TARDÍGRADOS

Ciencia en español -ʟᴀ ʀᴀᴢóɴ ᴇsᴛá ᴀʜí ғᴜᴇʀᴀ-

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Supercomputación tetrádica: primera aproximación hacia una Teoría de la Super-Relativididad

Posted by Albert Zotkin en abril 22, 2018

En este pequeño artículo voy a definir una nueva clase de derivada de una función, y como corolario veremos cómo surge también una nueva variedad de superintegral indefinida.

La forma estándar de definir la derivada de una función f, para un valor x, es la siguiente

\displaystyle f'(x)=\lim _{h\to 0}{\frac {f(x+h)-f(x)}{h}} (1)
De esta forma, la derivada es una especie de medida de la rapidez con la que cambia esa función f. Lo que hemos hecho es incrementar la variable independiente x con un número infinitesimal h. Incrementar aquí es sumar. Pero también podríamos haber incrementado la x con otras operaciones, no sólo con una suma. Por ejemplo, podemos incrementarla mediante la multiplicación por un número muy próximo a la unidad. Definamos la superderivada de la función f de x de la siguiente forma:

\displaystyle \text{SD}(f(x))=\lim _{h\to 0} { \sqrt[h]{ \frac{ f(x(1+h)) }{f(x)} }} (2)
Esta superderivada, al definirla de esta forma, también es una especie de medida de la rapidez con la que cambia esa función f. Se puede demostrar fácilmente que esta superderivada está relacionada con la derivada estándar de esta forma:

\displaystyle \text{SD}(f(x))= \exp\left({ x \frac{f'(x)}{f(x)}}\right) (3)

Por lo tanto es posible hallar la superintegral indefinida de una función f(x), si podemos resolver para y la ecuación diferencial siguiente:

\displaystyle x y' = y \log f(x) (4)
Es decir, tenemos la exponencial siguiente y resolvemos para y:
\displaystyle f(x) = \exp\left(\frac{x y'}{y} \right) (5)
Pongamos un pequeño y simple ejemplo: Sea la función:

\displaystyle f(x) = x^2
Hallemos su superderivada primera:
\displaystyle \text{SD}(f(x))= \exp\left(\frac{x y'}{y} \right) = \\ \\   =\exp\left(\frac{2x^2}{x^2} \right) =  e^2   (6)
y vemos que es la constante e elevada al cuadrado. Hallemos ahora la superintegral indefinida de esa constante e2 (se trata de hallar la función y desde la ecuación diferencial:
\displaystyle  e^2  = \exp\left(\frac{x y'}{y} \right)  \\ \\  y = x^2 \\ \\  y =\text{SI}(e^2)=x^2 (7)
Igualmente, la superintegral indefinida de x2 es:
\displaystyle \text{SI}(x^2)=e^{\frac{1}{4} \log \left(x^2\right)^2} (8)

Las representaciones gráficas de estas tres funciones son así:

Alguien siempre puede decir,”muy bien, todo eso es muy bonito, pero ¿qué aplicaciones nos propones para esa supuesta teoría de la super-relatividad de la que hablas?“.

La primera, y más intuitiva, de las aplicaciones de la supercomputacion, en el terreno del modelado de fenómenos físicos, es el cálculo del efecto Doppler, de la luz que observamos, emitida por un objeto que se mueve respecto a nosotros con una velocidad constante, v, y en un entorno inercial. Acostumbramos a pensar que esa velocidad v es simplemente la primera derivada del espacio respecto al tiempo, y para calcular cómo varía la frecuencia de la luz observada, que fue emitida por ese objeto, debemos aplicar una teoría. pero, ninguna teoría nos estaba diciendo hasta ahora que la frecuencia Doppler observada es simplemente directamente proporcional a la primera superderivada del espacio respecto al tiempo. Es decir:

\displaystyle f= f_0 \;SD(r(x))= f_0 \; e^{\frac{x r'(x)}{r(x)}}
donde f0 es la frecuencia de la luz en el marco de referencia de la fuente y r(x) es la función desplazamiento, es decir, un vector que nos indica la posición de la fuente en nuestro marco de referencia. Veamos más específicamente cómo es este cálculo en un entorno inercial. En tal entorno inercial, la función desplazamiento r(x) es simplemente la función identidad. Es decir, r(x) = x. Por lo tanto la frecuencia Doppler, f, observada es directamente proporcional a la superderivada:

\displaystyle f=  f_0 \; e^{r'(x)} \\ \\  \text{\small donde obviamente } \\ \\  r'(x)= \frac{v}{c}=\beta, \; \text{\small es la beta de la velocidad inercial del objeto}
y c es la velocidad de la luz en el vacío. Más exactamente, se puede afirmar que, en un entorno inercial, se cumple la identidad diferencial:

\displaystyle \frac{x r'(x)}{r(x)} = \frac{v}{c} (9)
Es evidente, que todo esto tiene que ver con las hiperoperaciones y la función de Ackermann. Pero, sigamos con nuestras aplicaciones en el modelado de los fenómenos físicos. ¿Cuál sería nuestra ecuación diferencial equivalente a la (9) de movimiento en un entorno no-inercial?. Un entorno no-inercial, quiere decir, una región espacio-temporal donde la influencia de la gravedad es significativa respecto al movimiento de los objetos. Por ejemplo, en un entorno donde existe un campo gravitatorio significativamente grande, entre objeto que emite la luz y el observador pueden existir una diferencia significativa de potencial gravitatorio. En tal caso la ecuación diferencial de nuestra superderivada se hace “cuadrática”, es decir:

\displaystyle \frac{x r'(x)}{r(x)} = \frac{v^2}{c^2}= \frac{\phi}{c^2} (10)
donde es más que obvio que v2 se identifica con la diferencia de potencial gravitatorio, f, entre objeto y observador.

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Hola, os presento a Tahawus: una extensión de la función W de Lambert

Posted by Albert Zotkin en abril 3, 2018

Hola, amigo incondicional de tardígrados. En mi artículo anterior, hablé entre otras cosas de una constante matemática, a la cuál tuve el atrevimiento de bautizar con el nombre de Tahawus. Se me ocurrió ese nombre por que fue el matemático Richard P. Stanley el primero que demostró hace poco que esa constante es un número transcendente. Le puse Tahawus porque Stanley nació y se crió en un pequeño pueblo minero, del estado de Nueva york, que ya no existe, llamado Tahawus. Ahora es más un pueblo fantasma que otra cosa, ya que sus pocos habitantes se trasladaron a Newcomb. Pero, aquí lo que nos interesa es hablar de ese número y de sus propiedades. La constante que llamé Tahawus, es en realidad una de las raíces reales de la ecuación:

\displaystyle x^x - x-1 = 0 (1)
y su valor es en sus primeros digitos decimales este:

\displaystyle \text{\small Tahawus}= 1.7767750400970546974797307440387567486374110343292961390843740\ldots (2)
La ecuación (1) no puede ser resuelta fácilmente en forma cerrada, ni siquiera usando la conocida función W de Lambert. Sólo puede ser resuelta de forma cerrada mediante una nueva función, que, como no podía ser de otra forma, llamaré Tahawus (x), y la designaré con la letra griega ?. Por lo tanto, lo que antes llamaba la constante Tahawus, ahora pasará a ser el valor que toma esa función para x = 1. Es decir, tendremos:

\displaystyle \mathcal{T} (1) = 1.7767750400970546974797307440387567486374110343292961390843740\ldots (3)
No sin mucho esfuerzo, descubrí que esta función Tahawus, ?, es simplemente la función inversa de

\displaystyle y = \frac{x^{x}-1}{x} \\ \\ (4)
Es decir, sólo podemos despejar la x de esa ecuación mediante la función inversa Tahawus,

\displaystyle x=\mathcal{T}(y) (5)
Las representaciones gráficas de estas dos funciones, (4) y (5) son así:

Vemos que cada una es la imagen especular (reflejada) de la otra, respecto de la recta identidad y = x, porque esa es la característica principal de todas las funciones con sus inversas. Si intentamos hallar una forma cerrada de la función Tahawus, comprobaremos nuestra frustración pronto, por que es muy difícil. Aún, no se ha descubierto una forma cerrada para esa función. Por ejemplo, sabemos hallar una forma cerrada para la función inversa de y = xx, utilizando la función W de Lambert, y es esta:

\displaystyle x = e^{W(\log (y))} (6)
Esta función inversa de y, se llama super raíz cuadrada, ya que la función y = xx, es una tetración cuadrática, es decir la variable x exponenciada así misma una vez. Esta tetración la podemos escribir también mediante super índices que preceden a la variable. Por ejemplo:

\displaystyle y = {^{2}x}=x^x  (7)
Super raíz cuadrada

Podríamos pensar que la función (4) inicial, la que tiene como inversa a la función Tahawus, como tiene incluida una tretación cuadrática, la (7), podríamos conseguir explicitar su inversa mediante esas super raíces cuadradas. Es decir, sería algo así como resolver una ecuación cuadrática estándar, pero con super raíces cuadradas em lugar de las raíces cuadradas. No parece fácil la tarea. Lo primero que intentamos es usar la W de Lambert en una posible resolución explicita de Tahawus . Se trata de intentar despejar la x (ponerla em función de la y). Veamos cómo:

\displaystyle y =\frac{x^x -1}{x}\\ \\ y x =x^x -1 \\ \\ y x + 1 =x^x \\ \\ (8)
Y ahora aplicamos la super raíz cuadrada, para obtener:

\displaystyle x = e^{W(\log (y x +1))} (9)
¿Cuál es el problema?. El problema es que se nos ha quedado una x multiplicando a y en el otro lado, con lo cual hemos “fracasado“. Lo que hemos obtenido es que aparecen infinitas copias de la función dentro de sí misma, a modo de recursión. De hecho la función Tahawus resulta ser una iteración infinita mediante esa super raíz cuadrada:

\displaystyle    x = \mathcal{T}(y)= e^{W(\log (y e^{W(\log (y(\ldots) +1))} +1))} (10)
Por lo tanto nuestro problema de tratar de explicitar una forma cerrada para Tahawus, aún permanece. Pero, ¿en qué consiste exactamente?: Se trata de hallar una de las raíces de esta función super-cuadrática:

\displaystyle {^{2}x} - b x - 1 = 0 (11)
Si su exponente de tetración 2 fuera en realidad un exponente 2 normal, como el de las ecuaciones cuadráticas normales, la solución sería sencilla. A alguien se podría ocurrir una solución estrambótica. Resolver esa ecuación como si fuera una ecuación cuadrática normal, y allí donde aparezca una raíz cuadrada en la solución sustituirla por una super raíz cuadrada. Esa es la típica solución del sueño del sophomore o sueño del pipiolo. La cual, a veces, sorprendentemente funciona, pero por regla general es muy poco probable que tenga éxito esa metodología.

Desde la función Tahawus podemos acceder a infinidad de constantes transcendentes. Estas son algunas que ya están catalogadas en EOIS:

A124930 \displaystyle \mathcal{T}(1) = 1.7767750400970546974797307 \ldots
A226568 \displaystyle   \mathcal{T}(-1) =0.3036591270299660512450180 \ldots
A085846 \displaystyle \frac{1}{\mathcal{T}(-1)}-1= 2.293166287411861031508028291 \ldots
A169862 \displaystyle \frac{1}{\mathcal{T}(-1)}= 3.293166287411861031508028291 \ldots
La propiedad mas impresionante de la constante Tahawus 1, T(1), es que es el único número real que al elevarlo a sí mismo y restarle 1 da el mismo número:

\displaystyle \mathcal{T}(1)^{\mathcal{T}(1)} -1 = \mathcal{T}(1)  (12)
y por esa razón también puede con la torre infinita:

\displaystyle \mathcal{T}(1)^{\mathcal{T}(1)^{\mathcal{T}(1)^{.\cdot{}^{\cdot}} -1} -1} -1 = \mathcal{T}(1)  (13)

Saludos

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Matemáticas alienígenas: números primos marcianos

Posted by Albert Zotkin en marzo 28, 2018

Hoy hablaré de los número primos marcianos Fobos y Deimos, que como sabrás, sus nombres son como los dos satélites naturales de Marte. Primero hablaré del número Deimos:

\displaystyle \text{\small Deimos}=2^{127} - 1 =170141183460469231731687303715884105727 (1)
Este número es primo, y además de ser de la clase Mersenne, es de la clase Catalan-Mersenne. El número marciano Deimos hizo un pequeño cameo en la serie de dibujos animados Futurama. Más concretamente, salió en el episodio Futurama: La bestia con un millón de espaldas, película de 2008. Exactamente, la secuencia se puede encontrar en el punto de metraje 01:16:59.178: en la que el profesor Farnsworth le dice a su rival, el profesor Wernstrom, que ha conseguido una prueba elemental de la Conjetura de Goldbach.

Pero hablemos un poco ahora sobre la sucesión de números llamados de Catalan-Mersenne. Esta sucesión puede ser definida de la forma recursiva siguiente:

\displaystyle a_n= 2^{a_{n-1}}-1 \\ \\ \text{\small donde} \ \; a_0 = 2 \ \;\text{\small tenemos \'orbitas de 2 \textit{ad infinitum}} \\ \\ \text{\small y sus cinco primeros n\'umeros son:}\\ \\ C_n=\{2, 3, 7, 127, 170141183460469231731687303715884105727,\ldots\} (2)
como muy bien los tienen catalogados en la referencia A007013. Por lo tanto, en este catálogo de OEIS, nuestro número Deimos es el C5.

¿Son todos los números de esa sucesión de Catalan-Mersenne primos?. Los cinco primeros que he escrito en (2) son primos, sí. Pero, ¿y el sexto y los siguientes?. El sexto Catala-Mersenme es precisamente, C6, Fobos, nuestro siguiente número marciano:

\displaystyle \text{\small Fobos}=2^{170141183460469231731687303715884105727} - 1 = 111 \ldots 111_2  (3)
La expansión decimal del número Fobos es demasiado larga para ser escrita explicitamente. Pero escrita en base 2 tiene exactamente Deimos 1’s, porque es un número repunit en base 2. Ningún terrícola sabe decir si Fobos es un número primo. Pero, ya te voy a decir yo que Fobos es un número primo. Joerg Arndt sabe muy bien que Fobos, C6, es un número primo. Joerg Arndt afirmaba hace algún tiempo que Fobos sólo podía ser primo, o pseudoprimo de Fermat con factores no menores a 10 elevado a 51. Pero, ahora sabe ya que Fobos es un número primo. De hecho, todos los números de la sucesión Catalan-Mersenne son primos, los infinitos, y eso demuestra que hay infinitos números primos Mersenne. Si Fobos no fuera primo, sería, como he dicho antes, un pseudoprimo de Fermat en base 2, y todos los infinitos siguientes números marcianos (o Catalan-Mersenne, como prefieras) serían también pseudoprimos de Fermat. Pero, alguien en su sano juicio puede creer que un número como C7 (El hijo de Fobos), o superior, no es un número primo?. ¿En qué cabeza cabe?. Por supuesto que el número marciano:

\displaystyle C_7=2^{2^{2^{127} - 1} - 1} - 1 = \\ \\ = 2^{2^{170141183460469231731687303715884105727} - 1} - 1 (4)
es un número primo. Los infinitos Catalan-Mersenne lo son, ¡terrícola de poca fe!. Pero antes de ir a las demostraciones matemáticas, necesitamos unas pocas definiciones y alguna que otra curiosidad sobre esa clase de números. Para ello, amigo terrícola, permíteme que defina primero la Ciclotomia Transcendente de los números Catalan-Mersenne. Al igual que existen los polinomios ciclotómicos, podemos definir algo parecido, pero en el terreno de los números marcianos (Catalan-Mersenne). Para ello, en lugar de un polinomio estándar, nos fijaremos en la sucesión de funciones exponenciales de la siguiente clase:

\displaystyle F(x)_n=\{x,\ x^x-1,\ x^{x^x-1}-1,\ x^{x^{x^x-1}-1}-1,\ {x^{x^{x^{x^x-1}-1}-1}-1},\ldots \} (5)
Esta sucesión es monótona decreciente para ciertos valores reales de x, y monótona creciente para otros. En general, es fácil ver que para valores reales, 0 < x < 1, se obtienen sucesiones que decrecen y convergen hacia ciertos valores, según los casos. En cambio, para números reales x > 2, se obtienen sucesiones que crecen y convergen hacia ciertos valores. Pero, sólo existe un único número real capaz de estabilizar esa sucesión de funciones de modo que se mantiene igual a una constante, o punto fijo. Ese número real lo llamaré Tahawus, y es este:

\displaystyle \text{\small Tahawus}= 1.7767750400970546974797307440387567486374110343292961390843740\ldots (6)
Lo llamo número de Tahawus, por que fue el profesor Richard P. Stanley, otro “alienígena” (aunque de Tahawus), uno de los primeros en demostrar que ese número es transcendente y por lo tanto irracional. ¿Cómo se puede hallar ese número?. Hay muchas formas, pero siempre resulta ser la raíz real positiva de la ecuación:

\displaystyle x^x-1=x (7)
como así nos lo propuso Rick L. Shepherd. pero también es la única raíz real positiva de la función diferencia entre dos funciones consecutivas de F(x)n:

\displaystyle x= x^x-1, \\ \\ x^x-1=x^{x^x-1}-1, \\ \\ x^{x^x-1}-1=x^{x^{x^x-1}-1}-1, \\ \\ x^{x^{x^x-1}-1}-1=x^{x^{x^{x^x-1}-1}-1}-1 \\ \\ \ldots (8)
Estas funciones ciclotómicas transcendentes son extremadamente interesantes. Aquí os presento las representaciones gráficas de sus diferencias, (8), y en las que podemos observar cómo todas intersectan al eje de abscisas en los puntos (0, 0), (1, 0) y (Tahawus, 0):

Observemos ahora las gráficas de los logaritmos de algunas de las funciones F(x)n, en concreto, las de estas:

\displaystyle \log F(x)_4= \log \left(x^{x^{x^{x^x-1}-1}-1}-1 \right), \\ \\ \log F(x)_3= \log \left(x^{x^{x^x-1}-1}-1 \right), \\ \\ \log F(x)_2= \log \left(x^{x^x-1}-1 \right), (9)
vemos que todas tienen un polo en (1,0), y que F(x)3 ni siquiera está definida en el intervalo real [0,1], pues para valores de x, que se aproximan a 1 desde la derecha, la función de aproxima a – 8, cae al pozo y ya no vuelve.

Amigo terrícola, te estarás preguntando. “Ok, todo muy bonito, pero ¿para qué sirve todo eso?”. Sólo son matemáticas. Además, ¿no te parece interesante que exista un número real, Tahawus, distinto a 0 y a 1, con la propiedad de hacer que cualquier función F(x)n, de esa clase, sea igual a Tahawus?

\displaystyle x=\text{\small Tahawus}= 1.776775040097054697\ldots, \\ \\ F(\text{\small Tahawus})_4=x^{x^{x^{x^x-1}-1}-1}-1=\text{\small Tahawus}, \\ \\ F(\text{\small Tahawus})_3= x^{x^{x^x-1}-1}-1= \text{\small Tahawus}, \\ \\ F(\text{\small Tahawus})_2=x^{x^x-1}-1=\text{\small Tahawus} \ldots (10)
Los números Mersenne poseen una peculiaridad, y es que para que un número Mersenne sea primo debe de serlo el exponente del 2 que lo crea. Pero, eso es sólo una condición necesaria, no suficiente. Esa misma condición es válida para los números Catalan-Mersenne, pero estos últimos tienen además otra peculiaridad añadida, y es que si un número Catalan-Mersenne no es primo, entonces todos los que van tras él (su hijo y demás descendientes) tampoco lo serán. Imagina la sucesión de números catalan-Mersenne como una linea recta horizontal de ladrillos, todos del mismo tamaño, pero los que representan a Catalan-Mersenne primos son de color verde y los que representan a los no primos son de color rojo. Pues bien, si empezamos nuestra obra de albañilería desde la izquierda, veremos que los primeros ladrillos son todos de color verde, es decir, primos. Y si eventualmente uno de los ladrillos no fuera primo entonces todos los infinitos siguientes deberian ser rojos también, como él. Todo eso nos lo contó hace años Leonard Eugene Dickson, cuando hizo referencia a una carta que respondió Catalan a Édouard Lucas, allá por 1876, en la que le decía lo rápido que crecían los números de esa sucesión, y cómo el número C6, Fobos, podía ser muy bien primo también, como su padre (C5 Deimos) y sus abuelos. Landon Curt Noll nos contó hace poco cómo había comprobado que Fobos no posee factores por debajo de 5×1051, y para ello hizo uso de su programa calc.

Intentemos ahora factorizar algunos números que merodean cerca de esos números marcianos. EL profesor Robert Israel, de Princeton, nos ofreció hace poco una prueba de que si un numero marciano an (fijémonos en la sucesión (2) que escribí arriba, en el sexto párrafo de este artículo) era primo entonces ese an divide a an+1-1 para todo n. Por ejemplo, lo que nos dice R. Israel es que, siendo an = 127, entonces

\displaystyle a_5 = 2^{127}-1 =\text{\small Deimos},

con lo que a_5 -1 =\text{\small Deimos} - 1, debe ser divisible por 127. Y efectivamente lo es

\displaystyle \frac{a_5 - 1}{127} = \frac{2^{127}-2}{127} =1339694357956450643556592942644756738
Lo que no nos dice explícitamente R. Israel es que esos números, que son pares, no sólo son divisibles por el anterior de la sucesión, sino por todos y cada uno de los anteriores Empezaré por la secuencia principal, la de los números marcianos, y la llamaré a(n), y después obtendremos desde ella otras sucesiones cercanas, la b(n) y la d(n):

\displaystyle a_1=2,\\ a_2=2^2-1)=3,\\ a_3=2^{2^2-1}-1))=7,\\ a_4=2^{2^{2^2-1}-1}-1=127,\\ a_5=2^{2^{2^{2^2-1}-1}-1}-1)=170141183460469231731687303715884105727,\\ a_6=2^{2^{2^{2^{2^2-1}-1}-1}-1}-1)=\text{\small Fobos},\\ \ldots \\ \\ b_1=2-1=1,\\ b_2=2^2-2=2,\\ b_3=2^{2^2-1}-2=6,\\ b_4=2^{2^{2^2-1}-1}-2=126,\\ b_5=2^{2^{2^{2^2-1}-1}-1}-2=170141183460469231731687303715884105726,\\ b_6=2^{2^{2^{2^{2^2-1}-1}-1}-1}-2=\text{\small Fobos-1},\\ \ldots \\ \\
Y ahora los dividimos por 2, porque, no sé si lo habrás notado, pero, todos los números exomarcianos bn son pares, y así obtenemos los exomarcianos dn:

\displaystyle d_2=\frac{2^2-2}{2}=2-1=1,\\ \\ d_3=\frac{2^{2^2-1}-2}{2}=2^{2^2-2}-1= 3,\\ \\ d_4=\frac{2^{2^{2^2-1}-1}-2}{2}=2^{2^{2^2-1}-2}-1=63,\\ \\ d_5=\frac{2^{2^{2^{2^2-1}-1}-1}-2}{2}=2^{2^{2^{2^2-1}-1}-2}-1=\frac{\text{\small Deimos-1}}{2},\\\\ d_6=\frac{2^{2^{2^{2^{2^2-1}-1}-1}-1}-2}{2}=2^{2^{2^{2^{2^2-1}-1}-1}-2}-1=\frac{\text{\small Fobos-1}}{2},\\ \\ \ldots \\ \\
En general tenemos que:

\displaystyle d_n=2^{a_n-1} -1
es divisible por an, si ese exponente pertenece a la sucesión Catalan-Mersenne (número marciano), y además, también será divisible por todos los números que le anteceden, es decir por a1, a2, …, an-1. Eso es así por el pequeño teorema de Fermat. Y si recordamos, a vuelapluma este teorema, que dice:

\displaystyle a^{p-1} \equiv 1 \pmod p.

siempre es cierto, si el entero a no es divisible por el número primo p. O expresado de otra forma:

\displaystyle \frac{d_p}{p}=\frac{a^{p-1} - 1}{p}, \ \; \text{\small es un n\'umero entero distinto de 0.}
En nuestro caso, el de los número Catalan-Mersenne, vemos que es estrictamente cierto, incluso para p = a1 = 2, ya que también es a = 2, y por lo tanto, al ser el mismo número, el pequeño teorema de Fermat nos dice que no dará una división entera. Efectivamente, para ese caso, de p = 2, esa división es d2/p = 1/2.

Ahora vamos a demostrar que todos los números marcianos (Catalan-Mersenne) son números primos. Para ellos debemos fijarnos es la extensión del pequeño teorema de fermat que dice:

\displaystyle A = a^{p^n-1}-1 \equiv  0 \pmod p
Lo cual quiere decir que si el número a no es divisible por el número primo p, el cual aparece elevado a cierto número natural n, entonces en número A es divisible por el número primo p. Dicho de otra forma:

\displaystyle A = a^{n-1}-1 \equiv  0 \pmod p
es siempre divisible por p = cad(n) si ese p es primo, y sabiendo que cad(n) es el radical de n. El radical de un número primo es siempre el mismo número primo. El radical de un número primo elevado a cualquier número natural es también siempre el mismo número primo. El radical de un número cualquiera, sea primo o no, es siempre el producto de sus factores primos despojados de los exponentes mayores a la unidad, Por ejemplo rad(23 × 3 × 54 × 7) = 2 × 3 × 5 × 7 = 210.
Saludos alienígenas a todos

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El desierto 31 de los números primos

Posted by Albert Zotkin en febrero 17, 2018

Hola amigo incondicional de Tardígrados. Hoy vamos a visitar un desierto, descubierto por mí la semana pasada, y que nadie conocía: Lo he llamado Desierto 31. Este peculiar desierto, se trata de una sucesión de números primos de la forma:

\displaystyle  D_{31,n}=2^{p(n)} - 31 (1)
donde p(n) es el n-ésimo número primo.Obviamente, no todos los números primos generarán primos de esa forma. Pero, ¿Por qué digo que D31, n es un desierto?. Si buscamos números esa clase, los primeros que encontramos son estos:

\displaystyle  D_{31,n}= \{97, 2017, 8161, 131041, 524257, 137438953441, 2199023255521,\ldots\} (2)
La sucesión de números primos, exponentes del 2, que genera la sucesión de arriba, es

\displaystyle  p(n)=\{7,11,13,17,19,37,41,61,67,89,109,149,193,383,401,\ldots\} (3)
y a su vez, la sucesión de números naturales que genera la sucesión p(n) de arriba es

\displaystyle  a(n)=\{4, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 18, 19, 24, 29, 35, 44, 76, 79,\ldots\} (4)

Aparentemente, D31, n es un desierto, porque aparecen de “golpe” los primeros números primos hasta el a15 = 79, pero más allá de n = 15 parece no haber ninguno más. La conclusión puede ser una de estas:

  • 1. D31, n es realmente un desierto, y sólo existiría el oasis de esos 15 números primos.
  • 2. O bien, he vuelto a ser victima de la Ley de los Números Pequeños (de Richard K. Guy), y en realidad existen muchos más números primos de esa clase, pero están más allá de la capacidad computacional de mis ordenadores.
Si sientes curiosidad y quieres comprobar por ti mismo que esa sucesión puede ser realmente un desierto con sólo 15 números primos, te presento las rutinas que usé en Mathematica para generar las listas:

A = List[]; Do[p = 2^ Prime[m] – 31; If[PrimeQ[p], AppendTo[A, m]], {m, 4, 100}]; A

Clear[A ]; A = List[]; Do[p = 2^ Prime[m] – 31; If[PrimeQ[p], AppendTo[A, Prime[m]]], {m, 4, 100}]; A

Clear[A ]; A = List[]; Do[p = 2^ Prime[m] – 31; If[PrimeQ[p], AppendTo[A, p]], {m, 4, 100}]; A

Puedes hacer que el índice m corra desde 1 hasta el número que tú quieras. Yo he puesto el límite superior de 100 porque ya sé que no he encontrado nada para números entre 100 y 1000.

Saludos

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Números casi enteros

Posted by Albert Zotkin en febrero 13, 2018

Hola amigo. Ayer se me ocurrió jugar un poco con los llamados números casi-enteros. Como su propio nombre indica, son números reales que son casi enteros, es decir, que a su parte decimal le sobra o le falta muy poco para ser cero. Por ejemplo el número de Ramanujan:

\displaystyle  e^{\pi {\sqrt {163}}}=262\,537\,412\,640\,768\,743.999\,999\,999\,999\,25\ldots  (1)
Es un casi-entero porque le falta muy poquito para ser 262537412640768744. El problema con esta clase de números reside en su definición, la cual no parece muy matemática. Decir que algo es casi blanco o casi negro, es decir poco, cuando la definición la basamos en el adverbio “casi”. ¿Hasta qué punto un número es casi-entero?. Si el corte lo pusiéramos en que la parte decimal debe empezar por más de veinte 9’s seguidos o por más de veinte 0’s, entonces el número de Ramanujan no sería un casi-entero. Por eso, para resolver ese problema, se me ocurre la siguiente definición: Definamos la sucesión de números casi-enteros Qk, de orden k, de la función F(n) de dominio natural, así:

\displaystyle   Q_k(F(n))=\{ q_n \}_{n\text{,}\,k\in N} (2)
sería una sucesión de números reales, para los que su parte decimal tendría una precisión de k 9’s seguidos, ó de k 0’s seguidos, si expresamos la sucesión en notación de base decimal. Por ejemplo, el número de Ramanujan no estaría en ninguna sucesión de casi-enteros de orden k = 13, ó superior, ya que posee sólo doce 9’s seguidos en sus primeras posiciones decimales. En cambio, sí estaría en una sucesión de orden k = 10, o de grados inferiores. Pongamos un ejemplo: Sea la función de dominio natural siguiente:

\displaystyle   F(n)= e^{\pi {\sqrt {n}}} (3)

y calculemos su sucesión de casi-enteros de grado k = 10:

\displaystyle   Q_{10}( e^{\pi {\sqrt {n}}})= \{q_{58},\,q_{163},\,q_{1467},\,\ldots\} (4)
No sé si esa sucesión es finita o infinita, pero lo que si es fácil de comprobar es que 1467 = 9 × 163, y que esos tres primeros números casi-enteros son exactamente estos:

\displaystyle   q_{58}=e^{\pi \sqrt{58} }= 24591257751.99999982221324\ldots\\ \\   q_{163}=e^{\pi \sqrt{163} }= 262537412640768743.9999999999992500725\dots\\ \\  q_{1467}=e^{\pi \sqrt{1467} }=18095625621654510801615355531263454706630064771074975.9999999901236\ldots
Propongo que el número casi-entero q1467 = 18095625621654510801615355531263454706630064771074975.9999999901…, sea llamado número de Alberti, porque 1467 fue el año en que el criptógrafo León Battista Alberti escribió el tratado De Componendis Cifris, donde describe un disco para encriptar alfabeto, que ahora llamamos disco de Alberti.

Si el grado k de la sucesión Q de casi-enteros lo hubieramos rebajado a k = 6, esa sucesión sería esta:

\displaystyle   Q_{6}( e^{\pi {\sqrt {n}}})=  q_{37},q_{58},\, q_{67},q_{163},\, q_{232},\, q_{719},\, q_{1467},\, q_{4075},\ldots (5)
Todo esto nos debe hacer reflexionar sobre el hecho de que, antes de ponerse a divagar sobre un asunto, es muy importante acotar con una buena definición de qué estamos hablando, y eso es especialmente importante en matemáticas.

Y para terminar de jugar con el tema de los números casi-enteros, definiré ahora otra clase de números, que llamaré casi-enteros Cunningham. Los números casi-enteros Cunningham de base b van a ser números de la forma:

\displaystyle  \frac{\log(b^{n}\pm 1)}{\log(b)}= \log_b(b^{n}\pm 1) (6)
Donde, obviamente b^{n}\pm 1 es un número de Cunningham. Por ejemplo, la sucesión de casi-enteros Mersenne, son números casi-enteros Cunningham de base 2 de la forma:

\displaystyle  \frac{\log(2^{n} - 1)}{\log(2)} = \log_2(2^{n} - 1) (7)
Que es una forma de mapear los exponentes de esos números Mersenne. Por ejemplo, el número primo Mersenne M31 = 2305843009213693951, que fue descubierto por Euler en 1772, genera el casi-entero:

\displaystyle   Q_{31}=\log_2(2^{31} - 1) =30.99999999932819276991073646469478216 \ldots (8)
que, como vemos, se aproxima mucho al exponente 31. Y alguien se preguntará “ok, muy bien, y ¿qué utilidad tiene todo esto?“. La respuesta es fácil, “ninguna, en principio” 🙂 . Pero, si de lo que se trata es de hallar número primos Mersenne, los casi-enteros Cunningham, que he definido arriba, pueden tener mucho que decir, sobre todo si analizamos su partes fraccionales.

Podemos expresar elegantemente la parte fraccional, {Qp}, de un número casi-entero Mersenne Qp así:

\displaystyle  \{Q_p\}=\int_1^p \frac{dx}{2^x-1} (9)

porque es fácil ver que, efectivamente:

\displaystyle  \{Q_p\}=\int_1^p \frac{dx}{2^x-1} = \log_2(2^p - 1) -p+1 (10)

Saludos

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Árboles y bosques: factorización unaria de un número entero

Posted by Albert Zotkin en enero 15, 2018

La factorizaración unaria de un número primo, que me inventé hace tiempo, y que ayer me atreví a escribir en un post, no la encontrarás en ningún libro de texto, ni documento, ni en ningún foro de matemáticas. Y si la empiezas a ver en foros o en referencias, la primera referencia será la mía. Esta factorización da mucho juego, más del que se podía pensar. No sólo sirve para factorizar recursivamente números primos sino números compuestos. De hecho la factorización estándar que vemos en los libros de texto es simplemente una factorización unaria parcial, que sólo llega hasta el segundo nivel dejando los exponentes sin factorizar. Por ejemplo sea el numero compuesto

\displaystyle 2^9 \times 5^{29791}\times 41\times 509 (1)
Vemos que los exponentes no han sido factorizados, ni siquiera de forma estándar. Por lo tanto se trata de una factorización parcial, basica, porque sólo se presenta en los números primos bases de sus respectivas potencias. Una factorización estándar completa sería de esta forma

\displaystyle 2^{3 \times 3} \times 5^{31^3}\times 41 \times 509
Ésta factorización sí es completa, porque todos los números que aparecen son primos, incluso los exponentes, y los exponentes de los exponentes, pero sigue siendo estándar. Aún no es una factorización unaria completa, ya que los distintos números primos que aparecen no han sido recursivamente desintegrados en sus factores primos. La factorización de este número compuesto que he puesto como ejemplo daría no un único árbol, sino 4 árboles, ya que 4 son las bases de la factorización, es decir, {2, 5, 41, 509}. Vemos pues que los números primos se representan unariamente mediante un árbol, y los números compuestos por un bosque. El de ejemplo sería el siguiente:

Vemos que el factor 5 en el nivel 1 se respite 29791 porque está elevado a ese exponente, por lo tanto en el grafo en árbol no puedo dibujar 29791 ves el 5 sin que el dibujo que de mostruosa, monona y ridiculamente largo. Asi la opción es usar puntos suspensivos para indicar esa repetición. Eso significa que sólo en ese nivel los números que se repiten se multiplican, pero en los niveles inferiores no. En el párrafo anterior al gráfico de arriba decía yo que ese número compuesto del ejemplo era un bosque compuesto por 4 árboles. Pero, al observar detenidamente el gráfico, vemos que en realidad está compuesto por 29796 árboles. 3 veces el 2, más 29791 veces el 5, más el 41 y más el 509. También se nos podría ocurrir completar el bosque para construir un único árbol, integrando las bases, pero el resultado no sería único, sino que se presentarían una serie de combinaciones. Veamos cual sería el resultado de una de esas integraciones posibles (dibujaré la más inmediata y obvia):

Donde A y B son dos números primos, pero son demasiado grandes como para incluirlos en el grafo. Es fácil ver que A = P(529791), que 235513 = P(41 x 509), y que 19 = P(8). Con lo cual el número primo B que está en la cúspide del árbol es B = P(19 x A x 235513). En general si un número compuesto se compone de n árboles entonces el número total de número primos que podemos integrar desde el sería n!. En el caso del ejemplo, y si consideramos sólo combinaciones en las que aparecen todos los 5’s en bloque y todos los 2’s bloque tambíen, tendriamos 4 árboles para integrar, con lo que serían permutaciones de 4 elementos, es decir, 4! = 24 números primos diferentes integrados desde el número compuesto inicial. Dibujemos una más de las posibles permutaciones:
En este caso el número primo A posee este valor: A = P(529791 x 41), y 38653 = P(23 x 509), por lo que el número primo B está construido de la siguiente forma: B = P(38653 x A).

Lo increiblemente maravilloso de todo este resultado es saber que existen conjuntos de números primos que están representados por un único número compuesto. Es decir, que desde un número compuesto determinado podemos construir muchos números primos. Muchos números primos poseen las mismas bases, aunque en cada uno aparecen combinadas de diferente forma. Hemos otro caso trivial de integración del número compuesto del ejemplo:

En este ultimo caso, el más trivial de todos, el número primo A esta construido mediante esta combinación de bases: A = P(23 x 529791 x 41 x 509).

Y como detalle final a este pequeño artículo de hoy, decir, que no sólo es interesante elaboran listas de números primos monstruosos, como las de GIMPS, sino también catalogar a cada número primo dentro de la familia a la que pertenece. Y para ello, lo primero que debemos hacer es disponer de una fórmula que nos genere cualquier número compuesto que deseemos. Al igual que tenemos la función P(n) que nos da el n-ésimo número primo, ahora buscamos otra función C(n) generadora que sólo nos de compuestos de la siguiente sucesión:

\displaystyle \{4, 6, 8, 9, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 30, 32,\dots\}
La pregunta ahora es, ¿cuántos números primos desde el número compuesto C(1) = 4 pueden ser construidos con el método que he explicado arriba?. Puesto que 4 = 2 x 2, sólo tenemos una base, el 2. Por lo tanto la respuesta es que sólo podemos construir un único número primo, el P(2) = 3. Veamos ahora el siguiente compuesto, el C(2) = 6. Para ese caso tenemos las bases (2, 3), por los que las opciones combinatorias también son reducidas, pero en este caso podemos construir 2 primos distintos: el P(P(2) x P(3)) = 47 y el P(2 x 3) = 13. Para el siguiente número compuesto, C(3) = 8, tendremos ya tres copias del 2 para empezar. Así podemos construir los siguientes números primos: P(2 x 2 x 2), P(P(2) x 2 x 2), P(P(2) x P(2) x 2), P(P(2) x P(2) x P(2)). Establezcamos un par de normas para la construcción de números primos con este método:

1. todas las bases, repetidas o no deben estar en el mismo nivel de partida. 2. El número de elementos (números primos) obtenidos en cada nivel inmediato superior debe ser menor, nunca igual o mayor, que el del nivel inferior.

Siguiendo estos dos criterios, podemos integrar los casos C(3) = 8 y C(4) = 9:

“A veces los árboles no nos dejan ver el bosque”

Saludos 😉

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