home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / math / 10478 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-08-21  |  3.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!cs.utexas.edu!sdd.hp.com!samsung!balrog!web.ctron.com!wilson
  2. From: wilson@web.ctron.com
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: u(v^n)w prime puzzle (SPOILER)
  5. Message-ID: <4796@balrog.ctron.com>
  6. Date: 21 Aug 92 15:11:07 GMT
  7. Sender: usenet@balrog.ctron.com
  8. Reply-To: wilson@web.ctron.com ()
  9. Organization: Cabletron Systems INc.
  10. Lines: 105
  11. Nntp-Posting-Host: web
  12. Originator: wilson@web
  13.  
  14.  
  15.  
  16.     Let B >= 2.  For string s over the base-B digits, let val(s) be the
  17.     integer value of s as a base-B numeral (if s is the empty string,
  18.     val(s) = 0).
  19.  
  20.     Choose strings u, v, and w of base-B digits, and for integer n >= 0,
  21.     let
  22.  
  23.                      n
  24.     f(n) = val(uv w)
  25.  
  26.     Since val(s) >= 0 for all s, f(n) >= 0 for all n.  We wish to show
  27.     the either f(n) is a constant function of n, or that some f(n) is
  28.     composite.
  29.  
  30.     It is not hard to show that there exist nonnegative integers a, b, c
  31.     such that a >= 0, b >= 0, and
  32.  
  33.     f(n) =    a        if n = 0
  34.         b*f(n-1)+c    if n > 0.
  35.  
  36.     (The values of a, b, and c in terms of u, v, and w are left to the
  37.     interested reader).
  38.  
  39.     If b = 0, or if b = 1 and c = 0, f(n) is constant.
  40.  
  41.     Otherwise, f(n) is increasing in n, and we wish to show that
  42.     some f(n) is not prime.  Suppose, then, that all f(n) are prime.
  43.  
  44.     Since f(n) increases in n, choose n with f(n) > b.  Since f(n) is
  45.     prime, we have (b, f(n)) = 1.  Let p = f(n).
  46.  
  47.     Now observe the residues of the infinite sequence f(n), f(n+1), ...
  48.     mod p.  Because of the recurrence f(n) = b*f(n-1)+c, and the number
  49.     of residues mod p is finite, the sequence of residues eventually
  50.     becomes cyclic.
  51.  
  52.     Suppose the residue cycle starts at f(n+j), j >= 1.  Clearly, the
  53.     cycle has some length k <= p.  Since f(n+j) is in the cycle, we have
  54.  
  55.     f(n+j) == f(n+j+k) (mod p)
  56.  
  57.     However, f(n+j-1) is not in the cycle, so
  58.  
  59.     f(n+j-1) ~== f(n+j+k-1) (mod p)
  60.  
  61.     Because (b, p) == 1
  62.  
  63.     b*f(n+j-1)+c ~== b*f(n+j+k-1)+c (mod p)
  64.  
  65.     and by the recursion for f(n),
  66.  
  67.     f(n+j) ~== f(n+j+k) (mod p)
  68.  
  69.     a contradiction.  We must therefore conclude that j = 0, and the
  70.     cycle starts at f(n), so that
  71.  
  72.     f(n) == f(n+k) (mod p).
  73.  
  74.     But f(n) = p, so
  75.  
  76.     f(n+k) == 0 (mod p).
  77.  
  78.     also, f(n) is increasing, so f(n+k) > f(n) = p.  This means that
  79.     f(n+k) is a composite multiple of p, as required.
  80.  
  81.         -------<>------
  82.  
  83.     Let us look at an example.  Let B = 10, u = "1", v = "36", w = "1".
  84.     We then have
  85.  
  86.     f(0) = 11
  87.     f(1) = 1361
  88.     f(2) = 136361
  89.     f(3) = 13636361
  90.     f(4) = 1363636361
  91.     ...
  92.  
  93.     all primes so far.  How do we locate the composite?
  94.  
  95.     First, we find the recursion
  96.  
  97.     f(0) = 11
  98.     f(n) = 100 f(n-1) + 261
  99.  
  100.     (a = 11, b = 100, c = 261)
  101.  
  102.     Now, we choose n so that (f(n), b) = 1.  In this case, n = 0, and
  103.     f(n) = 11 works fine.  Let p = f(n) = 11.
  104.  
  105.     Next, look at the residues of f(n), f(n+1), ... mod 11.  They are
  106.  
  107.     n            0  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11
  108.     f(n) (mod 11)    0  8  5  2 10  7  4  1  9  6  3  0
  109.  
  110.     At n = 11, we see that f(n) == 0 (mod 11), as guaranteed by the
  111.     theorem, and so 11 | f(11).  Since f(n) increases, f(11) > 11,
  112.     so f(11) is composite.
  113.  
  114. -- 
  115. David W. Wilson (wilson@ctron.com)
  116.  
  117. Disclaimer: "Truth is just truth...You can't have opinions about truth."
  118. - Peter Schikele, introduction to P.D.Q. Bach's oratorio "The Seasonings."
  119.