Nombres à huit diviseurs

Piste rouge Le 5 octobre 2017  - Ecrit par  Jérôme Germoni Voir les commentaires (3)

Un lecteur d’Images des mathématiques a écrit à la rédaction :

« Sur une plage de valeur entre deux grands entiers $M$ et $N$, quelles sont les fréquences de nombres avec 2 diviseurs, 3 diviseurs, 4 diviseurs, etc.

[...] J’ai simulé avec Mathematica le calcul des fréquences pour $1\,000\,000\,000$ d’entiers et je trouve environ $22~\%$ de nombres avec $8$ diviseurs entre $1$ et $1\,000\,000\,000$ alors que les autres cas sont moins fréquents... Je trouve ce résultat étrange... Enfin si vous avez une idée je suis preneur... »

Votre remarque

Vous comptez les entiers inférieurs à $x=1\,000\,000\,000=10^9$ qui possèdent exactement $8$ diviseurs. Notons $A$ l’ensemble des entiers non nuls qui possèdent $8$ diviseurs, vous vous intéressez à la proportion
\[\frac{\mathrm{card}\{n\in A,\ n\le 10^9\}}{\mathrm{card}\{n\in\mathbb{N}^*,\ n\le 10^9\}} =\frac{\mathrm{card}\{n\in A,\ n\le 10^9\}}{10^9},\]
où $\mathrm{card}$ désigne le cardinal, c’est-à-dire le nombre d’éléments.

Je trouve remarquable que vous ayez réussi à calculer cette proportion pour un nombre aussi grand que $10^9$. J’ai lancé des calculs avec Pari/GP, logiciel libre « conçu pour les calculs rapides en arithmétique » qui réussit à calculer jusqu’à $10^9$ en moins d’une heure, ce qui m’impressionne. Ces calculs donnent :
\[\frac{\mathrm{card}\{n\in A,\ n\le 10^9\}}{\mathrm{card}\{n\in\mathbb{N},\ n\le 10^9\}}\simeq0,\!214,\]
un résultat relativement proche du vôtre (en allant jusqu’à $10^8$ au lieu de $10^9$, la proportion est environ $0,\!219$, plus proche de $22~\%$).

On voudrait savoir ce que devient la proportion si l’on remplace $10^9$ par $N$ et si l’on fait tendre $N$ vers l’infini. La réponse est un peu décevante : elle tend vers $0$. Je vais essayer de vous en convaincre.

Expériences numériques

Voici quelques expériences numériques qui incitent à la prudence. La figure ci-dessous montre, pour plusieurs valeurs de $N$, la proportion des entiers $n\le N$ qui ont respectivement deux diviseurs (ce sont les nombres premiers), quatre diviseurs, huit diviseurs ou seize diviseurs.

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Fréquence des nombres ayant deux, quatre, huit ou seize diviseurs jusqu’à N = 100 et N = 1000

Par exemple, dans le premier graphe ($N$ varie de $1$ à $100$), le point bleu d’abscisse $100$ a pour ordonnée $0,\!1$, ce qui signifie qu’il y a $0,\!1N=10$ nombres inférieurs à $100$ qui ont huit diviseurs : ce sont $24$, $30$, $40$, $42$, $54$, $56$, $66$, $70$, $78$, $88$.

Pour $N\le 50$, les nombres premiers sont les plus nombreux. Puis les nombres ayant deux facteurs premiers (quatre diviseurs) prennent la tête. Vers $700$ ou $800$, les nombres premiers et les nombres ayant huit diviseurs ont à peu près la même fréquence.

Augmentons encore la valeur de $N$.

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Fréquence des nombres ayant deux, quatre, huit ou seize diviseurs jusqu’à N = 104 et N = 105

Si on calcule jusqu’à $10^4$, la prédominance des nombres ayant quatre facteurs premiers semble bien établie ! Sauf qu’en termes électoraux plus que mathématique, la dynamique joue contre eux. Et en effet, ils se font dépasser par les nombres ayant huit diviseurs vers $3\cdot10^5$. Quant aux nombres à seize diviseurs, ils partaient lentement mais leur remontée par rapport aux autres semble inéluctable.

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Fréquence des nombres ayant deux, quatre, huit ou seize diviseurs jusqu’à N = 106 et N = 107
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Fréquence des nombres ayant deux, quatre, huit ou seize diviseurs jusqu’à N = 108 et N = 109

Vers le milliard, les nombres à seize diviseurs rattrapent ceux à quatre diviseurs tandis que la baisse de ceux à huit diviseurs est encore lente mais inexorable. L’image à la une résume les figures précédentes avec une échelle logarithmique sur l’axe des abscisses.

C’est bien ce qui se passe : les nombres à huit diviseurs se raréfient petit à petit, comme les nombres premiers. Nous allons voir pourquoi.

Aparté : nombre de nombres premiers

Avant cela, un mot sur les nombres premiers : il y en a $4$ jusqu’à $10$, encore $25$ jusqu’à $100$, seulement $168$ jusqu’à $1000$ : leur proportion tend à décroître. Une version quantitative a été conjecturée par Carl-Friedrich Gauss vers 1792, puis par Adrien-Marie Legendre vers 1797 : si on note $\pi(x)$ le nombre de nombre premiers inférieurs à $x$, la proportion $\pi(x)/x$ est équivalente à l’inverse du logarithme de $x$ lorsque $x$ tend vers l’infini, c’est-à-dire que
\[\lim_{x\to+\infty}\frac{\pi(x)}{x/\ln x}=1.\]
Ce théorème des nombres premiers a été démontré en 1896 par Jacques Hadamard et Charles-Jean de La Vallée Poussin (un siècle plus tard !). Pour les nombres à huit diviseurs, nous allons voir un résultat de même nature à peine plus récent.

Reconnaître les nombres à huit diviseurs

Vous n’êtes sans doute pas sans savoir que si un entier $n$ se décompose en produit de facteurs premiers distincts sous la forme
\[n=p_1^{m_1}p_2^{m_2}\cdots p_r^{m_r},\]
(par exemple, si $n=360=2^3\cdot3^2\cdot5$, on a $r=3$, $p_1=2$, $m_1=3$, $p_2=3$, $m_2=2$, $p_3=5$, $m_3=1$), alors le nombre de diviseurs de $n$ est
\[\tau(n)=(m_1+1)(m_2+1)\cdots(m_r+1)\]
(dans l’exemple : $360$ possède $(3+1)\cdot(2+1)\cdot(1+1)=4\cdot3\cdot2=24$ diviseurs) (la notation $\sigma_0(n)$ est aussi très habituelle).

Un entier a deux diviseurs si et seulement s’il est premier. Un entier a quatre diviseurs si et seulement si $(m_1+1)(m_2+1)\cdots(m_r+1)=4=2\times2$ : cela peut se produire dans deux cas seulement :

  • soit $r=2$ et $m_1+1=m_2+1=2$, c’est-à-dire $m_1=m_2=1$ ; ce sont les entiers qui possèdent deux facteurs premiers distincts ; je les appellerai « nombres de la forme $p_1p_2$ » ;
  • soit $r=1$ et $m_1+1=4$, c’est-à-dire $m_1=3$ : ce sont les cubes parfaits.

Autrement dit, les nombres $n$ tels que $\tau(n)=4$ sont les cubes $p_1^3$ et les nombres de la forme $p_1p_2$.

Pour décrire tous les entiers $n$ tels que $\tau(n)=8$, on doit résoudre l’équation $(m_1+1)(m_2+1)\cdots(m_r+1)=8$. On peut factoriser $8$ de trois façons différentes :
\[8=2\cdot2\cdot2=4\cdot2=8,\] ce qui conduit aux solutions suivantes :

  • soit $r=3$, $m_1=m_2=m_3=1$ : ce sont les produits de trois nombres premiers distincts ;
  • soit $r=2$, $m_1=3$, $m_2=1$ : ce sont les nombres de la forme $p_1^3p_2$, où $p_1$ et $p_2$ sont premiers et distincts ;
  • soit $r=1$, $m_1=7$ : ce sont les nombres de la forme $p_1^7$, où $p_1$ est premier.

Retenons de cela que les nombres à huit diviseurs ont très peu de facteurs premiers. On pourrait par boutade les appeler « presque premiers », sauf que ce n’est pas une boutade !

La clé : les nombres presque premiers

Étant donné un entier $k$ fixé, on dit qu’un entier $n$ est $k$-presque premier s’il possède $k$ facteurs premiers comptés avec multiplicités. Cela signifie que si la factorisation de $n$ en produit de facteurs premiers est $n=p_1^{m_1}p_2^{m_2}\cdots p_r^{m_r}$, on dit que $n$ est $k$-presque premier si $m_1+\cdots+m_r=k$.

Par exemple, les nombres premiers sont les nombres $1$-presque premiers ; $28=2^2\cdot7$ est $3$-presque premier (on somme les exposants : $2+1=3$).

Edmund Landau a estimé la proportion des nombres presque premiers jusqu’à un point donné : on peut dire qu’il a quantifié leur raréfaction par un théorème très semblable au théorème des nombres premiers évoqué ci-dessus. Si l’on fixe $k$ et que l’on note $\pi_k(N)$ le nombre de nombres $k$-presque premiers inférieurs à $N$, on a lorsque $N$ tend vers l’infini [1] :
\[\pi_k(N)\sim \frac{N}{\ln N}\;\frac{(\ln\ln N)^{k-1}}{(k-1)!}.\]
Pour $k=1$, on retrouve le théorème des nombres premiers. Le résultat de Landau a pour conséquence que la proportion $\pi_k(N)/N$ tend vers $0$ lorsque $N$ tend vers l’infini :
\[\lim_{N\to\infty}\frac{\pi_k(N)}{N} =\lim_{N\to\infty}\frac{1}{(k-1)!}\;\frac{(\ln\ln N)^{k-1}}{\ln N}=0.\]

Retour aux nombres ayant huit diviseurs

En particulier, les nombres ayant huit diviseurs sont donc
nécessairement $3$-presque premiers, $4$-presque premiers ou $7$-presque
premiers. Le nombre de tels nombres entre $1$ et $N$ est plus petit que
$\pi_3(N)+\pi_4(N)+\pi_7(N)$. On peut en conclure que leur fréquence
tend vers $0$ lorsque $N$ tend vers l’infini.

Une dernière remarque numérique. On a :
\[\frac{\pi_3(10^9)}{10^9}\simeq0,2217:\]
autrement dit, l’estimation donnée par Landau de la fréquence des nombres $3$-presque premiers inférieurs à $10^9$ est de $22~\%$.

C’est cohérent avec nos résultats numériques car les nombres $3$-presque premiers sont en majorité ceux de la forme $p_1p_2p_3$, qui ont huit diviseurs ; inversement, les nombres ayant huit diviseurs les plus nombreux sont ceux de cette forme car ceux de la forme $p_1^3p_2$ et a fortiori ceux de la forme $p_1^7$ sont beaucoup plus rares.

Exercice pour la prochaine fois...

  • Pourquoi ai-je choisi les nombres ayant $2$, $4$, $8$ ou $16$ diviseurs ?
  • Plus précisément, pourquoi est-il à peu près évident que les nombres ayant $3$, $5$ ou $9$ diviseurs ne tiendront jamais le haut du pavé ?
  • Entre $1$ et $10^{2017}$, quel est le nombre de diviseurs le plus fréquent ?
  • Peut-on estimer l’erreur commise en estimant le nombre de nombre ayant huit diviseurs entre $1$ et $N$ par $\pi_3(N)$ ?

En guise de conclusion...

Le contraste entre les simulations et le résultat théorique à l’infini montre que $10^9$ est un tout petit nombre à certains égards... En effet, la fréquence des nombres à huit diviseurs entre $1$ et $N$, qui tend vers $0$ lorsque $N$ tend vers l’infini, est encore supérieure à $20~\%$ lorsque $N=10^9$. La raison en est que le phénomène est gouverné par des logarithmes et des logarithmes de logarithmes, qui sont des fonctions qui tendent très lentement vers l’infini : multiplier un entier par $2,\!7$, ça ne fait qu’ajouter $1$ à son logarithme.

Références :

Post-scriptum :

J’adresse mes vifs remerciements à Christophe Delaunay pour m’avoir donné l’essentiel de la réponse, plus précisément pour m’avoir indiqué la notion de nombre presque premier et avoir suggéré fort justement que Pari/GP pourrait aller beaucoup plus loin que Sage pour les simulations. Je remercie également Jérémy Le Borgne, Gilles Schneller et Claire Wenandy pour leurs lectures attentives qui ont permis d’améliorer significativement cet article.

Article édité par Alejandro Rivera

Notes

[1En première analyse, le symbole $\sim$ peut être compris comme une égalité approchée. Il signifie plus précisément que le quotient des grandeurs qui figurent de chaque côté tend vers $1$.

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Pour citer cet article :

Jérôme Germoni — «Nombres à huit diviseurs» — Images des Mathématiques, CNRS, 2017

Crédits image :

Image à la une - La figure à la une représente les mêmes données que dans le corps de l’article, avec une échelle logarithmique sur l’axe des abscisses. Voici une version pdf.

Commentaire sur l'article

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  • Nombres à huit diviseurs

    le 5 octobre à 13:00, par FDesnoyer

    Bonjour,

    pour la question sur les nombres 3, 5 ou 9 diviseurs, je crois avoir lu (et proposé en exercices à des élèves) qu’un nombre impair de diviseurs était le fait d’un carré parfait non ?
    Cela suffit-il à en expliquer la raréfaction ?
    Une question me saisit sur la convergence de la série des inverses de nombres à 2^k diviseurs selon les valeurs de k ?

    Merci de ce très bel article qui me donne envie de revenir vers l’arithmétique,

    F. Desnoyer

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