lunes, 6 de mayo de 2019

Números primos con la misma suma o diferencia de cuadrados (1)


Muchas entradas de este blog se inician en los cálculos sobre fechas que publico en Twitter. El día 28/4/18 presentaba la propiedad de que 

28418=23²+167²=43²+163²

es decir, que 28418 equivale a una suma de cuadrados de números primos de dos formas distintas. Si en esta igualdad de sumas transponemos cuadrados, se convierte en la igualdad de diferencias. 

Así, 167²-163²=43²-23², y 167²-43²=163²-23².

Estudiaremos en esta entrada qué números equivalen a la suma de cuadrados de números primos y separadamente, los que equivalen a diferencias, en ambos casos de dos o más formas distintas. Terminaremos el estudio con algunas relaciones entre ambos.

Así que las equivalencias entre sumas y las diferencias, como es evidente, están relacionadas. Esto excluye al número primo 2, por lo que en lo que sigue sólo intervendrán primos impares. Comenzamos con la suma de cuadrados.

Números equivalentes a dos sumas de cuadrados de primos


 Estos números están publicados en http://oeis.org/A226539

338, 410, 578, 650, 890, 1010, 1130, 1490, 1730, 1802, 1898, 1970, 2330, 2378, 2738, 3050, 3170, 3530, 3650, 3842, 3890, 4010, 4658, 4850, 5018, 5090, 5162, 5402, 5450, 5570, 5618, 5690, 5858, 6170, 6410, 6530, 6698, 7010, 7178, 7202, 7250, 7850, 7970, …

Como en este blog se usa la hoja de cálculo, se puede intentar reproducirlos con una función apropiada en el Basic de Excel o LibreOffice Calc. Puede ser la siguiente, en la que n es el número a analizar y k el número de sumas de cuadrados de primos que sean equivalentes. El resultado es el listado, en forma de cadena de texto, de los primos de cada par o la palabra “NO” si no existen soluciones.

public function sumaprimcuad$(n,k)
dim  b, c,i,m
dim ca$

ca="" ‘Cadena vacía que recibirá las soluciones
m=0 ‘Contador de soluciones
b=sqr(n/2) ‘Tope para ensayar primos
for i=1 to b ‘La variable i recorre los valores de los primos
if esprimo(i) then
c=int(sqr(n-i^2+1e-5)) ‘Se investigará si el segundo sumando es primo
if esprimo(c) and i^2+c^2=n then m=m+1: ca$=ca$+" "+ajusta(i)+" "+ajusta(c)+" & "
end if ‘Si hay solución se incrementa m y se copia en ca$
next i
if m=k then sumaprimcuad=ca else sumaprimcuad="NO"
end function

Aplicando esta función a un bucle de búsqueda se obtienen las primeras soluciones para el caso k=2, que es el que nos interesa en este estudio. Cada solución viene acompañada de sus dos pares de primos:

338        7 17 &  13 13 &
410        7 19 &  11 17 &
578        7 23 &  17 17 &
650        11 23 &  17 19 &
890        7 29 &  19 23 &
1010      7 31 &  13 29 &
1130      13 31 &  17 29 &
1490      11 37 &  23 31 &
1730      7 41 &  19 37 &
1802      11 41 &  29 31 &
1898      7 43 &  23 37 &
1970      11 43 &  17 41 &
2330      11 47 &  31 37 &
2378      13 47 &  23 43 &
2738      23 47 &  37 37 &

Coinciden con los primeros publicados en OEIS. Llama la atención ver que alguna de las soluciones contiene primos repetidos, como la última, en la que se repite el 37.

La ventaja de disponer de una función es que la podemos aplicar a números grandes sin tener que recorrer los previos.

Factores primos de las soluciones


 A la lista de los primeros números encontrados hemos añadido más abajo las dos sumas de cuadrados de primos y la descomposición factorial. Esta última es interesante porque de ella depende que existan dos o más descomposiciones en  suma de cuadrados (sean o no de primos). En una entrada antigua de este blog reproducíamos la fórmula de Gauss para contar esas sumas.

En ella se exigía que si figuran primos del tipo 4k+3, estos estuvieran elevados al cuadrado. En el listado de más abajo observamos que esto ocurre en 338, que contiene 13 al cuadrado, y en 578, con el cuadrado de 17:

338        7 17 &  13 13 &                [2,1][13,2]
410        7 19 &  11 17 &                [2,1][5,1][41,1]
578        7 23 &  17 17 &                [2,1][17,2]
650        11 23 &  17 19 & [2,1][5,2][13,1]
890        7 29 &  19 23 &                [2,1][5,1][89,1]
1010      7 31 &  13 29 &                [2,1][5,1][101,1]
1130      13 31 &  17 29 & [2,1][5,1][113,1]
1490      11 37 &  23 31 & [2,1][5,1][149,1]
1730      7 41 &  19 37 &                [2,1][5,1][173,1]
1802      11 41 &  29 31 & [2,1][17,1][53,1]
1898      7 43 &  23 37 &                [2,1][13,1][73,1]
1970      11 43 &  17 41 & [2,1][5,1][197,1]
2330      11 47 &  31 37 & [2,1][5,1][233,1]
2378      13 47 &  23 43 & [2,1][29,1][41,1]
2738      23 47 &  37 37 & [2,1][37,2]
3050      29 47 &  37 41 & [2,1][5,2][61,1]
3170      19 53 &  31 47 & [2,1][5,1][317,1]
3530      7 59 &  41 43 &                [2,1][5,1][353,1]
3650      13 59 &  29 53 & [2,1][5,2][73,1]
3842      11 61 &  19 59 & [2,1][17,1][113,1]
3890      13 61 &  41 47 & [2,1][5,1][389,1]
4010      17 61 &  23 59 & [2,1][5,1][401,1]
4658      13 67 &  43 53 & [2,1][17,1][137,1]

Se observa que aparte del factor 2, presente por ser números pares, el resto, suele tener otros dos factores, ya sean repetidos, como en 2738=2*37², o bien distintos, como en el caso de 2378=2*29*41. Hay otros, y eso los hace interesantes, que poseen tres factores más, como 3050=2*5²*61. En estos casos aparecerán nuevas sumas de cuadrados, pero ya no tienen que tener base prima.

En efecto, 3050=29²+47²=37²+41²=5²+55²

La última suma es claramente de bases no primas, que no intervienen en la cuestión que estamos estudiando.

Podemos pasar esta función a PARI, y obtener así un listado más compacto de las soluciones:

for(n=2,10000,m=0;b=sqrt(n/2);for(i=2,b,if(isprime(i),c=truncate(sqrt(n-i^2+1e-5));if(isprime(c)&&(i^2+c^2==n),m+=1)));if(m==2,print1(n,", ")))

Con este código se pueden obtener los números desde el 2 hasta el 10000 contenidos en http://oeis.org/A226539



Números con tres descomposiciones


Si en la función dada hacemos k=3 obtendremos los números que admiten su descomposición en tres sumas de cuadrados de números primos. Puedes intentarlo con la herramienta referida. Los primeros casos son:

2210     19 43 &  23 41 &  29 37 &
3770      7 61 &  17 59 &  31 53 &
5330     17 71 &  29 67 &  43 59 &
6290      7 79 &  31 73 &  53 59 &

Están publicados en http://oeis.org/A226562

2210, 3770, 5330, 6290, 12818, 16490, 18122, 19370, 24050, 24650, 26690, 32810, 33410, 34970, 36530, 39650, 39770, 44642, 45050, 45890, 49010, 50690, 51578, 57770, 59450, 61610, 63050, 66170, 67490, 72410, 73610, 74210, 80330, 85202, 86210, 86330, 88010,...

Podríamos seguir con los que admiten cuatro descomposiciones o más, pero lo dejamos como ejercicio, que no es difícil disponiendo de la función que hemos presentado.

En la siguiente entrada estudiaremos la misma cuestión, pero con diferencias.

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