完全数







以古氏積木演示完全數6


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-1}times (2^{n}-1)}2^{{n-1}}times (2^{n}-1)
的表达式发现前四个完全数的。



当n=2:21×(22−1)=6{displaystyle n=2:2^{1}times (2^{2}-1)=6}n=2:2^{1}times (2^{2}-1)=6

当n=3:22×(23−1)=28{displaystyle n=3:2^{2}times (2^{3}-1)=28}n=3:2^{2}times (2^{3}-1)=28

当n=5:24×(25−1)=496{displaystyle n=5:2^{4}times (2^{5}-1)=496}n=5:2^{4}times (2^{5}-1)=496

当n=7:26×(27−1)=8128{displaystyle n=7:2^{6}times (2^{7}-1)=8128}n=7:2^{6}times (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)}2^{{n-1}}(2^{n}-1)，其中2n−1{displaystyle 2^{n}-1}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6{displaystyle 6}6和28{displaystyle 28}28对应着n=2{displaystyle n=2}n=2和3{displaystyle 3}3的情况。我们只要找到了一个形如2n−1{displaystyle 2^{n}-1}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+1{displaystyle 12p+1}12p+1或36p+9{displaystyle 36p+9}36p+9的形式，其中p{displaystyle p}p是素数。


首十個完全數是（OEIS A000396）：



  1. 6（1位）

  2. 28（2位）

  3. 496（3位）

  4. 8128（4位）

  5. 33550336（8位）

  6. 8589869056（10位）

  7. 137438691328（12位）

  8. 2305843008139952128（19位）

  9. 2658455991569831744654692615953842176（37位）

  10. 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=11{displaystyle n=11}{displaystyle n=11} 的时候，可是 211−1=23∗89{displaystyle 2^{11}-1=23*89}{displaystyle 2^{11}-1=23*89} 并不是素数。因此 n=11{displaystyle n=11}{displaystyle 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)}33550336=2^{{12}}(2^{{13}}-1) 是 8{displaystyle 8}8 位数。


对于第二个假设，第五个完全数确实是以 6{displaystyle 6}6 结尾，但是第六个完全数 8589869056{displaystyle 8589869056}{displaystyle 8589869056} 仍是以 6{displaystyle 6}6 结尾，应該說完全數只有以 6{displaystyle 6}6 和 8{displaystyle 8}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)}{displaystyle 2^{77232916}*(2^{77232917}-1)} 共有 46498850{displaystyle 46498850}{displaystyle 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]：


28{displaystyle 28}{displaystyle 28} → 2+8=10{displaystyle 2+8=10}{displaystyle 2+8=10} → 1+0=1{displaystyle 1+0=1}{displaystyle 1+0=1}

496{displaystyle 496}{displaystyle 496} → 4+9+6=19{displaystyle 4+9+6=19}{displaystyle 4+9+6=19} → 1+9=10{displaystyle 1+9=10}{displaystyle 1+9=10} → 1+0=1{displaystyle 1+0=1}{displaystyle 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−1{displaystyle 2^{p-1}}2^{{p-1}}到22p−2{displaystyle 2^{2p-2}}2^{{2p-2}}：

6=21+22{displaystyle 6=2^{1}+2^{2}}6=2^{1}+2^{2}

28=22+23+24{displaystyle 28=2^{2}+2^{3}+2^{4}}28=2^{2}+2^{3}+2^{4}

496=24+25+26+27+28{displaystyle 496=2^{4}+2^{5}+2^{6}+2^{7}+2^{8}}496=2^{4}+2^{5}+2^{6}+2^{7}+2^{8}

8128=26+27+...+212{displaystyle 8128=2^{6}+2^{7}+...+2^{12}}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+3{displaystyle 6=1+2+3}{displaystyle 6=1+2+3}

28=1+2+3+4+5+6+7{displaystyle 28=1+2+3+4+5+6+7}{displaystyle 28=1+2+3+4+5+6+7}

496=1+2+3+...+30+31{displaystyle 496=1+2+3+...+30+31}{displaystyle 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−1{displaystyle {sqrt {2^{p-1}}}}{sqrt {2^{{p-1}}}})[註 3]：

28=13+33{displaystyle 28=1^{3}+3^{3}}28=1^{3}+3^{3}

496=13+33+53+73{displaystyle 496=1^{3}+3^{3}+5^{3}+7^{3}}496=1^{3}+3^{3}+5^{3}+7^{3}

8128=13+33+53+...+153{displaystyle 8128=1^{3}+3^{3}+5^{3}+...+15^{3}}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=2{displaystyle {frac {1}{1}}+{frac {1}{2}}+{frac {1}{3}}+{frac {1}{6}}={frac {6+3+2+1}{6}}=2}{displaystyle {frac {1}{1}}+{frac {1}{2}}+{frac {1}{3}}+{frac {1}{6}}={frac {6+3+2+1}{6}}=2}

11+12+14+17+114+128=28+14+7+4+2+128=2{displaystyle {frac {1}{1}}+{frac {1}{2}}+{frac {1}{4}}+{frac {1}{7}}+{frac {1}{14}}+{frac {1}{28}}={frac {28+14+7+4+2+1}{28}}=2}{displaystyle {frac {1}{1}}+{frac {1}{2}}+{frac {1}{4}}+{frac {1}{7}}+{frac {1}{14}}+{frac {1}{28}}={frac {28+14+7+4+2+1}{28}}=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)}2^{{n-1}}(2^{n}-1)）

(6)10=(110)2{displaystyle (6)_{10}=(110)_{2}}(6)_{{10}}=(110)_{2}

(28)10=(11100)2{displaystyle (28)_{10}=(11100)_{2}}(28)_{{10}}=(11100)_{2}

(496)10=(111110000)2{displaystyle (496)_{10}=(111110000)_{2}}(496)_{{10}}=(111110000)_{2}

(8128)10=(1111111000000)2{displaystyle (8128)_{10}=(1111111000000)_{2}}(8128)_{{10}}=(1111111000000)_{2}

(33550336)10=(1111111111111000000000000)2{displaystyle (33550336)_{10}=(1111111111111000000000000)_{2}}(33550336)_{{10}}=(1111111111111000000000000)_{2}

(8589869056)10=(111111111111111110000000000000000)2{displaystyle (8589869056)_{10}=(111111111111111110000000000000000)_{2}}(8589869056)_{{10}}=(111111111111111110000000000000000)_{2}


奇完全數







未解決的數學問題：奇完全數存在嗎？		 Question mark2.svg

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_{1}}ldots p_{k}^{2e_{k}},}N=q^{{alpha }}p_{1}^{{2e_{1}}}ldots 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）。


  • e1{displaystyle e_{1}}e_{1}≡e2{displaystyle e_{2}}e_{2}...≡ek{displaystyle e_{k}}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pj2ej{displaystyle p_{j}^{2e_{j}}}p_{j}^{{2e_{j}}} > 1062（Cohen 1987）。


  • N<24k+1{displaystyle N<2^{4^{k+1}}}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ei{displaystyle e_{i}}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+1{displaystyle 12m+1}12m+1或36q+9{displaystyle 36q+9}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+1{displaystyle 4j+1}4j+1。[3]


  • σ(n){displaystyle sigma (n)}sigma (n)表示n{displaystyle n}n的正因數之和。完全數的定義即為2n=σ(n){displaystyle 2n=sigma (n)}2n=sigma (n)。
    σ(n){displaystyle sigma (n)}sigma (n)為積性函數

  • 引理：若n=6k−1{displaystyle n=6k-1}n=6k-1（k{displaystyle k}k是正整數），則n{displaystyle n}n非完全數。


引理的證明：


使用反證法，設n{displaystyle n}n為完全數，且n≡−1(mod6){displaystyle nequiv -1{pmod {6}}}nequiv -1{pmod {6}}。


n≡−1(mod3){displaystyle nequiv -1{pmod {3}}}nequiv -1{pmod {3}}。因為3的二次剩餘只有0,1，故n{displaystyle n}n非平方數，因此其正因數個數為偶數。


n{displaystyle n}n有正因數d{displaystyle d}d，則可得：




d≡1(mod3){displaystyle dequiv 1{pmod {3}}}dequiv 1{pmod {3}}且n/d≡−1(mod3){displaystyle n/dequiv -1{pmod {3}}}n/dequiv -1{pmod {3}}；或


d≡−1(mod3){displaystyle dequiv -1{pmod {3}}}dequiv -1{pmod {3}}且n/d≡1(mod3){displaystyle n/dequiv 1{pmod {3}}}n/dequiv 1{pmod {3}}。


因此，(n/d+d)≡0(mod3){displaystyle (n/d+d)equiv 0{pmod {3}}}(n/d+d)equiv 0{pmod {3}}。故σ(n)=∑d<nd+n/d≡0(mod3){displaystyle sigma (n)=sum _{d<{sqrt {n}}}d+n/dequiv 0{pmod {3}}}sigma (n)=sum _{{d<{sqrt {n}}}}d+n/dequiv 0{pmod {3}}。


但2n≡2(−1)≡1(mod3){displaystyle 2nequiv 2(-1)equiv 1{pmod {3}}}2nequiv 2(-1)equiv 1{pmod {3}}，矛盾。


故n{displaystyle n}n的形式只可能為6k+1{displaystyle 6k+1}6k+1或6k+3{displaystyle 6k+3}6k+3。


若n=6k+1{displaystyle n=6k+1}n=6k+1，根據歐拉的結果，n=4j+1{displaystyle n=4j+1}n=4j+1，綜合兩者，得n=12m+1{displaystyle n=12m+1}n=12m+1。


若n=6k+3{displaystyle n=6k+3}n=6k+3，n=4j+1{displaystyle n=4j+1}n=4j+1，得n=12m+9=3(4m+3){displaystyle n=12m+9=3(4m+3)}n=12m+9=3(4m+3)。若m{displaystyle m}m非3的倍數，3和4m+3{displaystyle 4m+3}4m+3互質。


因為σ(n){displaystyle sigma (n)}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 0{pmod {4}}}sigma (n)=sigma (3)sigma (4m+3)=4sigma (4m+3)equiv 0{pmod {4}}。


但2n=2(4j+1)≡2(mod4){displaystyle 2n=2(4j+1)equiv 2{pmod {4}}}2n=2(4j+1)equiv 2{pmod {4}}，出現了矛盾。故知m{displaystyle m}m是3的倍數。代入m=3q{displaystyle m=3q}m=3q，可得n=36q+9{displaystyle n=36q+9}n=36q+9。



參考



  • Odd Perfect Numbers, Gagan Tara Nanda


註釋




  1. ^ 亦即，除6以外的完全数，被9除都餘1。


  2. ^ 亦即，每個偶完全數都是三角形數。


  3. ^ 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)}{displaystyle 1^{3}+3^{3}+5^{3}+cdots +(2n-1)^{3}=n^{2}(2n^{2}-1)}。



參考資料




  1. ^ 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]. 


  2. ^ http://oddperfect.org/pomerance.html


  3. ^ [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. 






































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