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Comment connaître les nombres premiers en mathématiques

William Mievre - Mis à jour le 

La découverte et la compréhension des nombres premiers constituent une pierre angulaire dans l'étude des mathématiques. Ces nombres fascinants jouent un rôle crucial non seulement en théorie des nombres, mais également dans divers domaines tels que la cryptographie et l'informatique. Dans cet article, nous allons explorer comment identifier un nombre premier, décrire différentes techniques pour trouver ces nombres et présenter des exemples concrets et algorithmes permettant de les déterminer.

Nombre Premier

Définition et caractéristiques des nombres premiers

Les nombres premiers sont des nombres entiers supérieurs à 1 qui ne sont divisibles que par 1 et eux-mêmes. Contrairement aux nombres composés, qui ont plusieurs diviseurs, un nombre premier n'a que deux diviseurs distincts. Voici quelques caractéristiques clés des nombres premiers :

  • Tout nombre entier supérieur à 1 est soit un nombre premier, soit un produit de nombres premiers.
  • 2 est le seul nombre premier pair ; tous les autres nombres premiers sont impairs.
  • Les nombres premiers sont infinis, comme démontré dans la preuve d'Euclide.
  • Les nombres premiers peuvent être utilisés pour créer des structures mathématiques complexes, comme les anneaux de polynômes.

Méthodes pour identifier les nombres premiers

La méthode de division naïve

Une technique simple pour vérifier si un nombre est premier consiste à tester sa divisibilité par tous les entiers inférieurs à lui-même. Cette méthode, bien qu'efficace pour les petits nombres, devient rapidement inefficace pour les grands nombres. Par exemple, pour vérifier si 29 est premier, il faudrait tester les divisions successives par 2, 3, 4, ..., 28.

  1. Choisissez un nombre à tester, disons N.
  2. Divisez N par chaque entier positif inférieur ou égal à la racine carrée de N.
  3. Si aucune de ces divisions ne donne un quotient entier, alors N est un nombre premier.

Exemple : Pour vérifier si 11 est un nombre premier :

  • Racine carrée de 11 ≈ 3,32 (prendre la partie entière supérieure, qui est 3).
  • Tester les divisibilités par 2 et 3 uniquement.
  • Comme 11 n'est pas divisible ni par 2 ni par 3, c'est un nombre premier.

Le crible d'Ératosthène

Le crible d'Ératosthène est une méthode ancienne, mais efficace et ingénieuse pour énumérer les nombres premiers jusqu'à un certain entier. Il fonctionne en éliminant systématiquement les multiples de chaque nombre premier trouvé à partir de 2.

  1. Écrire les nombres de 2 jusqu'à n.
  2. Commencer avec le premier nombre (2) et supprimer tous ses multiples.
  3. Passer au nombre suivant non supprimé (3) et supprimer tous ses multiples.
  4. Répéter ce processus jusqu'à atteindre la racine carrée de n.

Exemple : Utilisation du crible pour trouver les nombres premiers jusqu'à 30 :

  • Lister les nombres : 2, 3, 4, ..., 30.
  • Supprimer les multiples de 2 : 4, 6, 8, ..., 30.
  • Supprimer les multiples de 3 : 6, 9, 12, ..., 30. (remarquez que certains multiples ont déjà été supprimés lors de l'étape précédente)
  • Poursuivre avec les nombres suivants.

Résultat : Les nombres restants sur la liste (après balayage jusqu'à √30) sont les nombres premiers, ici : 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 et 29.

Image qui représente les Nombres Premiers

Les tests de primalité avancés

Pour les très grands nombres, les méthodes précédentes deviennent peu pratiques. Divers tests de primalité avancés ont donc été développés :

Le test de Fermat

Basé sur le petit théorème de Fermat, ce test s'appuie sur les propriétés exponentielles des nombres pour vérifier leur prémisse.

  1. Sélectionne un nombre naturel a tel que 1 < a < p-1.
  2. Calcule a^(p-1) modulo p.
  3. Si le résultat n'est pas 1, alors p n'est pas un premier.
  4. Sinon, recommence avec un autre a.

Exemple : Testons si 31 est un nombre premier, en choisissant a = 2 :

  • Calculer 2^30 % 31 (qui peut se simplifier grâce aux propriétés modulo).
  • Terme final = 1 ? Alors, il y a suspicion que 31 pourrait être premier.

Le test de Miller-Rabin

Un autre test probabiliste communément utilisé est celui de Miller-Rabin. Ce test est plus précis et réduit davantage les faux positifs comparativement au test de Fermat.

Il suit une procédure algorithmique pour vérifier si un nombre est composite. Bien que technique, ses étapes fondamentales impliquent la factorisation du nombre-1 et vérifications répétées avec diverses bases. Si des violations sont constatées, le nombre testé est composite sinon, jugé probablement premier.

Liste de nombres premiers connus et utilisation pratique

Premiers milliers de petits nombres premiers

Avoir accès à une liste de nombres premiers peut grandement simplifier de nombreux calculs mathématiques et analytiques. Voici une courte séquence des premiers nombres premiers :

  • 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, ...

Application des nombres premiers dans la technologie

Les nombres premiers se retrouvent principalement appliqués dans divers domaines :

  • Cryptographie : Primordiaux dans les algorithmes de sécurité informatique comme RSA qui repose sur la complexité de la factorisation des grands produits de nombres premiers.
  • Génération de nombres pseudo-aléatoires pour applications logicielles sécuritaires.
  • Algorithmes efficaces utilisés dans les moteurs de recherche pour raffiner des « hash functions » en programmations informatiques avancées.

Approfondissements mathématiques et découvertes actuelles

Théories et conjectures modernes

Les études sur les nombres premiers évoluent continuellement ; certaines questions importantes posées demeurent encore non résolues. Parmi lesquelles :

  • Conjecture de Goldbach : Chaque nombre pair supérieur à 2 peut être écrit comme somme de deux nombres premiers.
  • Hypothèse de Riemann : Aborde la distribution des zéros non-triviaux de la fonction zêta de Riemann et ses conséquences implicites pour la répartition des nombres premiers.

Découverte record de grands nombres premiers

Avec l'avancement technologique, notamment des superordinateurs, on découvre périodiquement de très grands nombres premiers, surtout ceux dits « Mersenne ». Ceux-ci se présentent sous forme spéciale 2^p - 1, là où p seul doit être premier.

Exemple notable en janvier 2018, grâce à un programme collaboratif GIMPS (Great Internet Mersenne Prime Search), le plus grand nombre premier connu était 2^77 232 917 - 1 constitué de 23,249,425 chiffres.

Conclusion intérimaire

La quête des nombres premiers touche tant les passionnés de théories abstraites que les professionnels naviguant flux de données sécurisées. De leur simplicité conceptuelle naît une complexité élégante profitée valablement à tout niveau analytique numérique.

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William Mievre

Passé par une Prépa HEC puis l'ESCP (3e meilleure école de commerce française), j'ai co-fondé Les Sherpas, une entreprise innovante dans le secteur de l'EdTech spécialisée dans le soutien scolaire.Avec 10 années d'expérience dans les cours particuliers, ma passion réside dans l'éducation et le développement personnel. Mon objectif est de vous offrir des conseils pratiques et éprouvés pour aider vos enfants à réussir et à s'épanouir dans leur parcours scolaire. A très bientôt ✌️💖 !