一顆顆璀璨的正整數中的數字珍珠,極具挑戰的難題

2020-12-04 中學數學精準輔導

你對正整數有感覺嗎?你喜歡哪個(些)正整數?你知道數論嗎?正整數優美嗎?

A. 完美數

無論是物質世界,還是精神世界,都離不開數學。最早悟出萬物背後都有數的法則在起作用的,是生活在公元前6世紀的古希臘數學家和哲學家畢達哥拉斯;而他及其學派無論在代數上還是幾何上都有很多貢獻。其中舉世聞名的「完美數」(perfect number,又稱「完全數」和「完滿數」) 就是他們首先發現的。

法國數學家和哲學家笛卡爾曾公開預言:「能找出完美數是不會多的,好比人類一樣,要找一個完美人亦非易事。」可見這種數既優美又稀少。

所謂完美數,就是「除其本身以外全部因數之和等於本身」的數。研究數字的先師畢達哥拉斯發現6的真因數1、2、3之和還等於6,他十分感興趣地說:「6象徵著完滿的婚姻以及健康和美麗,因為它的部分是完整的,並且其和等於自身。」

當除數可以整除被除數(意即被除數=除數*商),則除數叫做被除數的因數。

素數就是質數。它除了能表示為它自己和1的乘積以外,不能表示為任何其它兩個整數的乘積。如6的所有真約數是1、2、3,而且6=1+2+3。像這樣,一個數所有真約數的和正好等於這個數,通常把這個數叫做完美數。任何一個自然數的約數中都有1和它本身,我們把小於它本身的因數叫做這個自然數的真約數。

完美數有多少? 只發現20多個。例如6的因數位1,2,3,而6=1+2+3;28的因數為1,2,4,7,14,而+1+2+4+7+14;496的因數為1,2,4,8,18,31,62,124,248,而496=1+2+4+8+18+31+62+124+248。第四個完美數是8128(1000多年前);具體探源如下:

古希臘哲學家柏拉圖在他的《共和國》一書中提出了完美數的概念。不過,有人認為或許印度人和希伯來人早就知道完美數的存在了。有些《聖經》注釋家認為6和28是上帝創造世界時所用的基本數字;他們指出,創造世界花了6天,28天則是月亮繞地球一周的天數。這使得完美數充滿了神秘的色彩,所以有些書籍稱之為「上帝之數」。

約公元前300年,幾何大師歐幾裡得在他的巨著《幾何原本》第九章最後一個命題首次給出了尋找完美數的方法,被譽為歐幾裡得定理:「如果2n-1是一個素數,那麼自然數2n-1一定是一個完美數。」並給出了證明。

公元1世紀,畢達哥拉斯學派成員、古希臘著名數學家尼可馬修斯在他的數論專著《算術入門》一書中,正確地給出了6、28、496、8128這四個完美數,並且通俗地複述了歐幾裡得尋找完美數的定理及其證明。他還將自然數劃分為三類:富裕數、不足數和完美數,其意義分別是小於、大於和等於所有真因數之和。

1460年,還當人們迷惘之際,有人偶然發現在一位無名氏的手稿中,竟神秘地給出了第五個完美數33550336。這比起第四個完美數8128大了4000多倍。跨度如此之大,在計算落後的古代可想發現者之艱辛了,但是,手稿裡沒有說明他用什麼方法得到的,又沒有公布自己的姓名,這更使人迷惑不解了。

17世紀「神數術」大師龐格斯在一本洋洋700頁的巨著《數的玄學》中,一口氣列出了28個所謂「完美數」,他是在塔塔利亞給出的20個的基礎上補充了8個。可惜兩人都沒有給出證明和運算過程,後人發現其中有許多是錯誤的。

1603年,數學家克特迪歷盡艱辛,終於證明了無名氏手稿中第五個完美數是正確的,同時他還正確地發現了第六個和第七個完美數216(217-1)和218(219-1),但他又錯誤地認為222(223-1)、228(229-1)和236(237-1)也是完美數。這三個數後來被大數學家費爾馬和歐拉否定了。

1644年,法國神父兼大數學家梅森指出,龐格斯給出的28個「完美數」中,只有8個是正確的,即當n=2,3,5,7,13,17, 19, 31時,2n-1(2n-1)是完美數,同時又增加了 n=67,127和257。

在未證明的情況下他武斷地說:當 n ≤ 257時,只有這 11個完美數。這就是著名的「梅森猜測」。完美數有許多有趣的性質:

1. 它們都能寫成連續自然數之和:6=1+2+3,  28=1+2+3+4+5+6+7,     496=1+2+3+4+......+31,   8128=1+2+3+4+......+127

2.它們的尾數都是6或8。

3.它們的全部因數的倒數之和都是2。1/1+1/2+1/3+1/6=2  ;  1/1+1/2+1/4+1/7+1/(14)+1/(28)=2 ;/1+1/2+1/4+1/8+1/(16)+1/(31)+1/(62)+1/(124)+1/(248)+1/(496)=2 ;

物以稀為貴。雖然未找到實際中的特別用途,但完美數的奇異和美麗吸引了許多人

B. Mersen數

當n=2,3,5,7,13,17時,Cn確實是前六個完美數。

1730年,被稱為世界四大數學家雄獅之一的歐拉,時年23歲,正值風華茂盛。他出手不凡,給出了一個出色的定理:「每一個偶完美數都是形如2n-1(2n-1)的自然數,其中n是素數,2n-1也是素數」,並給出了他一直沒有發表的證明。這是歐幾裡得定理的逆定理。有了歐幾裡得與歐拉兩個互逆定理,公式2n-1(2n-1)成為判斷一個偶數是不是完美數的充要條件了。

歐拉研究「梅森猜測」後指出:「我冒險斷言:每一個小於50的素數,甚至小於100的素數使2n-1(2n-1)是完美數的僅有n取2,3,5,7,13,17,19,31,41,47,我從一個優美的定理出發得到了這些結果,我自信它們具有真實性。」

1772年,歐拉因過度拼命研究雙目已經失明了,但他仍未停止研究,他在致瑞士數學家丹尼爾的一封信中說:「我已經心算證明n=31時,230(231-1)是第8個完美數。」同時,他發現他過去認為n=41和n=47時是完美數是錯誤的。

形如2^p -1的正整數,其中p是素數,常記為Mp 。若Mp是素數,則稱為梅森素數。p=2,3,5,7時,Mp都是素數,但M11=2047=23×89不是素數 。已發現的最大梅森素數是p=24036583的情形,此時 Mp 是一個7235733位數。是否有無窮多個梅森素數是數論中未解決的難題之一。

為了激勵人們尋找梅森素數,設在美國的電子新領域基金會(EFF)曾向全世界宣布了為通過一個名為「網際網路梅森素數大搜索」(GIMPS)項目來尋找梅森素數而設立的獎金。它規定向第一個找到超過1000萬位數的個人或機構頒發10萬美元。後面的獎金依次為:超過1億位數,15萬美元;超過10億位數,25萬美元。當然,絕大多數研究者參與該項目並不是為了金錢,而是出於興趣、榮譽感和探索精神。

美國加州大學洛杉磯分校的計算機專家史密斯通過參加GIMPS項目,於2008年8月23日找到了迄今已知的最大梅森素數2^43112609-1;該數也是目前已知的最大素數。這個素數有12978189位;如果用普通字號(4號)將它連續打下來,其長度可超過50公裡!人類也因此發現了迄今已知的最大偶完美數——2^43112608(2^43112609-1)。史密斯的成就被著名的《時代》雜誌評為「2008年度50項最佳發明」之一。前不久,他獲得了EFF頒布的10萬美元大獎。

梅森素數在當代具有重大的理論意義和豐富的實用價值。它是發現已知最大偶完美數的唯一途徑;其探究推動了「數學皇后」——數論的研究,促進了計算技術、密碼技術、網格技術、程序設計技術的發展以及快速傅立葉變換的應用;另外它還可用來測試計算機硬體運算是否正確。由於梅森素數的探究需要多種學科和技術的支持,所以許多科學家認為:梅森素數的研究成果,在一定程度上反映了一個國家的科技水平。

C. 回文素數

回文素數又稱逆等素數,即把該數諸位逆序排列時與原數完全相等.1000以內的回文素數有16個:11,101,131,151,181,191,313,353,373,383,727,757,787,797,919,929。回文素數是否有無窮多是至今還未解決的問題.

迴文詩:《晚秋即景》

煙霞映水碧迢迢,

暮色秋聲一雁遙,

前芩落輝殘照晚,

邊城古樹冷蕭蕭。

倒過來念為:

蕭蕭冷樹古城邊,

晚照殘輝落芩前,

遙雁一聲秋色暮,

迢迢碧水映霞煙。

芩(qín)

數學中的回文素數或回文質數:試著找一對吧,如:2位數的回文素數有4對:13—31;17—71;37—73;97—79;三位數的回文素數共13對;四位數的回文素數共102對;五位數共684對…………;有趣的是=3.1415926……;前兩位數:31-13;前六位數:314159-951413;

D.其它有趣的現象:

自守數:所謂自守數就是自已和自己相乘以後得到的數,尾數不變。在自然數中凡末尾數是1、5和6的數,不論自乘多少次,尾數仍然是1、5、6。 例如:21×21=421 ;21×21×21=9261;325×325=105625;6×6×6×6=1296 ;末尾是25和76的數也是自守數,三位數以上也有。

自然數中的奇數和偶數:

對所有的自然數,下面的規律也成立並且十分有趣:

在自然數中還有一些數,看起來貌不驚人,但卻十分特別,令人百思不得其解。6174就是其中之一。7641-1467=6174 ;有趣的是,不僅6174本身,就是任意一四位數字,只要4個數字不完全相同,用上述辦法重複多次,最後終能得到6174這個數。例如1234這個數,我們用下列步聚運算:4321-1234=3087;8730-0378=8352;8532-2358=6174

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