ? *almost only* composite (i.e. it contains only a finite number of primes) ?
  114.  
  115. ---
  116. Jean-Marc Andreoli
  117. ---
  118. Standard disclaimer.
  119.