A number of exciting recent developments in the field of sieve theory have been done concerning bounded gaps between prime numbers. One of the main techniques used in these papers is a modified version of Selberg's Sieve from the 1940's. While there are a number of sources that explain the original sieve, most, if not all, are quite inaccessible to those without significant experience in analytic number theory. The goal of this exposition is to change that. The statement and proof of the general form of Selberg's sieve is, by itself, difficult to understand and appreciate. For this reason, the inital exposition herein will be about one particular application: to recover Chebysheff's upper bound on the order of magnitude of the number of primes less than a given number. As Selberg's sieve follows some of the same initial steps as the more elementary sieve of Eratosthenes, this latter sieve will be worked through as well. To help the reader get a better sense of Selberg's sieve, a few particular applications are worked through, including an upper bound on the number of twin primes less than a number. This will then be used to show the convergence of the reciprocals of the twin primes.

In this thesis we prove several different results about the number of primes represented by linear functions. The Brun-Titchmarsh theorem shows that the number of primes which are less than x and congruent to a modulo q is less than (C+o(1))x/(phi(q)log{x}) for some value C depending on log{x}/log{q}. Different authors have provided different estimates for C in different ranges for log{x}/log{q}, all of which give C>2 when log{x}/log{q} is bounded. We show in Chapter 2 that one can take C=2 provided that log{x}/log{q}> 8 and q is sufficiently large. Moreover, we also produce a lower bound of size x/(q^{1/2}phi(q)) when log{x}/log{q}>8 and is bounded. Both of these bounds are essentially best-possible without any improvement on the Siegel zero problem. Let k>1 and Pi(n) be the product of k linear functions of the form a_in+b_i for some integers a_i, b_i. Suppose that Pi(n) has no fixed prime divisors. Weighted sieves have shown that for infinitely many integers n, the number of prime factors of Pi(n) is at most r_k, for some integer r_k depending only on k. In Chapter 3 and Chapter 4 we introduce two new weighted sieves to improve the possible values of r_k when k>2. In Chapter 5 we demonstrate a limitation of the current weighted sieves which prevents us proving a bound better than r_k=(1+o(1))klog{k} for large k. Zhang has shown that there are infinitely many intervals of bounded length containing two primes, but the problem of bounded length intervals containing three primes appears out of reach. In Chapter 6 we show that there are infinitely many intervals of bounded length containing two primes and a number with at most 31 prime factors. Moreover, if numbers with up to 4 prime factors have `level of distribution' 0.99, there are infinitely many integers n such that the interval [n,n+90] contains 2 primes and an almost-prime with at most 4 prime factors.

Soit $p_1 = 2, p_2 = 3, p_3 = 5,\ldots$ la suite des nombres premiers, et soient $q \ge 3$ et $a$ des entiers premiers entre eux. R\'ecemment, Daniel Shiu a d\'emontr\'e une ancienne conjecture de Sarvadaman Chowla. Ce dernier a conjectur\'e qu'il existe une infinit\'e de couples $p_n,p_$ de premiers cons\'ecutifs tels que $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$. Fixons $\epsilon > 0$. Une r\'ecente perc\'ee majeure, de Daniel Goldston, J\`anos Pintz et Cem Y{\i}ld{\i}r{\i}m, a \'et\'e de d\'emontrer qu'il existe une suite de nombres r\'eels $x$ tendant vers l'infini, tels que l'intervalle $(x,x+\epsilon\log x]$ contienne au moins deux nombres premiers $\equiv a \bmod q$. \'Etant donn\'e un couple de nombres premiers $\equiv a \bmod q$ dans un tel intervalle, il pourrait exister un nombre premier compris entre les deux qui n'est pas $\equiv a \bmod q$. On peut d\'eduire que soit il existe une suite de r\'eels $x$ tendant vers l'infini, telle que $(x,x+\epsilon\log x]$ contienne un triplet $p_n,p_{n+1},p_{n+2}$ de nombres premiers cons\'ecutifs, soit il existe une suite de r\'eels $x$, tendant vers l'infini telle que l'intervalle $(x,x+\epsilon\log x]$ contienne un couple $p_n,p_{n+1}$ de nombres premiers tel que $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$. On pense que les deux \'enonc\'es sont vrais, toutefois on peut seulement d\'eduire que l'un d'entre eux est vrai, sans savoir lequel. Dans la premi\`ere partie de cette th\`ese, nous d\'emontrons que le deuxi\`eme \'enonc\'e est vrai, ce qui fournit une nouvelle d\'emonstration de la conjecture de Chowla. La preuve combine des id\'ees de Shiu et de Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m, donc on peut consid\'erer que ce r\'esultat est une application de leurs m\'thodes. Ensuite, nous fournirons des bornes inf\'erieures pour le nombre de couples $p_n,p_{n+1}$ tels que $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$, $p_{n+1} - p_n < \epsilon\log p_n$, avec $p_{n+1} \le Y$. Sous l'hypoth\`ese que $\theta$, le \og niveau de distribution \fg{} des nombres premiers, est plus grand que $1/2$, Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m ont r\'eussi \`a d\'emontrer que $p_{n+1} - p_n \ll_{\theta} 1$ pour une infinit\'e de couples $p_n,p_$. Sous la meme hypoth\`ese, nous d\'emontrerons que $p_{n+1} - p_n \ll_{q,\theta} 1$ et $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$ pour une infinit\'e de couples $p_n,p_$, et nous prouverons \'egalement un r\'esultat quantitatif. Dans la deuxi\`eme partie, nous allons utiliser les techniques de Goldston-Pintz-Yldrm pour d\'emontrer qu'il existe une infinit\'e de couples de nombres premiers $p,p'$ tels que $(p-1)(p'-1)$ est une carr\'e parfait. Ce resultat est une version approximative d'une ancienne conjecture qui stipule qu'il existe une infinit\'e de nombres premiers $p$ tels que $p-1$ est une carr\'e parfait. En effet, nous d\'emontrerons une borne inf\'erieure sur le nombre d'entiers naturels $n \le Y$ tels que $n = \ell_1\cdots \ell_r$, avec $\ell_1,\ldots,\ell_r$ des premiers distincts, et tels que $(\ell_1-1)\cdots (\ell_r-1)$ est une puissance $r$-i\`eme, avec $r \ge 2$ quelconque. \'Egalement, nous d\'emontrerons une borne inf\'erieure sur le nombre d'entiers naturels $n = \ell_1\cdots \ell_r \le Y$ tels que $(\ell_1+1)\cdots (\ell_r+1)$ est une puissance $r$-i\`eme. Finalement, \'etant donn\'e $A$ un ensemble fini d'entiers non-nuls, nous d\'emontrerons une borne inf\'erieure sur le nombre d'entiers naturels $n \le Y$ tels que $\prod_ (p+a)$ est une puissance $r$-i\`eme, simultan\'ement pour chaque $a \in A$. / Let $p_1 = 2, p_2 = 3, p_3 = 5,\ldots$ be the sequence of all primes, and let $q \ge 3$ and $a$ be coprime integers. Recently, and very remarkably, Daniel Shiu proved an old conjecture of Sarvadaman Chowla, which asserts that there are infinitely many pairs of consecutive primes $p_n,p_{n+1}$ for which $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$. Now fix a number $\epsilon > 0$, arbitrarily small. In their recent groundbreaking work, Daniel Goldston, J\`anos Pintz and Cem Y{\i}ld{\i}r{\i}m proved that there are arbitrarily large $x$ for which the short interval $(x, x + \epsilon\log x]$ contains at least two primes congruent to $a \bmod q$. Given a pair of primes $\equiv a \bmod q$ in such an interval, there might be a prime in-between them that is not $\equiv a \bmod q$. One can deduce that \emph{either} there are arbitrarily large $x$ for which $(x, x + \epsilon\log x]$ contains a prime pair $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$, \emph{or} that there are arbitrarily large $x$ for which the $(x, x + \epsilon\log x]$ contains a triple of consecutive primes $p_n,p_{n+1},p_{n+2}$. Both statements are believed to be true, but one can only deduce that one of them is true, and one does not know which one, from the result of Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m. In Part I of this thesis, we prove that the first of these alternatives is true, thus obtaining a new proof of Chowla's conjecture. The proof combines some of Shiu's ideas with those of Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m, and so this result may be regarded as an application of their method. We then establish lower bounds for the number of prime pairs $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$ with $p_{n+1} - p_n < \epsilon\log p_n$ and $p_{n+1} \le Y$. Assuming a certain unproven hypothesis concerning what is referred to as the `level of distribution', $\theta$, of the primes, Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m were able to prove that $p_{n+1} - p_n \ll_{\theta} 1$ for infinitely many $n$. On the same hypothesis, we prove that there are infinitely many prime pairs $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$ with $p_{n+1} - p_n \ll_{q,\theta} 1$. This conditional result is also proved in a quantitative form. In Part II we apply the techniques of Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m to prove another result, namely that there are infinitely many pairs of distinct primes $p,p'$ such that $(p-1)(p'-1)$ is a perfect square. This is, in a sense, an `approximation' to the old conjecture that there are infinitely many primes $p$ such that $p-1$ is a perfect square. In fact we obtain a lower bound for the number of integers $n$, up to $Y$, such that $n = \ell_1\cdots \ell_r$, the $\ell_i$ distinct primes, and $(\ell_1 - 1)\cdots (\ell_r - 1)$ is a perfect $r$th power, for any given $r \ge 2$. We likewise obtain a lower bound for the number of such $n \le Y$ for which $(\ell_1 + 1)\cdots (\ell_r + 1)$ is a perfect $r$th power. Finally, given a finite set $A$ of nonzero integers, we obtain a lower bound for the number of $n \le Y$ for which $\prod_{p \mid n}(p+a)$ is a perfect $r$th power, simultaneously for every $a \in A$.

Soit $p_1 = 2, p_2 = 3, p_3 = 5,\ldots$ la suite des nombres premiers, et soient $q \ge 3$ et $a$ des entiers premiers entre eux. R\'ecemment, Daniel Shiu a d\'emontr\'e une ancienne conjecture de Sarvadaman Chowla. Ce dernier a conjectur\'e qu'il existe une infinit\'e de couples $p_n,p_$ de premiers cons\'ecutifs tels que $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$. Fixons $\epsilon > 0$. Une r\'ecente perc\'ee majeure, de Daniel Goldston, J\`anos Pintz et Cem Y{\i}ld{\i}r{\i}m, a \'et\'e de d\'emontrer qu'il existe une suite de nombres r\'eels $x$ tendant vers l'infini, tels que l'intervalle $(x,x+\epsilon\log x]$ contienne au moins deux nombres premiers $\equiv a \bmod q$. \'Etant donn\'e un couple de nombres premiers $\equiv a \bmod q$ dans un tel intervalle, il pourrait exister un nombre premier compris entre les deux qui n'est pas $\equiv a \bmod q$. On peut d\'eduire que soit il existe une suite de r\'eels $x$ tendant vers l'infini, telle que $(x,x+\epsilon\log x]$ contienne un triplet $p_n,p_{n+1},p_{n+2}$ de nombres premiers cons\'ecutifs, soit il existe une suite de r\'eels $x$, tendant vers l'infini telle que l'intervalle $(x,x+\epsilon\log x]$ contienne un couple $p_n,p_{n+1}$ de nombres premiers tel que $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$. On pense que les deux \'enonc\'es sont vrais, toutefois on peut seulement d\'eduire que l'un d'entre eux est vrai, sans savoir lequel. Dans la premi\`ere partie de cette th\`ese, nous d\'emontrons que le deuxi\`eme \'enonc\'e est vrai, ce qui fournit une nouvelle d\'emonstration de la conjecture de Chowla. La preuve combine des id\'ees de Shiu et de Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m, donc on peut consid\'erer que ce r\'esultat est une application de leurs m\'thodes. Ensuite, nous fournirons des bornes inf\'erieures pour le nombre de couples $p_n,p_{n+1}$ tels que $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$, $p_{n+1} - p_n < \epsilon\log p_n$, avec $p_{n+1} \le Y$. Sous l'hypoth\`ese que $\theta$, le \og niveau de distribution \fg{} des nombres premiers, est plus grand que $1/2$, Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m ont r\'eussi \`a d\'emontrer que $p_{n+1} - p_n \ll_{\theta} 1$ pour une infinit\'e de couples $p_n,p_$. Sous la meme hypoth\`ese, nous d\'emontrerons que $p_{n+1} - p_n \ll_{q,\theta} 1$ et $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$ pour une infinit\'e de couples $p_n,p_$, et nous prouverons \'egalement un r\'esultat quantitatif. Dans la deuxi\`eme partie, nous allons utiliser les techniques de Goldston-Pintz-Yldrm pour d\'emontrer qu'il existe une infinit\'e de couples de nombres premiers $p,p'$ tels que $(p-1)(p'-1)$ est une carr\'e parfait. Ce resultat est une version approximative d'une ancienne conjecture qui stipule qu'il existe une infinit\'e de nombres premiers $p$ tels que $p-1$ est une carr\'e parfait. En effet, nous d\'emontrerons une borne inf\'erieure sur le nombre d'entiers naturels $n \le Y$ tels que $n = \ell_1\cdots \ell_r$, avec $\ell_1,\ldots,\ell_r$ des premiers distincts, et tels que $(\ell_1-1)\cdots (\ell_r-1)$ est une puissance $r$-i\`eme, avec $r \ge 2$ quelconque. \'Egalement, nous d\'emontrerons une borne inf\'erieure sur le nombre d'entiers naturels $n = \ell_1\cdots \ell_r \le Y$ tels que $(\ell_1+1)\cdots (\ell_r+1)$ est une puissance $r$-i\`eme. Finalement, \'etant donn\'e $A$ un ensemble fini d'entiers non-nuls, nous d\'emontrerons une borne inf\'erieure sur le nombre d'entiers naturels $n \le Y$ tels que $\prod_ (p+a)$ est une puissance $r$-i\`eme, simultan\'ement pour chaque $a \in A$. / Let $p_1 = 2, p_2 = 3, p_3 = 5,\ldots$ be the sequence of all primes, and let $q \ge 3$ and $a$ be coprime integers. Recently, and very remarkably, Daniel Shiu proved an old conjecture of Sarvadaman Chowla, which asserts that there are infinitely many pairs of consecutive primes $p_n,p_{n+1}$ for which $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$. Now fix a number $\epsilon > 0$, arbitrarily small. In their recent groundbreaking work, Daniel Goldston, J\`anos Pintz and Cem Y{\i}ld{\i}r{\i}m proved that there are arbitrarily large $x$ for which the short interval $(x, x + \epsilon\log x]$ contains at least two primes congruent to $a \bmod q$. Given a pair of primes $\equiv a \bmod q$ in such an interval, there might be a prime in-between them that is not $\equiv a \bmod q$. One can deduce that \emph{either} there are arbitrarily large $x$ for which $(x, x + \epsilon\log x]$ contains a prime pair $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$, \emph{or} that there are arbitrarily large $x$ for which the $(x, x + \epsilon\log x]$ contains a triple of consecutive primes $p_n,p_{n+1},p_{n+2}$. Both statements are believed to be true, but one can only deduce that one of them is true, and one does not know which one, from the result of Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m. In Part I of this thesis, we prove that the first of these alternatives is true, thus obtaining a new proof of Chowla's conjecture. The proof combines some of Shiu's ideas with those of Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m, and so this result may be regarded as an application of their method. We then establish lower bounds for the number of prime pairs $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$ with $p_{n+1} - p_n < \epsilon\log p_n$ and $p_{n+1} \le Y$. Assuming a certain unproven hypothesis concerning what is referred to as the `level of distribution', $\theta$, of the primes, Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m were able to prove that $p_{n+1} - p_n \ll_{\theta} 1$ for infinitely many $n$. On the same hypothesis, we prove that there are infinitely many prime pairs $p_n \equiv p_{n+1} \equiv a \bmod q$ with $p_{n+1} - p_n \ll_{q,\theta} 1$. This conditional result is also proved in a quantitative form. In Part II we apply the techniques of Goldston-Pintz-Y{\i}ld{\i}r{\i}m to prove another result, namely that there are infinitely many pairs of distinct primes $p,p'$ such that $(p-1)(p'-1)$ is a perfect square. This is, in a sense, an `approximation' to the old conjecture that there are infinitely many primes $p$ such that $p-1$ is a perfect square. In fact we obtain a lower bound for the number of integers $n$, up to $Y$, such that $n = \ell_1\cdots \ell_r$, the $\ell_i$ distinct primes, and $(\ell_1 - 1)\cdots (\ell_r - 1)$ is a perfect $r$th power, for any given $r \ge 2$. We likewise obtain a lower bound for the number of such $n \le Y$ for which $(\ell_1 + 1)\cdots (\ell_r + 1)$ is a perfect $r$th power. Finally, given a finite set $A$ of nonzero integers, we obtain a lower bound for the number of $n \le Y$ for which $\prod_{p \mid n}(p+a)$ is a perfect $r$th power, simultaneously for every $a \in A$.

Artins Vermutung über Primitivwurzeln besagt, dass es zu jeder ganzen Zahl a, die weder 0, ±1 noch eine Quadratzahl ist, unendlich viele Primzahlen p gibt, sodass a eine Primitivwurzel modulo p ist, d.h. a erzeugt eine multiplikative Untergruppe von Q*, dessen Reduktion modulo p Index 1 in (Z/pZ)* hat. Dies wirft die Frage nach Verteilung von Index und Ordnung dieser Reduktion in (Z/pZ)* auf, wenn man p variiert. Diese Arbeit widmet sich verallgemeinerten Fragestellungen in Zahlkörpern: Ist K ein Zahlkörper und Gamma eine endlich erzeugte unendliche Untergruppe von K*, so werden Momente von Index und Ordnung der Reduktion von Gamma sowohl modulo bestimmter Familien von Primidealen von K als auch modulo aller Ideale von K untersucht. Ist Gamma die Gruppe der Einheiten von K, so steht diese Fragestellung in engem Zusammenhang mit der Ramanujan Vermutung in Zahlkörpern. Des Weiteren werden analoge Probleme für rationale elliptische Kurven E betrachtet: Bezeichnet Gamma die von einem rationalen Punkt von E erzeugte Gruppe, so wird untersucht, wie sich Index und Ordnung der Reduktion von Gamma modulo Primzahlen verhalten. Teilweise unter Voraussetzung gängiger zahlentheoretischer Vermutungen werden jeweils asymptotische Formeln in manchen Fällen bewiesen und generelle Schwierigkeiten geschildert, die solche in anderen Fällen verhindern. Darüber hinaus wird eine weitere verwandte Fragestellung betrachtet und bewiesen, dass zu jeder hinreichend großen Primzahl p stets eine Primitivwurzel modulo p existiert, die sich als Summe von zwei Quadraten darstellen lässt und nach oben im Wesentlichen durch die Quadratwurzel von p beschränkt ist.

Un entier est dit y-friable si tous ses facteurs premiers n'excèdent pas y. Les valeurs friables de formes binaires interviennent de manière essentielle dans l'algorithme de factorisation du crible algébrique (NFS). Dans cette thèse, nous obtenons des formules asymptotiques pour le nombre de représentations des entiers friables par différentes familles de polynômes. Nous considérons dans la première partie les formes binaires qui se décomposent comme produit d'une forme linéaire et d'une forme quadratique. Nous combinons pour cela le principe d'inclusion-exclusion à des idées issues de travaux sur la distribution multiplicative de certaines suites d'entiers représentés par des formes quadratiques développés par Fouvry et Iwaniec, puis Balog, Blomer, Dartyge et Tenenbaum. Dans un second temps, nous nous concentrons sur les valeurs friables de formes cubiques irréductibles. En adaptant les travaux de Heath-Brown et Moroz sur les nombres premiers représentés par de tels polynômes, nous obtenons des formules asymptotiques valides dans un vaste domaine de friabilité. Notre méthode permet également d'évaluer des moyennes sur les valeurs d'une forme cubique pour d'autres fonctions arithmétiques comprenant en particulier les fonctions de Möbius et de Liouville. Dans le dernier chapitre, nous étudions les corrélations de l'indicatrice des friables avec les nilsuites. En employant la méthode nilpotente de Green et Tao, nous en déduisons une formule pour le nombre de valeurs friables d'un produit de formes affines deux à deux affinement indépendantes / An integer is called y-friable if its largest prime factor does not exceed y. Friable values of binary forms play a central role in the integer factoring algorithm NFS (Number Field Sieve). In this thesis, we obtain some asymptotic formulas for the number of representations of friable integers by various classes of polynomials. In the first part, we focus on binary forms which split as a product of a linear form and a quadratic form. To achieve this, we combine the inclusion-exclusion principle with ideas based on works of Fouvry and Iwaniec and Balog, Blomer, Dartyge and Tenenbaum related to the distribution of some sequences of integers represented by quadratic forms. We then take a closer look at friable values of irreducible cubic forms. Extending some previous works of Heath-Brown and Moroz concerning primes represented by such polynomials, we provide some asymptotic formulas which hold in a large range of friability. With this method, we also evaluate some means over the values of an irreducible cubic form for other multiplicative functions including the Möbius function and the Liouville function. In the last chapter, we investigate the correlations between nilsequences and the characteristic function of friable integers. By using the nilpotent method of Green and Tao, our work provides a formula for the number of friable integers represented by a product of affine forms such that any two forms are affinely independent

Le thème de cette thèse est de comprendre la distribution des nombres premiers, qui est un sujet central de la théorie analytique des nombres. Plus précisément, nous allons prouver des théorèmes de type Bombieri-Vinogradov pour les nombres premiers avec un chiffre manquant dans leur développement b-adique pour un grand entier positif b. La preuve est basée sur la méthode du cercle, qui repose sur la structure de Fourier des entiers avec un chiffre manquant et les sommes exponentielles sur les nombres premiers dans les progressions arithmétiques. En combinant nos résultats avec le crible semi-linéaire, nous obtenons une borne supérieure et une borne inférieure avec le bon ordre de grandeur pour le nombre de nombres premiers de la forme p=1+m^2 + n^2 avec un chiffre manquant dans une grande base impaire b. / The theme of this thesis is to understand the distribution of prime numbers, which is a central topic in analytic number theory. More precisely, we prove Bombieri-Vinogradov type theorems for primes with a missing digit in their b-adic expansion for some large positive integer b. The proof is based on the circle method, which relies on the Fourier structure of the integers with a missing digit and the exponential sums over primes in arithmetic progressions. Combining our results with the semi-linear sieve, we obtain an upper bound and a lower bound of the correct order of magnitude for the number of primes of the form p=1+m^2+n^2 with a missing digit in a large odd base b.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal