Repunit

En matemáticas recreativas, un repituno (en inglés, repunit) es un número como 11, 111 o 1111 que contiene solamente el dígito 1 (la forma más sencilla de repidígito). El término en inglés proviene de repeated unit y fue acuñado en 1966 por Albert H. Beiler.

Un primo repituno es un repituno que también es un número primo. En binario, estos números son los primos de Mersenne.

Definición

Los repitunos en base b se definen como

$R_{n}^{(b)}={b^{n}-1 \over {b-1}}\qquad {\mbox{para }}b\geq 2,n\geq 1.$

Así, el número R_n^(b) consta de n ejemplares del dígito 1 en base b. Los dos primeros repitunos en base b para n=1 y n=2 son

$R_{1}^{(b)}={b-1 \over {b-1}}=1\qquad {\text{y}}\qquad R_{2}^{(b)}={b^{2}-1 \over {b-1}}=b+1\qquad {\text{para}}\ b\geq 2.$

En particular, los repitunos decimales (en base 10) a quienes se les suele llamar simplemente repitunos se definen como

$R_{n}=R_{n}^{(10)}={10^{n}-1 \over {10-1}}={10^{n}-1 \over 9}\qquad {\mbox{para }}n\geq 1.$

Así, el número R_n = R_n⁽¹⁰⁾ consta de n ejemplares del dígito 1 en base 10. La sucesión de repitunos en base diez comienza con

1, 11, 111, 1111, ... (sucesión A002275 en OEIS).

Análogamente, los repitunos en base 2 se definen como

$R_{n}^{(2)}={2^{n}-1 \over {2-1}}={2^{n}-1}\qquad {\mbox{para }}n\geq 1.$

Así, el número R_n⁽²⁾ consta de n ejemplares del dígito 1 en base 2. De hecho, los repitunos en base 2 son los ya conocidos números de Mersenne M_n = 2ⁿ − 1.

Propiedades

• En cualquier base, cualquier repituno que tenga un número compuesto de dígitos es necesariamente compuesto. Solamente los repitunos (en cualquier base) que tengan un número primo de dígitos pueden ser primos (condición necesaria pero no suficiente). Por ejemplo,

  R₃₅^(b) = 11111111111111111111111111111111111 = 11111 × 1000010000100001000010000100001 = 1111111 × 10000001000000100000010000001,

dado que 35 = 7 × 5 = 5 × 7. Esta factorización no depende de la base b en la que se exprese el repituno.

• Cualquier múltiplo positivo del repituno R_n^(b) contiene al menos n dígitos distintos de cero en base b.

• Los únicos números conocidos de al menos 3 dígitos que son simultáneamente repitunos en más de una base son 31 (111 en base 5, 11111 en base 2) y 8191 (111 en base 90, 1111111111111 en base 2). La conjetura de Goormaghtigh dice que solamente hay esos dos casos.

• Utilizando el principio del palomar se puede demostrar fácilmente que para cada n y b tales que n y b son primos entre sí existe un repituno en base b que es múltiplo de n. Para ver esto considérense los repitunos R₁^(b),...,R_n^(b). Supongamos que ninguno de los R_k^(b) es divisible por n. Como hay n repitunos pero solamente n-1 restos distintos de cero módulo n, existen dos repitunos R_i^(b) y R_j^(b) con 1≤i<j≤n tales que R_i^(b) y R_j^(b) tienen el mismo resto módulo n. Se sigue entonces que R_j^(b) - R_i^(b) tiene resto 0 módulo n, es decir, es divisible por n. R_j^(b) - R_i^(b) consta de j - i unos seguidos por i ceros. Así, R_j^(b) - R_i^(b) = R_j-i^(b) x 10ⁱ = R_j-i^(b) x bⁱ . Dado que n divide el lado de la izquierda, también divide el lado de la derecha, y como n y b son primos entre sí, n debe dividir a R_j-i^(b) contradiciendo la suposición inicial.
• La conjetura de Feit–Thompson dice que R_q^(p) nunca divide a R_p^(q) para dos primos distintos p y q.

Factorización de los repitunos decimales

(Factores primos coloreados red por medio de los "nuevos factores", i. e. por el factor primo divisible R_n pero no divisible R_k para todos k < n) (sucesión A102380 en OEIS)​

R1 = 1 R2 = 11 R3 = 3 · 37 R4 = 11 · 101 R5 = 41 · 271 R6 = 3 · 7 · 11 · 13 · 37 R7 = 239 · 4649 R8 = 11 · 73 · 101 · 137 R9 = 32 · 37 · 333667 R10 = 11 · 41 · 271 · 9091 R11 = 21649 · 513239 R12 = 3 · 7 · 11 · 13 · 37 · 101 · 9901 R13 = 53 · 79 · 265371653 R14 = 11 · 239 · 4649 · 909091 R15 = 3 · 31 · 37 · 41 · 271 · 2906161 R16 = 11 · 17 · 73 · 101 · 137 · 5882353 R17 = 2071723 · 5363222357 R18 = 32 · 7 · 11 · 13 · 19 · 37 · 52579 · 333667 R19 = 1111111111111111111 R20 = 11 · 41 · 101 · 271 · 3541 · 9091 · 27961 R21 = 3 · 37 · 43 · 239 · 1933 · 4649 · 10838689 R22 = 112 · 23 · 4093 · 8779 · 21649 · 513239 R23 = 11111111111111111111111 R24 = 3 · 7 · 11 · 13 · 73 · 101 · 137 · 9901 · 99990001 R25 = 41 · 271 · 21401 · 25601 · 182521213001

R26 = 11 · 53 · 79 · 859 · 265371653 · 1058313049 R27 = 33· 37 · 757 · 333667 · 440334654777631 R28 = 11 · 29 · 101 · 281 · 239 · 4649 · 909091 · 121499449 R29 = 3191 · 16763 · 43037 · 62003 · 77843839397 R30 = 3 · 7 · 11 · 13 · 31 · 37 · 41 · 211 · 241 · 271 · 2161 · 9091 · 2906161 R31 = 2791 · 6943319 · 57336415063790604359 R32 = 11 · 17 · 73 · 101 · 137 · 353 · 449 · 641 · 1409 · 69857 · 5882353 R33 = 3 · 37 · 67 · 21649 · 513239 · 1344628210313298373 R34 = 11 · 103 · 4013 · 2071723 · 5363222357 · 21993833369 R35 = 41 · 71 · 239 · 271 · 4649 · 123551 · 102598800232111471 R36 = 32 · 7 · 11 · 13 · 19 · 37 · 101 · 9901 · 52579 · 333667 · 999999000001 R37 = 2028119 · 247629013 · 2212394296770203368013 R38 = 11 · 909090909090909091 · 1111111111111111111 R39 = 3 · 37 · 53 · 79 · 265371653 · 900900900900990990990991 R40 = 11 · 41 · 73 · 101 · 137 · 271 · 3541 · 9091 · 27961 · 1676321 · 5964848081 R41 = 83 · 1231 · 538987 · 201763709900322803748657942361 R42 = 3 · 72 · 11 · 13 · 37 · 43 · 127 · 239 · 1933 · 2689 · 4649 · 459691 · 909091 · 10838689 R43 = 173 · 1527791 · 1963506722254397 · 2140992015395526641 R44 = 112 · 23 · 89 · 101 · 4093 · 8779 · 21649 · 513239 · 1052788969 · 1056689261 R45 = 32 · 31 · 37 · 41 · 271 · 238681 · 333667 · 2906161 · 4185502830133110721 R46 = 11 · 47 · 139 · 2531 · 549797184491917 · 11111111111111111111111 R47 = 35121409 · 316362908763458525001406154038726382279 R48 = 3 · 7 · 11 · 13 · 17 · 73 · 101 · 137 · 9901 · 5882353 · 99990001 · 9999999900000001 R49 = 239 · 4649 · 505885997 · 1976730144598190963568023014679333 R50 = 11 · 41 · 251 · 271 · 5051 · 9091 · 21401 · 25601 · 182521213001 · 78875943472201

El factor primordial de R_n más pequeño son:

1, 11, 3, 11, 41, 3, 239, 11, 3, 11, 21649, 3, 53, 11, 3, 11, 2071723, 3, 1111111111111111111, 11, 3, 11, 11111111111111111111111, 3, 41, 11, 3, 11, 3191, 3, 2791, 11, 3, 11, 41, 3, 2028119, 11, 3, 11, 83, 3, 173, 11, 3, 11, 35121409, 3, 239, 11, 3, 11, 107, 3, 41, 11, 3, 11, 2559647034361, 3, 733, 11, 3, 11, 41, 3, 493121, 11, 3, 11, 241573142393627673576957439049, 3, 12171337159, 11, 3, ... (sucesión A067063 en OEIS)

Primos repitunos

La definición de repitunos tuvo su origen en las matemáticas recreativas al buscar sus factores primos.

Es fácil demostrar que si n es divisible por a, entonces R_n^(b) es divisible por R_a^(b):

$R_{n}^{(b)}={\frac {1}{b-1}}\prod _{d|n}\Phi _{d}(b)$

donde $\Phi _{d}(x)$ es el d-ésimo polinomio ciclotómico y d recorre los divisores de n. Para p primo, $\Phi _{p}(x)=\sum _{i=0}^{p-1}x^{i}$, que tiene la forma esperada de un repituno cuando se sustituye x por b.

Por ejemplo, 9 es divisible por 3, y así R₉ es divisible por R₃—de hecho, 111111111 = 111 · 1001001. Los polinomios ciclotómicos correspondientes $\Phi _{3}(x)$ y $\Phi _{9}(x)$ son $x^{2}+x+1$ y $x^{6}+x^{3}+1$ respectivamente. Así, para que R_n sea primo n debe ser necesariamente primo. Pero no es suficiente que n sea primo; por ejemplo, R₃ = 111 = 3 · 37 no es primo. Excepto en este caso de R₃, p solamente puede dividir a R_n para n primo si p = 2kn + 1 para algún k.

Primos repitunos decimales

R_n es primo para n = 2, 19, 23, 317, 1031,... (sucesión A004023 en OEIS). R₄₉₀₈₁ and R₈₆₄₅₃ son probablemente primos. El 3 de abril de 2007, Harvey Dubner (quien también encontró R₄₉₀₈₁) anunció que R₁₀₉₂₉₇ es un probable primo.​ Luego anunció que no hay ningún otro desde R₈₆₄₅₃ hasta R₂₀₀₀₀₀.​ El 15 de julio de 2007, Maksym Voznyy anunció que R₂₇₀₃₄₃ era probablemente primo,​ junto con su intención de llegar hasta 400000. En noviembre de 2012 se han comprobado todos los demás candidatos hasta R_2500000, pero no se ha encontrado ningún probable primo hasta ahora.

Se ha conjeturado que existen infinitos primos repitunos​ dado que suelen aparecer tan frecuentemente como el teorema de los números primos prediría: el exponente del N-ésimo primo repituno es generalmente alrededor de un múltiplo fijo del exponente del (N-1)-ésimo.

Los primos repitunos son un subconjunto trivial de los primos permutables, es decir, primos que siguen siendo primos después de cualquier permutación de sus dígitos.

Primos repitunos en base 2

Los primos repitunos en base 2 se llaman primos de Mersenne.

Primos repitunos en base 3

Los primeros primos repitunos en base 3 son:

13, 1093, 797161, 3754733257489862401973357979128773, 6957596529882152968992225251835887181478451547013, ... (sucesión A076481 en OEIS),

que corresponden a los siguientes valores de $n$:

3, 7, 13, 71, 103, ... (sucesión A028491 en OEIS).

Primos repitunos en base 4

El único primo repituno en base 4 es 5 (escrito 11 en base 4). $4^{n}-1=\left(2^{n}+1\right)\left(2^{n}-1\right)$, y 3 siempre divide a $2^{n}+1$ cuando n es impar y a $2^{n}-1$ cuando n es par. Para n mayor que 2, tanto $2^{n}+1$ como $2^{n}-1$ son mayores que 3, así que eliminando el factor 3 todavía quedan dos factores mayores que 1, así que el número no puede ser primo.

Primos repitunos en base 5

Los primeros primos repitunos en base 5 son

31, 19531, 12207031, 305175781, 177635683940025046467781066894531, 14693679385278593849609206715278070972733319459651094018859396328480215743184089660644531, 35032461608120426773093239582247903282006548546912894293926707097244777067146515037165954709053039550781, 815663058499815565838786763657068444462645532258620818469829556933715405574685778402862015856733535201783524826169013977050781 ..., (sucesión A086122 en OEIS)

que corresponden a los siguientes valores de $n$:

3, 7, 11, 13, 47, 127, 149, 181, 619, 929, 3407, ... (sucesión A004061 en OEIS).

Primos repitunos en base 6

Los primeros primos repitunos en base 6 son

7, 43, 55987, 7369130657357778596659, 3546245297457217493590449191748546458005595187661976371, ..., (sucesión A165210 en OEIS)

que corresponden a los siguientes valores de $n$:

2, 3, 7, 29, 71, ... (sucesión A004062 en OEIS)

Primos repitunos en base 7

Los primeros primos repitunos en base 7 son

2801, 16148168401, 85053461164796801949539541639542805770666392330682673302530819774105141531698707146930307290253537320447270457,
138502212710103408700774381033135503926663324993317631729227790657325163310341833227775945426052637092067324133850503035623601

que corresponden a los siguientes valores de $n$:

5, 13, 131, 149, ... (sucesión A004063 en OEIS)

Primos repitunos en base 8

El único primo repituno en base 8 es 73 (escrito 111 en base 8). $8^{n}-1=\left(4^{n}+2^{n}+1\right)\left(2^{n}-1\right)$, y 7 divide a $4^{n}+2^{n}+1$ cuando n no es divisible por 3 y a $2^{n}-1$ cuando n es un múltiplo de 3.

Primos repitunos en base 9

No existe ninguno. $9^{n}-1=\left(3^{n}+1\right)\left(3^{n}-1\right)$, y 2 siempre divide tanto a $3^{n}+1$ como a $3^{n}-1$.

Primos repitunos en base 12

Los primeros primos repitunos en base 12 son

13, 157, 22621, 29043636306420266077, 435700623537534460534556100566709740005056966111842089407838902783209959981593077811330507328327968191581, 388475052482842970801320278964160171426121951256610654799120070705613530182445862582590623785872890159937874339918941

que corresponden a los siguientes valores de $n$:

2, 3, 5, 19, 97, 109, 317, 353, 701, ... (sucesión A004064 en OEIS)

Primos repitunos en base 20

Los únicos primos o probablemente primos repitunos en base 20 son los correspondientes a estos valores de $n$:

3, 11, 17, 1487, 31013, 48859, 61403 (sucesión A127995 en OEIS)

Los tres primeros en decimal son

421, 10778947368421 y 689852631578947368421

Historia

Aunque todavía no se conocían por ese nombre, los repitunos en base 10 fueron estudiados por muchos matemáticos durante el siglo XIX en un esfuerzo de desarrollar y predecir el modelo cíclico de los decimales periódicos.​

Desde muy temprano se encontró que para cualquier primo p mayor que 5, el período de la expansión decimal de 1/p es igual a la longitud del número repìtuno más pequeño que es divisible por p. Hacia 1860 se habían publicado tablas de los periodos de los recíprocos de los primos hasta 60000 que permitieron la factorización por matemáticos como Reuschle de todos los repitunos hasta R₁₆ y algunos más grandes. Hacia 1880, incluso R₁₇ se había factorizado​ y es curioso que, aunque Édouard Lucas mostró que (el inverso de) ningún primo inferior a tres millones tenía período diecinueve, no hubo ningún intento de comprobar la primalidad de un repituno hasta comienzos del siglo XX. El matemático norteamericano Oscar Hoppe probó que R₁₉ es primo en 1916​ y Lehmer y Kraitchik, de forma independiente, hallaron que R₂₃ es primo en 1929.

No se registran ulteriores avances en el estudio de los repitunos hasta los años 1960s, cuando las computadoras permitieron hallar muchos factores nuevos de repitunos y corregir los vacíos en las tablas anteriores de períodos de primos. Se encontró por los años 60 que R₃₁₇ era un probable primo y se demostró 11 años más tarde, cuando se demostró que R₁₀₃₁ era el único posible primo repituno que quedaba con menos de 10000 dígitos. Se demostró que era primo en 1986, pero la búsqueda de primos repitunos adicionales en los siguientes décadas falló de forma consistente. Sin embargo, hubo un desarrollo importante en el campo de los repitunos generalizados, lo que produjo un gran número de primos nuevos y probables primos.

Desde 1999, se han hallado cuatro posibles primos repitunos, pero es improbable que pueda probarse el carácter primo de cualquiera de ellos en un futuro previsible por su enorme tamaño.

El Proyecto de Cunningham es un esfuerzo por documentar las factorizaciones de (entre otros números) los repitunos en base 2, 3, 5, 6, 7, 10, 11, y 12.

Véase también

• Repdigit
• Matemática recreativa
• Número periódico
• polinomio todo en uno - otra generalización
• Números de la forma: 100...001

Enlaces externos

Sitios web

• The main tables of the Cunningham project.
• Caldwell, Chris. «The Prime Glossary: Repunit» (en inglés). The Prime Pages. Universidad de Tennessee. http://primes.utm.edu/glossary/page.php?sort=Repunit .
• Repunits and their prime factors at World!Of Numbers.

Libros

• S. Yates, Repunits and repetends. ISBN 0-9608652-0-9.
• A. Beiler, Recreations in the theory of numbers. ISBN 0-486-21096-0. Chapter 11, of course.
• Paulo Ribenboim, The New Book Of Prime Number Records. ISBN 0-387-94457-5

• Datos: Q1199125