정수론

디리클레 소수 정리

2025년 10월 19일 11:40
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1. 서론

소수의 분포는 수학에서 가장 흥미로운 주제 중 하나입니다. 고대 그리스의 유클리드는 소수가 무한히 많다는 것을 증명했지만, 소수가 어떻게 분포하는지에 대한 질문은 수천 년 동안 수학자들을 매료시켜 왔습니다.

1837년, 독일의 수학자 페터 구스타프 르죈 디리클레(Peter Gustav Lejeune Dirichlet)는 등차수열 속에 소수가 어떻게 분포하는지에 대한 놀라운 정리를 증명했습니다.

2. 디리클레 소수 정리

정리: 디리클레 소수 정리 (Dirichlet's Theorem on Primes in Arithmetic Progressions)

$a$와 $d$가 서로소인 양의 정수일 때 ($\gcd(a, d) = 1$), 등차수열

$$a, a+d, a+2d, a+3d, \ldots$$

은 무한히 많은 소수를 포함합니다.

2.1 정리의 의미

이 정리는 매우 강력한 결과입니다. 예를 들어:

중요한 조건: $\gcd(a, d) = 1$이어야 합니다. 만약 $\gcd(a, d) > 1$이면, 수열의 모든 항이 그 공약수로 나누어지므로 소수는 유한개만 존재하거나 전혀 없을 수 있습니다.

2.2 특수한 경우들

예제 1: $d=2$인 경우

경우 1: $a=1, d=2$ → 홀수: $1, 3, 5, 7, 9, 11, \ldots$

무한히 많은 소수 포함 (2를 제외한 모든 소수)

경우 2: $a=2, d=2$ → 짝수: $2, 4, 6, 8, 10, \ldots$

$\gcd(2, 2) = 2 \neq 1$이므로 정리가 적용되지 않음. 실제로 소수는 2 하나뿐.

예제 2: $d=4$인 경우

4와 서로소인 나머지: 1, 3

$a$ 수열 처음 몇 개의 소수
1 1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, ... 5, 13, 17, 29, 37, 41, 53, 61, 73, ...
3 3, 7, 11, 15, 19, 23, 27, ... 3, 7, 11, 19, 23, 31, 43, 47, 59, ...

3. 증명의 개요 (고급)

디리클레의 원래 증명은 매우 복잡하며 해석적 정수론의 기법을 사용합니다. 여기서는 증명의 핵심 아이디어만 간략히 소개합니다.

3.1 디리클레 L-함수

디리클레는 다음과 같은 L-함수를 도입했습니다:

$$L(s, \chi) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\chi(n)}{n^s}$$

여기서 $\chi$는 디리클레 지표(Dirichlet character)라 불리는 특별한 함수입니다.

3.2 증명의 핵심 단계

  1. 디리클레 지표 $\chi \pmod{d}$를 정의
  2. L-함수 $L(s, \chi)$가 $s=1$에서 특정 성질을 만족함을 보임
  3. 오일러 곱(Euler product) 표현을 이용하여 소수와 연결
  4. $s \to 1^+$일 때 L-함수의 행동을 분석
  5. 등차수열에 무한히 많은 소수가 있음을 결론

이 증명은 해석학, 대수학, 정수론을 결합한 수학의 걸작으로 여겨집니다.

4. 구체적인 예시

예제 3: 4k+1 형태의 소수

4로 나눈 나머지가 1인 소수들:

$$5, 13, 17, 29, 37, 41, 53, 61, 73, 89, 97, 101, 109, 113, \ldots$$

디리클레 정리에 의해 이러한 소수는 무한히 많습니다.

흥미로운 사실: 4k+1 형태의 소수는 두 제곱수의 합으로 유일하게 표현됩니다.

예제 4: 6k±1 형태의 소수

2와 3을 제외한 모든 소수는 $6k+1$ 또는 $6k-1$ (즉, $6k+5$) 형태입니다.

$6k+1$ 형태: 7, 13, 19, 31, 37, 43, 61, 67, 73, 79, ...

$6k+5$ 형태: 5, 11, 17, 23, 29, 41, 47, 53, 59, 71, ...

디리클레 정리는 각 형태에 무한히 많은 소수가 있음을 보장합니다.

5. 연습문제

문제 1

다음 중 디리클레 소수 정리가 적용되는 경우를 모두 고르시오:

  1. $a=2, d=6$ (수열: 2, 8, 14, 20, ...)
  2. $a=5, d=12$ (수열: 5, 17, 29, 41, ...)
  3. $a=3, d=9$ (수열: 3, 12, 21, 30, ...)
  4. $a=7, d=10$ (수열: 7, 17, 27, 37, ...)

풀이 1

디리클레 정리가 적용되려면 $\gcd(a, d) = 1$이어야 합니다.

  1. $\gcd(2, 6) = 2 \neq 1$ → 적용 안 됨
  2. $\gcd(5, 12) = 1$ → 적용됨
  3. $\gcd(3, 9) = 3 \neq 1$ → 적용 안 됨
  4. $\gcd(7, 10) = 1$ → 적용됨

답: 2번과 4번

검증:

문제 2

100 이하의 소수 중에서 다음 형태의 소수를 각각 나열하시오:

  1. $8k + 1$ 형태
  2. $8k + 3$ 형태
  3. $8k + 5$ 형태
  4. $8k + 7$ 형태

풀이 2

먼저 100 이하의 모든 소수: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97

각 소수를 8로 나눈 나머지로 분류:

  1. $8k + 1$: 17, 41, 73, 89, 97 (5개)
  2. $8k + 3$: 3, 11, 19, 43, 59, 67, 83 (7개)
  3. $8k + 5$: 5, 13, 29, 37, 53, 61 (6개)
  4. $8k + 7$: 7, 23, 31, 47, 71, 79 (6개)

관찰:

6. 디리클레 정리의 일반화와 확장

6.1 소수 정리 (Prime Number Theorem)

디리클레 정리는 소수의 존재만을 보장합니다. 더 나아가 소수 정리(PNT)는 $x$ 이하의 소수의 개수 $\pi(x)$가 다음과 같이 근사됨을 보입니다:

$$\pi(x) \sim \frac{x}{\ln x}$$

6.2 등차수열의 소수 정리

디리클레 정리를 정량적으로 확장하면, 등차수열 $a + nd$ ($\gcd(a,d)=1$)에서 $x$ 이하의 소수 개수는 대략:

$$\pi(x; d, a) \sim \frac{1}{\phi(d)} \cdot \frac{x}{\ln x}$$

여기서 $\phi$는 오일러 파이 함수입니다.

7. 요약