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在渺渺茫茫的数海中,蕴藏着许多迷人的数的珍珠,其中有一颗千古珍稀——完全数。
1 发现完全数的先驱
公元前3世纪以前,古希腊人在对数的因数分解中,发现了有的数其因数(除本身外)之和居然等于自身,他们称之为完全数。例如6 (除自身外)的因数为1、2、3,而其和1+2+3=6,故6是完全数。据说毕达哥拉斯认为“6象征着完美的婚姻以及健康和美丽, 因为它的部分是完整的,并且其和等于自身”。后来又发现28、496、8128 共四个完全数。
在柏拉图(Plato,公元前427—前349 )《共和国》一书中首见完全数的文字定义:“一个数等于它的全部因数(不含自身)之和,就叫做完全数。”
公元前300年左右, 欧几里得在《几何原本》中首次给出了寻找完全数的命题“如果n
公元1世纪古希腊尼科马霍斯(Nichomachus)在《算术入门》中复述了以上四个完全数和欧氏定理证明,书中赞道:“奇迹发生了,正如世间缺少完美的事物,而丑陋的东西却比比皆是一样,自然数中遍布着杂乱无章的盈数和亏数,完全数却以它特有的性质熠熠发光,珍奇而稀少。”这里的盈数、亏数和完全数指它们分别大于、小于和等于(除本身外的)各自的因数之和。
2 千年跨一步
人类发现四个完全数以后,吸引了许多数学家去探觅完全数珠宝。可是,自然数浩如烟海,完全数又如沧海一粟,在茫茫数海捞针,却难寻到这稀少的“数字之珠”,几代人过去了,第五个完全数还是没有露面。
千年之后,意大利数学家斐波那契(L.Fibonacci,1170?—1250)曾宣布他找到了一个寻找完全数的有效法则,可惜没有公布,成为过眼烟云的新闻。
直到1460年,人们偶然发现一位无名氏的手稿中,竟神秘地给出了第五个完全数33550336。在进行大数计算很艰辛的古代,无名氏是怎样得到它的乃是一个谜。
在当时的欧洲有一种风气,发现惊人的结果者不愿公布姓名,其原因大概除为了增加问题的神秘外,主要怕暴露身份招来是非。当时的许多发现不严密不成熟,极易找到攻击的漏洞。
无名氏千年跨出了重要一步,寻觅完全数又激起千层浪。
3 发现并非一帆风顺
15至19世纪是研究、发现完全数的不平凡的日子。
16世纪意大利的塔塔利亚(N.Tartaglia,1499?—1557)说, 当n=2或是3至39间的奇数时,2[n-1](2[n]-1)是“完全数”, 共有20个。
17世纪“神数术”大师庞格斯在《数的玄学》中,在塔氏20个的基础上列出了28个“完全数”。可惜这两位没有给出方法、证明或运算过程。
1603年,数学家克特迪证明无名氏找出的那第五个数符合欧氏定理。(n=13,2[13-1](2[13]-1)=33550336), 同时正确地证明第6个和第7个完全数是2[16](2[17]-1)和2[18](2[19]-1);但又错误说2[22](2[23]-1)、2[28](2[29]-1)和2[36](2[37]-1 )也是完全数,后来费马(Fermat)和欧拉指出了他的错误。
1644年,法国神甫兼数学家梅森(M.Mersenne,1588—1648)指出:庞格斯给出的28个“完全数”,中, 只有8 个是正确的, 即当n 取2,3,5,7,13,17,19,31时,2[n-1](2[n]-1)是完全数。同时他另给出了第9、10、11个完全数,即n取67、127和257。梅森在没有证明的情况下武断地说:当n≤257时,就只有这11个完全数了。这就是历史上著名的“梅森猜测”,而型如2[n]-1的数被称为“梅森数”, 其中的素数称为“梅森素数”。
人们后来发现, 欧氏定理只是一个偶数是完全数的充分条件。1730年, 欧拉证明了一个定理“每一个偶完全数都是形如2[n-1](2[n]-1)的自然数,其中n是素数,2[n]-1也是素数”。这是欧氏定理的逆定理。
欧拉还对“梅森猜测”提出他的看法:“我冒险断言,每一个小于50的素数,甚至小于100的素数,使2[n-1](2[n]-1 )是完全数的仅有n取2,3,5,7,13,19,31,41,47。 我从一个优美的定理出发得到了这些结果,我自信它们具有真实性。”
42年后的1772年,欧拉在双目失明的情况下,仍在研究完全数,他写信给瑞士数学家丹尼尔·贝努利(Daniel Bemoulli,1700— 1782)说:“我已心算证明,当n=31时,2[30](2[31]-1)是第8个完全数。”同时还纠正自己过去说n取41、47是完全数的错误。
1876年,法国数论专家吕卡(F.lucas)另辟蹊径, 创立了一种检验素数的新方法,证明n=127时确实是一个完全数。
数学家借助吕卡的新方法发现“梅森猜测”说n取67和257可得到完全数的说法是错误的,并且发现在n=257范围内,梅森漏掉了n取61,89,107时的三个完全数。这时,人类花200多年才辨明“梅森猜测”的真伪。
至此,人类前仆后继,利用繁杂的笔算,在计算机诞生前,耗时二千多年,一共只找到了12个完全数,即n取2,3,5,7,13,17,19,31,61,89,107,127时,2[n-1](2[n]-1)是完全数。
1946年电子计算机产生,结束了笔算纸录寻觅完全数的漫长历史。
4 迷人的性质
17世纪,法国数学家笛卡尔曾寻找过偶完全数,经努力而失败了,他感到要多找出一个完全数实非易事,并公开预言:“能找出的完全数是不会多的,好比人类一样,要找出完美的人亦非易事!”
从1946年以后,人们开始用计算机发现完全数。
我们容易看到:前面所讲的完全数都是偶数,后人称之为“偶完全数”。
根据欧几里得与欧拉两个互逆定理,找到一个2[n]-1型素数, 即找到一个偶完全数,而2[n]-1型素数恰好为梅森素数。 至此人们终于发现:偶完全数与梅森素数一一对应着。这就是说,发现一个梅森素数,即相当于找到一个偶完全数,反之成立。
由此,人们至1998年1月止,至少已找到37个梅森素数, 如此一来,至少也已找到37 个偶完全数。 第37个完全数是n =3021377 时2[3021376](2[3021377]-1),它有909526位,是由美国加州大学学生罗兰·克拉克森在Internet上公布的。这是90年代初,世界掀起上网热潮中,有人提议利用Internet上极为丰富的个人电脑资源来寻找新的更大的梅森素数的结果。
综上所述,从公元前到1946年的二千多年间,用笔算找到12个完全数,约平均200年找到1个;1952年至1998年用计算机与数学方法,历时46年,共找到25个,约平均二年找到1个。 充分显示计算机与新方法的优越。的确,完全数太稀少了,至今还有人在继续工作。
完全数有许多性质被发现,例如
1.每一个完全数都可以写成连续自然数之和,如1652年数学家发现:
6=1+2+3;
28=1+2+3+4+5+6+7;
496=1+2+3+……+31;
8128=1+2+3+……+127。
2.除6外,完全数可以表示成连续奇数之立方和,如
5 等待揭穿之谜
迄1998年为止,发现的37个完全数,统统是偶数,于是,数学家提出如下问题:存不存在奇完全数。
经过若干名家好手的研究,至今没有发现一个奇完全数。于是,人们猜测,若存在的话,它一定是非常大的。
有多大?当代数学家奥尔(Ore)用计算机检查过10[8]以下的自然数,没有发现一个奇完全数。
1967年,塔克曼研究后宣布,若有奇完全数,它必须大于10[36]。1972年有人证明它必须大于10[50]。1982年又有人证明它必须大于10[120],……。这种难于捉摸的奇完全数,即使有,但它实在太大,以至超出了目前人们能够用计算机计算的范围了。