Entre las muchas cuestiones en las que están implicados los números primos, una de las más interesantes concierne a su distribución entre los números enteros. ¿Se distinguen de sus parientes no primos de una manera puramente al azar? ¿O existe alguna regla, algún patrón discernible con el que ocurren los números primos? La respuesta a la última pregunta es "una especie de". Si ésta parece una especie de respuesta evasiva e insatisfactoria, en el presente trabajo esperamos demostrar que realmente es una respuesta muy atrevida que parafrasea uno de los resultados más espectaculares de todas las matemáticas: el teorema de los números primos.
Quien investigue la distribución de los números primos debería empezar con una lista. A continuación, se escriben los primeros 25 números primos menores que 100:
2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41,
43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97
Si hay aquí un patrón, no es nada claro. Por supuesto, todos los números primos mayores que 2 son impares, pero esto no es de mucha ayuda. Advertimos unas cuantas lagunas en los números primos: no hay ninguno del 24 al 28 ni del 90 al 96, siendo este último número una serie de siete números compuestos consecutivos. Por otra parte, vemos que algunos números primos ocurren solamente separados dos unidades -por ejemplo, 5 y 7 ó 59 y 61-. Estos números primos contiguos, que tienen la forma de p y p+2, se llaman números primos gemelos.
Para aumentar el número de datos, reunimos todos los números primos desde el 101 al 200:
101, 103, 107, 109, 113, 127, 131, 139, 149,151,
157, 163, 167, 173, 179, 181, 193, 197, 199
Esta vez hay 21 números de esta clase. Una vez más observamos lagunas, como los nueve números compuestos seguidos del 182 al 190, aunque los números primos gemelos persisten a lo largo de esos números hasta el 197 y 199.
En un estudio de la distribución total de números primos, parecía que las lagunas (en las que los números primos consecutivos están muy separados) y los números primos gemelos (en los que los números primos consecutivos están muy juntos) deberían jugar un importante papel. ¿Existen lagunas más largas entre los números primos? ¿Son las existencias de números primos gemelos infinitos? Interesantemente la primera pregunta se responde fácilmente, pero la segunda es uno de los misterios irresueltos de la teoría de números.
Comencemos con la respuesta fácil. Supongamos que se nos pide una ristra de cinco números compuestos consecutivos. Consideremos los números:
6!+2 = 722, 6!+3 = 723, 6!+4 = 724, 6!+5 = 725, 6!+6 = 726
Es fácil ver que ninguno de estos números es primo, pero es más instructivo preguntar por qué esto es así. El primer número es 6!+2 = 6·5·4·3·2·1+2. Puesto que 2 es un factor de 6! y de sí mismo, 2 es un factor de la suma 6!+2. De ahí que 6!+2 no sea un número primo. Pero tampoco lo es 6!+3 = 6·5·4·3·2·1+3, ya que 3 divide igualmente a ambos términos y por consiguiente a la suma de los dos. Asimismo, 4 es un factor de 6! y de 4, y, por tanto de su suma, igualmente 5 es un factor de 6!+5, y 6 es un factor de 6!+6. Puesto que cada uno de estos números tiene un factor, ninguno es primo. Hemos generado, por tanto, cinco números consecutivos que no son primos.
Se puede argüir convincentemente que hemos realizado una búsqueda demasiado complicada. Después de todo, los cinco números compuestos seguidos 24, 25, 26, 27, 28 servirían exactamente igual. ¿Por qué introducir factoriales que nos llevan hasta el 700?
La respuesta es que necesitamos un procedimiento general. Si nos piden una serie de 500 números compuestos seguidos, el examen de una lista de números primos no sería realista, pero el razonamiento utilizado anteriormente suministrará una serie de esta clase exactamente de la misma manera.
Esto es, comenzamos con el número 501!+2 y tomamos los números enteros desde un número hasta el 501!+501. Es evidente que esto nos da 500 números enteros consecutivos. Casi tan evidente es el hecho de que todos estos números son compuestos, ya que 2 divide exactamente a 501!+2, 3 divide exactamente a 501!+3, y así sucesivamente hasta 501, que divide exactamente a 501!+501. Aquí hay 500 números compuestos consecutivos.
Exactamente el mismo procedimiento comenzando con 5.000.001!+2 produciría cinco millones de números consecutivos con ningún número primo entre ellos, y podríamos exactamente producir con la misma facilidad cinco mil millones o cinco billones consecutivos de números compuestos. Esta argumentación tiene una pasmosa consecuencia: existen lagunas arbitrariamente largas entre los números primos.
Esto significa que si continuáramos como antes contando los números primos entre cada centena de números enteros, alcanzaríamos un punto en el que no habría ningún número primo en absoluto -una centena de números seguidos desprovista de números primos-. Pero la situación es aún más extraña. Cuando se trata de una ristra de cinco millones de números compuestos consecutivos, examinaríamos 50.000 grupos consecutivos de cien números enteros cada uno y ¡nunca encontraríamos un número primo entre ellos! En este punto parecería practicamente cierto que se nos han agotado del todo los múmeros primos.
A quien crea esto lo remitimos a la demostración de la infinidad de los números primos. Deben existir enormes lagunas, lagunas tan grandes que ningún humano podría contarlos durante toda la vida; sin embargo, más allá de estas lagunas, en alguna parte deben existir más números primos, siempre más números primos. Literalmente son inagotables.
¿Qué hay sobre el otro tema? ¿Son las existencias de los números primos gemelos similarmente inagotables? Los especialistas en teoría de números han luchado con este problema durante siglos. Incluso entre los números muy grandes, los números primos gemelos saltan aquí y allá. Los números primos 1.000.000.000.061 y 1.000.000.000.063 son un ejemplo. Pero hasta el día de hoy nadie puede demostrar que existe un número infinito de números primos gemelos. La cuestión permanece irresuelta. Aunque este problema continúa desconcertando a las mejores mentes matemáticas, la cuestión de la infinidad de los tripletes de números primos es fácil de establecer. Decimos que tres números primos forman un triplete si adoptan la forma p, p+2 y p+4. Por ejemplo, los números 3, 5 y 7 son un triplete. ¿Existen conjuntos infinitamente numerosos de éstos?
Para responder a esta cuestión, observamos en primer lugar que cuando un número cualquiera se divide por 3, el resto debe ser 0, 1 ó 2. Así si tenemos el triplete de números primos p, p+2 y p+4 y dividimos por 3, existen tres posibles resultados. Quizá el resto es 0. Esto es, podría ser múltiplo de 3, es decir, p=3k para cualquier número entero k. Si k=1, entonces p=3, y nos encontramos con el triplete 3, 5 y 7 otra vez. Pero si k ³ 2, entonces p=3k no es un número primo, porque habría dos factores propios, 3 y k. Se sigue que 3, 5 y 7 son el único triplete posible para este caso. Alternativamente, el resto de dividir p por 3 podría ser 1, de modo que p=3k + 1 para cualquier número entero k ³ 1. (Nótese que podemos eliminar k=0 ya que p = 3 · 0 + 1 = 1 no es un número primo). Para este caso el segundo miembro del triplete es p+2 = (3k + 1) + 2 = 3k + 3 = 3(k + 1). Obviamente, p+2, al tener los factores 3 y k+1, no puede ser un número primo. Concluimos que no hay tripleta en este caso. Finalmente, supongamos que p dividido por 3 nos da un resto de 2. Entonces, p=3k +2 para cualquier entero k ³ 0. Por tanto, el tercer número del triplete es p+4=(3k + 2) + 4 = 3k + 6 = 3(k + 2). Pero entonces p+4 no es un número primo, ya que tiene un factor de 3. Ningún triplete de números primos encaja tampoco en esta categoría.
Reuniendo nuestros resultados, vemos que el único conjunto de tripletes de números primos es el triplete sencillo: 3, 5, 7. La respuesta a la pregunta "¿Existe un número infinito de tripletes de números primos?" es un sonoro "no". Sólo hay uno. Sin embargo sustituyendo la palabra tripletes por gemelos convierte esto en un problema ingente.
¿Que se puede decir acerca de la distribución global de los números primos entre los números enteros? Una opción es acercarse al problema reuniendo datos, examinándolos y buscando pruebas de una posible regla.
Introducimos el símbolo p(x) para representar el número de primos menores o iguales que el número entero x. Por ejemplo, p(8) = 4, ya que 2, 3, 5 y 7 son los cuatro números primos menores o iguales que 8. Asimismo, p(9) = p(10) = 4 también. Pero p(13) = 6, ya que 2, 3, 5, 7, 11, y 13 son los seis números primos menores o iguales a 13.
Ahora reunimos datos. Esto supone contar números primos y construir una tabla para p(x). Vamos a dar una lista de los valores de p(x) para potencias de 10 desde 10 a 10.000 millones. Las dos columnas de la derecha de la tabla requieren una explicación. Una da los valores de
p(x)
x
que es la proporción de los números menores o iguales a x que son primos. Por ejemplo, hay exactamente 78.498 números primos menores o iguales que un millón, de manera que
p(1.000.000) = 78.498 = 0,078498
1.000.000 1.000.000
Esto significa que el 7.85 por ciento de todos los números por debajo de un millón son primos, y el 92.15 por ciento son números compuestos.
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