完全数
完全数,又稱完美數或完備數,是一些特殊的自然数:它所有的真因子(即除了自身以外的约数)的和,恰好等於它本身,完全数不可能是楔形數。
例如:第一个完全数是6,它有约数1、2、3、6,除去它本身6外,其余3个数相加,1+2+3=6,恰好等於本身。第二个完全数是28,它有约数1、2、4、7、14、28,除去它本身28外,其余5个数相加,1+2+4+7+14=28,也恰好等於本身。后面的数是496、8128。
十進位的5位數到7位數、9位數、11位數、13到18位數等位數都沒有完全數,它們不是虧數就是過剩數。
目录
1 完全數的發現
2 历史
3 性质
4 奇完全數
4.1 奇完全数的部分条件
4.2 Touchard定理
5 參考
6 註釋
7 參考資料
8 參見
9 外部链接
完全數的發現
古希腊数学家欧几里得是通过2n−1×(2n−1)displaystyle 2^n-1times (2^n-1)
的表达式发现前四个完全数的。
- 当n=2:21×(22−1)=6displaystyle n=2:2^1times (2^2-1)=6
- 当n=3:22×(23−1)=28displaystyle n=3:2^2times (2^3-1)=28
- 当n=5:24×(25−1)=496displaystyle n=5:2^4times (2^5-1)=496
- 当n=7:26×(27−1)=8128displaystyle n=7:2^6times (2^7-1)=8128
一个偶数是完美数,当且仅当它具有如下形式:2n−1(2n−1)displaystyle 2^n-1(2^n-1),其中2n−1displaystyle 2^n-1是素数,此事實的充分性由欧几里得证明,而必要性則由歐拉所證明。
比如,上面的6displaystyle 6和28displaystyle 28对应着n=2displaystyle n=2和3displaystyle 3的情况。我们只要找到了一个形如2n−1displaystyle 2^n-1的素数(即梅森素数),也就知道了一个偶完美数。
尽管没有发现奇完全数,但是当代数学家奥斯丁·欧尔证明,若有奇完全数,则其形式必然是12p+1displaystyle 12p+1或36p+9displaystyle 36p+9的形式,其中pdisplaystyle p是素数。
首十個完全數是( A000396):
- 6(1位)
- 28(2位)
- 496(3位)
- 8128(4位)
- 33550336(8位)
- 8589869056(10位)
- 137438691328(12位)
- 2305843008139952128(19位)
- 2658455991569831744654692615953842176(37位)
- 191561942608236107294793378084303638130997321548169216(54位)
历史
古代数学家根据當時已知的四个完全数做了很多假设,大部分都是错误的。其中的一个假设是:因为 2、3、5、7 恰好是头 4 个素数,第 5 个完全数应该是第 5 个素数,即当 n=11displaystyle n=11 的时候,可是 211−1=23∗89displaystyle 2^11-1=23*89 并不是素数。因此 n=11displaystyle n=11 不是完全数。另外两个错误假设是:
- 头四个完全数分别是 1、2、3、4 位数,第五个应该是 5 位数。
- 完全数应该是交替以 6 或 8 结尾。
事实上,第五个完全数 33550336=212(213−1)displaystyle 33550336=2^12(2^13-1) 是 8displaystyle 8 位数。
对于第二个假设,第五个完全数确实是以 6displaystyle 6 结尾,但是第六个完全数 8589869056displaystyle 8589869056 仍是以 6displaystyle 6 结尾,应該說完全數只有以 6displaystyle 6 和 8displaystyle 8 结尾才對。
对完全数的研究,至少已经有两千多年的历史。《几何原本》中就提出了寻求某种类型完全数的问题。
每一个梅森素数给出一个偶完全数;反之,每個偶完全數給出一個梅森素數,這結果稱為歐幾里得-歐拉定理。到 2018 年 1 月为止,共发现了 50 个完全数,且都是偶数。最大的已知完全數為 277232916∗(277232917−1)displaystyle 2^77232916*(2^77232917-1) 共有 46498850displaystyle 46498850 位數[1]。
性质
以下是目前已發現的完全數共有的性質。
- 偶完全数都是以6或28结尾。
- 在十二進制中,除了6跟28以外的偶完全數都以54結尾,甚至,除了6, 28, 496以外的偶完全數都以054或854結尾。而如果存在奇完全數,她在十二進制中必定以1, 09, 39, 69或99結尾。
- 除6以外的偶完全数,把它的各位数字相加,直到变成個位数,那么这个個位数一定是1[註 1]:
28displaystyle 28 → 2+8=10displaystyle 2+8=10 → 1+0=1displaystyle 1+0=1
496displaystyle 496 → 4+9+6=19displaystyle 4+9+6=19 → 1+9=10displaystyle 1+9=10 → 1+0=1displaystyle 1+0=1
- 所有的偶完全数都可以表达为2的一些连续正整数次幂之和,从2p−1displaystyle 2^p-1到22p−2displaystyle 2^2p-2:
6=21+22displaystyle 6=2^1+2^2
28=22+23+24displaystyle 28=2^2+2^3+2^4
496=24+25+26+27+28displaystyle 496=2^4+2^5+2^6+2^7+2^8
8128=26+27+...+212displaystyle 8128=2^6+2^7+...+2^12
- 每个偶完全数都可以写成连续自然数之和[註 2]:
6=1+2+3displaystyle 6=1+2+3
28=1+2+3+4+5+6+7displaystyle 28=1+2+3+4+5+6+7
496=1+2+3+...+30+31displaystyle 496=1+2+3+...+30+31
- 除6以外的偶完全数,还可以表示成连续奇立方数之和(被加的项共有2p−1displaystyle sqrt 2^p-1)[註 3]:
28=13+33displaystyle 28=1^3+3^3
496=13+33+53+73displaystyle 496=1^3+3^3+5^3+7^3
8128=13+33+53+...+153displaystyle 8128=1^3+3^3+5^3+...+15^3
- 每个完全数的所有约数(包括本身)的倒数之和,都等于2:(這可以用通分證得。因此每個完全數都是歐爾調和數。)
11+12+13+16=6+3+2+16=2displaystyle frac 11+frac 12+frac 13+frac 16=frac 6+3+2+16=2
11+12+14+17+114+128=28+14+7+4+2+128=2displaystyle frac 11+frac 12+frac 14+frac 17+frac 114+frac 128=frac 28+14+7+4+2+128=2
- 它们的二进制表达式也很有趣:(因為偶完全數形式均如2n−1(2n−1)displaystyle 2^n-1(2^n-1))
(6)10=(110)2displaystyle (6)_10=(110)_2
(28)10=(11100)2displaystyle (28)_10=(11100)_2
(496)10=(111110000)2displaystyle (496)_10=(111110000)_2
(8128)10=(1111111000000)2displaystyle (8128)_10=(1111111000000)_2
(33550336)10=(1111111111111000000000000)2displaystyle (33550336)_10=(1111111111111000000000000)_2
(8589869056)10=(111111111111111110000000000000000)2displaystyle (8589869056)_10=(111111111111111110000000000000000)_2
奇完全數
未解決的數學問題:奇完全數存在嗎? |
用计算机已经证实:在101500以下,没有奇完全数;至今还证明了,如果奇完全数存在,则它至少包含11个不同素数(包含一個不少於7位數的質因子)但不包含3,亦不會是立方數。一般猜测:奇完全数是不存在的。完全数的个数是否为无限?至今都不能回答。
Carl Pomerance提出了一個想法說明奇完全數不太可能存在。[2]
奇完全数的部分条件
N > 101500,2012年公布的结果。
N是以下形式:
- N=qαp12e1…pk2ek,displaystyle N=q^alpha p_1^2e_1ldots p_k^2e_k,
- 其中:
q,p1,…,pk是不同的素数(Euler)。
q ≡ α ≡ 1 (mod 4)(Euler)。
N的最小素因子必须小于(2k + 8) / 3(Grün 1952)。
e1displaystyle e_1≡e2displaystyle e_2...≡ekdisplaystyle e_k ≡ 1(mod 3)的关系不能满足(McDaniel 1970)。- 要么qα > 1062,要么对于某个j有pj2ejdisplaystyle p_j^2e_j > 1062(Cohen 1987)。
N<24k+1displaystyle N<2^4^k+1(Nielsen 2003)。
N的最大素因子必须大于108(Takeshi Goto和Yasuo Ohno,2006)。
N的第二大素因子必须大于104(Iannucci 1999,2000)。
N至少要有75个素因子,其中至少9个是不同的。如果3不是素因子之一,则至少要有12个不同的素因子。(Nielsen 2006;Kevin Hare 2005)。
- 如果对于所有的i,都有eidisplaystyle e_i ≤ 2,那么:
N的最小素因子必须大于739(Cohen 1987)。- α ≡ 1(mod 12)或α ≡ 9 (mod 12)(McDaniel 1970)。
Touchard定理
這個定理說明若存在奇完全數,其形式必如12m+1displaystyle 12m+1或36q+9displaystyle 36q+9。最初的證明在1953年由Jacques Touchard首先證明,1951年van der Pol用非線性偏微分方程得出證明。Judy A. Holdener在《美國數學月刊》第109卷第7期刊證了一個初等的證明。
證明會使用這三個結果:(下面的n,k,j,m,q均為正整數)
- 歐拉證明了奇完全數的形式必如4j+1displaystyle 4j+1。[3]
σ(n)displaystyle sigma (n)表示ndisplaystyle n的正因數之和。完全數的定義即為2n=σ(n)displaystyle 2n=sigma (n)。
σ(n)displaystyle sigma (n)為積性函數- 引理:若n=6k−1displaystyle n=6k-1(kdisplaystyle k是正整數),則ndisplaystyle n非完全數。
引理的證明:
使用反證法,設ndisplaystyle n為完全數,且n≡−1(mod6)displaystyle nequiv -1pmod 6。
n≡−1(mod3)displaystyle nequiv -1pmod 3。因為3的二次剩餘只有0,1,故ndisplaystyle n非平方數,因此其正因數個數為偶數。
ndisplaystyle n有正因數ddisplaystyle d,則可得:
d≡1(mod3)displaystyle dequiv 1pmod 3且n/d≡−1(mod3)displaystyle n/dequiv -1pmod 3;或
d≡−1(mod3)displaystyle dequiv -1pmod 3且n/d≡1(mod3)displaystyle n/dequiv 1pmod 3。
因此,(n/d+d)≡0(mod3)displaystyle (n/d+d)equiv 0pmod 3。故σ(n)=∑d<nd+n/d≡0(mod3)displaystyle sigma (n)=sum _d<sqrt nd+n/dequiv 0pmod 3。
但2n≡2(−1)≡1(mod3)displaystyle 2nequiv 2(-1)equiv 1pmod 3,矛盾。
故ndisplaystyle n的形式只可能為6k+1displaystyle 6k+1或6k+3displaystyle 6k+3。
若n=6k+1displaystyle n=6k+1,根據歐拉的結果,n=4j+1displaystyle n=4j+1,綜合兩者,得n=12m+1displaystyle n=12m+1。
若n=6k+3displaystyle n=6k+3,n=4j+1displaystyle n=4j+1,得n=12m+9=3(4m+3)displaystyle n=12m+9=3(4m+3)。若mdisplaystyle m非3的倍數,3和4m+3displaystyle 4m+3互質。
因為σ(n)displaystyle sigma (n)為積性函數,可得σ(n)=σ(3)σ(4m+3)=4σ(4m+3)≡0(mod4)displaystyle sigma (n)=sigma (3)sigma (4m+3)=4sigma (4m+3)equiv 0pmod 4。
但2n=2(4j+1)≡2(mod4)displaystyle 2n=2(4j+1)equiv 2pmod 4,出現了矛盾。故知mdisplaystyle m是3的倍數。代入m=3qdisplaystyle m=3q,可得n=36q+9displaystyle n=36q+9。
參考
Odd Perfect Numbers, Gagan Tara Nanda
註釋
^ 亦即,除6以外的完全数,被9除都餘1。
^ 亦即,每個偶完全數都是三角形數。
^ 這是因為13+33+53+⋯+(2n−1)3=n2(2n2−1)displaystyle 1^3+3^3+5^3+cdots +(2n-1)^3=n^2(2n^2-1)。
參考資料
^ GIMPS Project Discovers Largest Known Prime Number: 277,232,917-1. Mersenne Research, Inc. 2018年1月3日 [2018年1月14日].
^ http://oddperfect.org/pomerance.html
^ [1][永久失效連結]
參見
- 高合成數
- 婚約數
- 親和數
- 豐數
- 亏数
- 梅森素数
- 半完全數
- 佩服數
- 超完全數
外部链接
Hazewinkel, Michiel (编), Perfect number, 数学百科全书, Springer, 2001, ISBN 978-1-55608-010-4- David Moews: Perfect, amicable and sociable numbers
- Perfect numbers – History and Theory
- 埃里克·韦斯坦因. Perfect Number. MathWorld.
Sloane, N.J.A. (编). Sequence A000396 (Perfect numbers). The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences. OEIS Foundation.
OddPerfect.org A projected distributed computing project to search for odd perfect numbers.
Great Internet Mersenne Prime Search[永久失效連結]
Perfect Numbers, math forum at Drexel.
Grimes, James. 8128: Perfect Numbers. Numberphile. Brady Haran.
|