Пусть есть составное число

.
Я зацепился за случай, когда p,q-нечетные, соответственно N-1 обязано делится на 4.
И сделал вывод, что для нечетных p,q, если N-1 не делится на 4, то число N-простое.
Согласно Вашим же рассуждениям, случай, когда

и

оба нечётные, а

не делится на

, невозможен. Поэтому рассуждать об этом случае совершенно бессмысленно.
Все контраргументы были именно с k=1.
Вы сами этого потребовали, когда написали, что

не делится на

, так что и удивляться нечего.
P.S. Согласно правилам форума,
1) формулы следует окружать знаками доллара: $N=PQ=(2p+1)(2q+1)=4pq+2(p+q)+1$;
2) нельзя использовать "*" в качестве знака умножения; если знак умножения позарез нужен, используется либо точка посередине строки "

" (код \cdot), либо косой крест "

" (код \times; обычно его пишут при переносе части формулы на другую строку).
При соблюдении этих правил процитированная формула будет выглядеть так:

.
Чтобы показатель степени в выражении

изображался правильно, его нужно окружать не круглыми скобками, а фигурными: 2^{k+m}; получится

.
Подробнее можно прочесть в темах
http://dxdy.ru/topic8355.html и
http://dxdy.ru/topic183.html. Увидеть код формулы в чужом сообщении можно, если навести на него курсор мыши.