Super-prime numbers

On rappelle qu’un nombre premier est un entier naturel non nul qui possède exactement deux diviseurs positifs distincts : 1 et lui-même. Ainsi, on rappelle que ni 0 ni 1 ne sont premiers.

On rappelle aussi qu’il existe une infinité de nombres premiers, que l’on peut ensuite ordonner : le plus petit des nombres premiers est 2, on le note \( p_1 \); le suivant est 3, on le note \( p_2 \) et ainsi de suite. On notera ainsi \( p_n \) le \( n \)-ième nombre premier. On donne, à titre d’illustration, la liste ordonnée (de \( p_1 \) à \( p_{15} \)) des quinze premiers nombres premiers : \[ p_1 = 2; \, p_2 = 3; \, p_3 = 5; \, p_4 = 7; \, p_5 = 11; \, p_6 = 13; \, p_7 = 17; \, p_8 = 19; \, p_9 = 23; \, p_{10} = 29, \] \[ p_{11} = 31; \, p_{12} = 37; \, p_{13} = 41; \, p_{14} = 43; \, p_{15} = 47. \]

Pour tout entier naturel \( n \), on note \( \pi(n) \) ou plus simplement \( \pi_n \) le nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux à \( n \). On signale que cette notation, \( \pi(n) \) ou \( \pi_n \), est usuelle dans ce contexte, mais n’a rien à voir avec le nombre \( \pi \) de la géométrie du cercle.

Étude de la suite \( (\pi_n)_{n \geqslant 0} \)

1. Justifier que \( \pi_0 = 0 \) et \( \pi_5 = 3 \). Combien valent \( \pi_1, \pi_2, \pi_6, \pi_{29}, \pi_{47} \) et \( \pi_{46} \) ?
2. Démontrer que la suite \( (\pi_n)_{n \geqslant 0} \) est croissante, c’est-à-dire que, pour tout naturel \( n \), \( \pi_n \leqslant \pi_{n+1} \).
3. Démontrer que si \( p \) et \( q \) sont deux nombres premiers tels que \( p < q \), alors \( \pi_p < \pi_q \).
4. Démontrer que pour tout entier naturel \( n \), \( \pi_n \leqslant n \). Pour quel(s) entier(s) \( n \) a-t-on \( \pi_n = n \) ?

Suite des itérés de \( m \) par \( \pi \)

Pour \( m \) entier naturel, on appelle suite des itérés de \( m \) par \( \pi \) la suite de nombres formée par \( m \); le nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux à \( m \); le nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux au nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux à \( m \); etc. Ainsi, la suite des itérés de \( m \) par \( \pi \) est-elle \( \bigl( m; \pi(m); \pi(\pi(m)); \pi(\pi(\pi(m))); \dots \bigr) \).

1. Calculer les 7 premiers termes de la suite des itérés de \( m \) dans les cas particuliers où \( m = 5 \) puis où \( m = 11 \).
2. Démontrer que, de manière générale, la suite des itérés d’un entier naturel \( m \) est toujours décroissante, et devient nulle à partir d’un certain rang.

Entiers super premiers

Un entier naturel \( m \) tel que \( m \geqslant 2 \) est dit super premier si, dans la suite des itérés de \( m \) par \( \pi \), tous les termes différents de 0 et de 1 sont des nombres premiers. En particulier, un super premier est premier.

1. Parmi les nombres 2, 3, 5, 7 et 11, lesquels sont super premiers ?
2. Soit \( n \) un entier naturel non nul. Supposons avoir construit les \( n \) plus petits entiers super premiers \( s_1 < \cdots < s_n \). Montrer que le super premier suivant est le nombre premier \( p \) tel que \( \pi(p) = s_n \).
3. Donner le cinquième plus petit nombre super premier.