An Invitation to Additive Prime Number Theory

2000 Mathematics Subject Classification: 11D75, 11D85, 11L20, 11N05, 11N35, 11N36, 11P05, 11P32, 11P55.

Aspects of elementary number theory illustrated in the spreadsheet environment

Number theory has in recent decades assumed a great practical importance, due primarily to its application to cryptography. This chapter discusses how elementary concepts of number theory may be illuminated and made accessible to upper secondary school students via appropriate spreadsheet models. In such environments, students can observe patterns, gain structural insight, form and test conjectures, and solve problems. The chapter begins by reviewing literature on the use of spreadsheets in general and the use of spreadsheets in number theory in particular. Two sample applications are then discussed. The first, factoring factorials, is presented and instructions are given to construct a model in Excel 2007. The second application, the RSA cryptosystem, is included because of its importance to Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) students. Number theoretic concepts relevant to RSA are discussed, and an outline of RSA. is given, with example. The chapter ends with instructions on how to construct a simple spreadsheet illustrating RSA.

Group Actions and Elementary Number Theory

Abstract | In this article the shuffling of cards is studied by using the concept of a group action. We use some fundamental results in Elementary Number Theory to obtain formulas for the orders of some special shufflings, namely the Faro and Monge shufflings and give necessary and sufficient conditions for the Monge shuffling to be a cycle. In the final section we extend the considerations to the shuffling of multisets.

On some Density Theorems in Number Theory and Group Theory

Gowers, dans son article sur les matrices quasi-aléatoires, étudie la question, posée par Babai et Sos, de l'existence d'une constante $c>0$ telle que tout groupe fini possède un sous-ensemble sans produit de taille supérieure ou égale a $c|G|$. En prouvant que, pour tout nombre premier $p$ assez grand, le groupe $PSL_2(\mathbb{F}_p)$ (d'ordre noté $n$) ne posséde aucun sous-ensemble sans produit de taille $c n^{8/9}$, il y répond par la négative. Nous allons considérer le probléme dans le cas des groupes compacts finis, et plus particuliérement des groupes profinis $SL_k(\mathbb{Z}_p)$ et $Sp_{2k}(\mathbb{Z}_p)$. La premiére partie de cette thése est dédiée à l'obtention de bornes inférieures et supérieures exponentielles pour la mesure suprémale des ensembles sans produit. La preuve nécessite d'établir préalablement une borne inférieure sur la dimension des représentations non-triviales des groupes finis $SL_k(\mathbb{Z}/(p^n\mathbb{Z}))$ et $Sp_{2k}(\mathbb{Z}/(p^n\mathbb{Z}))$. Notre théoréme prolonge le travail de Landazuri et Seitz, qui considérent le degré minimal des représentations pour les groupes de Chevalley sur les corps finis, tout en offrant une preuve plus simple que la leur. La seconde partie de la thése à trait à la théorie algébrique des nombres. Un polynome monogéne $f$ est un polynome unitaire irréductible à coefficients entiers qui endengre un corps de nombres monogéne. Pour un nombre premier $q$ donné, nous allons montrer, en utilisant le théoréme de densité de Tchebotariov, que la densité des nombres premiers $p$ tels que $t^q -p$ soit monogéne est supérieure ou égale à $(q-1)/q$. Nous allons également démontrer que, quand $q=3$, la densité des nombres premiers $p$ tels que $\mathbb{Q}(\sqrt[3]{p})$ soit non monogéne est supérieure ou égale à $1/9$.

Number Theory

Lecture notes for a number theory course

Analytic perturbation theory for bound states in the transfer matrix spectrum of weakly correlated lattice ferromagnetic spin systems

We consider general d-dimensional lattice ferromagnetic spin systems with nearest neighbor interactions in the high temperature region ('beta' << 1). Each model is characterized by a single site apriori spin distribution taken to be even. We also take the parameter 'alfa' = ('S POT.4') - 3 '(S POT.2') POT.2' > 0, i.e. in the region which we call Gaussian subjugation, where ('S POT.K') denotes the kth moment of the apriori distribution. Associated with the model is a lattice quantum field theory known to contain a particle of asymptotic mass -ln 'beta' and a bound state below the two-particle threshold. We develop a 'beta' analytic perturbation theory for the binding energy of this bound state. As a key ingredient in obtaining our result we show that the Fourier transform of the two-point function is a meromorphic function, with a simple pole, in a suitable complex spectral parameter and the coefficients of its Laurent expansion are analytic in 'beta'.

Phase transitions in number theory: from the birthday problem to Sidon sets

In this work, we show how number theoretical problems can be fruitfully approached with the tools of statistical physics. We focus on g-Sidon sets, which describe sequences of integers whose pairwise sums are different, and propose a random decision problem which addresses the probability of a random set of k integers to be g-Sidon. First, we provide numerical evidence showing that there is a crossover between satisfiable and unsatisfiable phases which converts to an abrupt phase transition in a properly defined thermodynamic limit. Initially assuming independence, we then develop a mean-field theory for the g-Sidon decision problem. We further improve the mean-field theory, which is only qualitatively correct, by incorporating deviations from independence, yielding results in good quantitative agreement with the numerics for both finite systems and in the thermodynamic limit. Connections between the generalized birthday problem in probability theory, the number theory of Sidon sets and the properties of q-Potts models in condensed matter physics are briefly discussed

Analytic function theory.

Includes bibliographies.

Problems in number theory and hyperbolic geometry

In the first part of this thesis we generalize a theorem of Kiming and Olsson concerning the existence of Ramanujan-type congruences for a class of eta quotients. Specifically, we consider a class of generating functions analogous to the generating function of the partition function and establish a bound on the primes ℓ for which their coefficients c(n) obey congruences of the form c(ℓn + a) ≡ 0 (mod ℓ). We use this last result to answer a question of H.C. Chan. In the second part of this thesis [S2] we explore a natural analog of D. Calegari’s result that there are no hyperbolic once-punctured torus bundles over S^1 with trace field having a real place. We prove a contrasting theorem showing the existence of several infinite families of pairs (−χ, p) such that there exist hyperbolic surface bundles over S^1 with trace field of having a real place and with fiber having p punctures and Euler characteristic χ. This supports our conjecture that with finitely many known exceptions there exist such examples for each pair ( −χ, p).

Sieve methods

Preface: The main goal of this work is to give an introductory account of sieve methods that would be understandable with only a slight knowledge of analytic number theory. These notes are based to a large extent on lectures on sieve methods given by Professor Van Lint and the author in a number theory seminar during the 1970-71 academic year, but rather extensive changes have been made in both the content and the presentation...

Irrégularités dans la distribution des nombres premiers et des suites plus générales dans les progressions arithmétiques

Le sujet principal de cette thèse est la distribution des nombres premiers dans les progressions arithmétiques, c'est-à-dire des nombres premiers de la forme $qn+a$, avec $a$ et $q$ des entiers fixés et $n=1,2,3,\dots$ La thèse porte aussi sur la comparaison de différentes suites arithmétiques par rapport à leur comportement dans les progressions arithmétiques. Elle est divisée en quatre chapitres et contient trois articles. Le premier chapitre est une invitation à la théorie analytique des nombres, suivie d'une revue des outils qui seront utilisés plus tard. Cette introduction comporte aussi certains résultats de recherche, que nous avons cru bon d'inclure au fil du texte. Le deuxième chapitre contient l'article \emph{Inequities in the Shanks-Rényi prime number race: an asymptotic formula for the densities}, qui est le fruit de recherche conjointe avec le professeur Greg Martin. Le but de cet article est d'étudier un phénomène appelé le <>, qui s'observe dans les <>. Chebyshev a observé qu'il semble y avoir plus de premiers de la forme $4n+3$ que de la forme $4n+1$. De manière plus générale, Rubinstein et Sarnak ont montré l'existence d'une quantité $\delta(q;a,b)$, qui désigne la probabilité d'avoir plus de premiers de la forme $qn+a$ que de la forme $qn+b$. Dans cet article nous prouvons une formule asymptotique pour $\delta(q;a,b)$ qui peut être d'un ordre de précision arbitraire (en terme de puissance négative de $q$). Nous présentons aussi des résultats numériques qui supportent nos formules. Le troisième chapitre contient l'article \emph{Residue classes containing an unexpected number of primes}. Le but est de fixer un entier $a\neq 0$ et ensuite d'étudier la répartition des premiers de la forme $qn+a$, en moyenne sur $q$. Nous montrons que l'entier $a$ fixé au départ a une grande influence sur cette répartition, et qu'il existe en fait certaines progressions arithmétiques contenant moins de premiers que d'autres. Ce phénomène est plutôt surprenant, compte tenu du théorème des premiers dans les progressions arithmétiques qui stipule que les premiers sont équidistribués dans les classes d'équivalence $\bmod q$. Le quatrième chapitre contient l'article \emph{The influence of the first term of an arithmetic progression}. Dans cet article on s'intéresse à des irrégularités similaires à celles observées au troisième chapitre, mais pour des suites arithmétiques plus générales. En effet, nous étudions des suites telles que les entiers s'exprimant comme la somme de deux carrés, les valeurs d'une forme quadratique binaire, les $k$-tuplets de premiers et les entiers sans petit facteur premier. Nous démontrons que dans chacun de ces exemples, ainsi que dans une grande classe de suites arithmétiques, il existe des irrégularités dans les progressions arithmétiques $a\bmod q$, avec $a$ fixé et en moyenne sur $q$.