jueves, 9 de febrero de 2017

Divisores de los números 3-friables


En la entrada anterior presentamos los números 3-friables, que son aquellos que sólo tienen como factores primos el 2 y/o el 3, con expresión 2^p*3^q. Conviene leerla previamente para entender lo que sigue. Puedes pulsar el enlace "Entrada antigua" al final de esta entrada.

Las funciones dependientes de divisores serán en este caso muy simples, ya que sólo manejaremos los exponentes de 2 y 3. Vemos algunas:

Número de divisores (función TAU)

Nos basaremos en la expresión general de estos números, sea


Consultamos nuestra publicación sobre funciones multiplicativas (http://www.hojamat.es/publicaciones/multifun.pdf) y vemos que TAU se expresa respecto a los exponentes como

En este caso D(N)=(1+p)(1+q). Por tanto, nunca tendrán un número de divisores primo si son múltiplos de ambos 2 y 3, pero sí pueden serlo si sólo son múltiplos de uno de ellos. En otros casos podrá ser semiprimo el número de divisores, como en el caso 2^2*3^6 cuyo número de divisores es 3*7, semiprimo.

También se puede dar la casualidad, al tener pocos factores, de que el número 3-friable sea múltiplo de TAU. Pues bien, resultan muchos números con esta propiedad. Los primeros son:

1, 2, 8, 9, 12, 18, 24, 36, 72, 96, 108, 128, 288, 384, 864, 972, 1152, 1944, 3456, 6144, 6561, 6912, 7776, 13122, 18432, 26244, 31104, 32768, 52488, 55296, 62208, 69984, 98304,...

Los puedes conseguir con PARI:

m23(n)={local(m,v);m=n;while(m/2==m\2,m=m/2);while(m/3==m\3,m=m/3);if(m==1,v=1,v=0);v}
for(i=1,10^5,if(m23(i)&&i%sigma(i,0)==0,print1(i,", ")))


Función SIGMA

La función SIGMA suma todos los divisores de un número, al igual que la anterior los cuenta. Su expresión es

Es fácilmente adaptable a nuestro caso. Sería así:

Por ejemplo, el elemento 384=2^7*3 tendrá (1+7)(1+1)=16 divisores. En efecto, son estos: 384, 192, 128, 96, 64, 48, 32, 24, 16, 12, 8, 6, 4, 3, 2, 1. Su suma, la función SIGMA, tendrá el valor (2^8-1)(3^2-1)/2=255*4=1020, como puedes comprobar sumando los 16 divisores.

¿Puede ser prima la sigma de estos números?

Para ello, uno de los factores debería ser primo, y el otro la unidad. Si observas los paréntesis de la fórmula de arriba, sólo valdrán 1 si p=0 o q=0. Sólo pueden tener sigma prima aquellos elementos que sólo sean múltiplos de 2 o de 3. En concreto son los siguientes:

2, 4, 9, 16, 64, 729, 4096, 65536, 262144,…

Los puedes conseguir con este algoritmo en PARI

m23(n)={local(m,v);m=n;while(m/2==m\2,m=m/2);while(m/3==m\3,m=m/3);if(m==1,v=1,v=0);v}
for(i=1,300000,a=m23(i);if(a&&isprime(sigma(i)),print1(i,", ")))


Vemos que aparecen números de la forma 2^p, como 2, 4, 16, 64, 4096, y otros del tipo 3^q, que serían 9 y 729. Los vemos por separado:

Los elementos del tipo 2^p serán aquellos en los que 2^(p+1)-1 sea primo, pero esos son los  primos de Mersenne: 3, 7, 31, 127, 8191,…, por lo que serán los únicos casos posibles, según la tabla siguiente:



Aquí tienes la lista de los primeros casos del tipo 2^p:

2, 4, 16, 64, 4096, 65536, 262144, 1073741824, 1152921504606846976, 309485009821345068724781056, 81129638414606681695789005144064, 85070591730234615865843651857942052864,…

Es fácil ver que en esta tabla sigma(sigma(n))=2n. En efecto, los primeros de la tabla son fácilmente comprobables: sigma(sigma(4))=sigma(7)=7+1=2*4,…Mediante cálculos tendríamos que

sigma(sigma(2^p))=sigma(2^(p+1)-1)=2^(p+1)-1+1,

por ser prima la sigma, luego

Sigma(sigma(2^p))=2^(p+1)=2*2^p

Por tener esta propiedad, a estos números se les llama superperfectos, y están publicados en http://oeis.org/A019279

Los del tipo 3^q tendrán sigma prima si (3^(q+1)-1)/2 es primo, lo que obliga a que q sea par, como ocurre en los casos vistos de 9=3^2 y 729=3^6 y podemos añadir 3^12=531441. Esta es la lista de los primeros:

9, 729, 531441, 2503155504993241601315571986085849, 4638397686588101979328150167890591454318967698009,…

Están publicados en http://oeis.org/A255510


¿Podría ser semiprima?

La sigma de los números 3-friables también puede ser semiprima. Basta exigir en los algoritmos que bigomega(N) sea igual a 2, si recordamos que BIGOMEGA cuenta los factores primos con repetición. Si unimos las funciones solo23 (o m23 en PARI) con bigomega obtendremos las soluciones. En la tabla puedes estudiar los primeros ejemplos, obtenidos con hoja de cálculo




La primera columna contiene los números (3-friables), la segunda su sigma y la última los dos factores de la misma que la convierten en semiprima.

Podemos ampliar la lista usando PARI:

m23(n)={local(m,v);m=n;while(m/2==m\2,m=m/2);while(m/3==m\3,m=m/3);if(m==1,v=1,v=0);v}
for(i=2,10^11,if(m23(i)&&bigomega(sigma(i))==2,print1(i,", ")))

Obtendremos:

3, 8, 18, 36, 81, 144, 256, 576, 1024, 1458, 2916, 6561, 11664, 36864, 46656, 59049, 589824, 1062882, 2125764, 2359296, 2985984, 4194304, 8503056, 34012224, 43046721, 47775744, 191102976, 387420489, 2176782336, 9663676416, 31381059609, 34828517376, 68719476736, 139314069504,…

Este algoritmo es muy lento, por lo que podemos usar la idea del producto cartesiano que desarrollamos en la anterior entrada. Sólo hay que ordenar al final la lista que creemos término a término. Quedaría así:


l=List();for(i=0,40,for(j=0,25,a=2^i*3^j;if(bigomega(sigma(a))==2,listput(l,a))));listsort(l);print(l)

Nos da más términos de una forma muy rápida:

3, 8, 18, 36, 81, 144, 256, 576, 1024, 1458, 2916, 6561, 11664, 36864, 46656, 59049, 589824, 1062882, 2125764, 2359296, 2985984, 4194304, 8503056, 34012224, 43046721, 47775744, 191102976, 387420489, 2176782336, 9663676416, 31381059609, 34828517376, 68719476736, 139314069504, 782757789696, 1099511627776, 570630428688384,…

Y los que son sólo potencias de 2

8, 256, 1024, 4194304, 68719476736, 1099511627776, 281474976710656, 288230376151711744, 73786976294838206464, 4835703278458516698824704, 79228162514264337593543950336, 1267650600228229401496703205376, 5070602400912917605986812821504, 324518553658426726783156020576256,

Se encuentran fácilmente con PARI:

for(n=1,120,a=2^n;if(bigomega(sigma(a))==2,print1(a,", ")))

Se corresponden con los exponentes 3, 8, 10, 22, 36, 40, ,48, 58, 66, 82, 96, 100, 102, 108,…


Indicatriz de Euler

Para estos números N es muy fácil obtener la indicatriz, número de números coprimos con N y menores que él. Disponemos de una fórmula sencilla, publicada en muchos medios

En este caso:

j(N)=j(2^p*3^q)=2^p*3^q*(1-1/2)(1-1/3)=2^p*3^(q-1)

Existen relaciones muy sencillas en este caso entre N y j(N)

(a) Si q>0 y p>0 , la indicatriz es un tercio del número, como es fácil de ver por su expresión.

(b) Si q=0 tenemos que usar j(N)=j(2^p)=2^p*(1-1/2)=2^(p-1) y sería la mitad.

(c) Si p=0 tenemos j(N)=j(3^q)=3^q*(1-1/3)=3^(q-1)*2 y equivaldría a los dos tercios de N.

En la siguiente tabla lo puedes comprobar: los cocientes entre N y su Indicatriz siempre son 3, 2 o 1,5, según si son potencias dobles de 2 y 3 o sólo de 2 o sólo de 3:


Consecuencia importante: La indicatriz de un número 3-friable es también 3-friable.

Las propiedades que hemos estudiado se pueden unificar en una sola fórmula:

j(6N)=2N
Recorremos los casos:

Si q>0 y p>0 , 6N=2^(p+1)*3^(q+1), luego la indicatriz valdrá un tercio, es decir 2^(p+1)*3^q, que equivale a 2N

Si q=0, 6N=2^(p+1)*3, y la indictariz también será un tercio, es decir 2^(p+1)=2N

Si p=0, 6N=2*3^(q+1). La indicatriz vuelve a ser un tercio, y queda 2*3^q=2N

Divisores unitarios

Un divisor k de N es unitario si es primo con el cociente N/k, que por tanto también sería unitario. Los unitarios forman pares, comenzando con (N,1). Es sencillo razonar que en los números 3-friables 2^p*3^q con p>0 y q>0 sólo existirá otro par, el (2^p,3^q). Por tanto, la función USIGMA, suma de unitarios, valdrá en este caso

Usigma(n)=2^p*3^q+2^p+3^q+1=(2^p+1)(3^q+1).

Podemos interpretarlo como que se incrementan en una unidad las componentes 2^p y 3^q y después se multiplican, siempre que p>0 y q>0. Hemos construido una tabla en la que se confirma que usigma es igual a ese producto.