Conjecture d'Euler

La conjecture d'Euler est une conjecture mathématique de théorie des nombres, réfutée, mais qui a été originellement proposée par le mathématicien suisse Leonhard Euler en 1772[1],[2], et qui s'énonce de la façon suivante :

Pour tout entier n strictement supérieur à 2, la somme de n – 1 puissances n-ièmes n'est pas une puissance n-ième.

En d'autres termes, et de manière plus formelle :

${\displaystyle \forall n>2,\forall (a_{1},\dots ,a_{n-1},b)\in (\mathbb {N} ^{*})^{n},\sum _{k=1}^{n-1}{a_{k}}^{n}\neq b^{n}.}$

Historique

Euler percevait cet énoncé comme une généralisation de la conjecture de Fermat, à savoir que pour tout entier n strictement supérieur à 2, la somme de deux puissances n-ièmes n'est pas une puissance n-ième. Les deux énoncés coïncident pour n = 3. Euler ajouta[1] que « exactement comme il n'existe pas de cubes dont la somme ou la différence soit un cube, il est certain qu'il est impossible de trouver trois puissances quatrièmes dont la somme soit une puissance quatrième, mais qu'au moins quatre puissances quatrièmes sont nécessaires pour que la somme soit une puissance quatrième, bien que personne n'ait été capable jusqu'à présent de produire ces quatre puissances. De la même façon, il semblerait impossible de trouver quatre puissances cinquièmes dont la somme soit une puissance cinquième, et de même pour les puissances supérieures. »

La conjecture d'Euler fut infirmée par L. J. Lander et T. R. Parkin en 1966[3] grâce au contre-exemple suivant :

${\displaystyle 27^{5}+84^{5}+110^{5}+133^{5}{=}144^{5}.}$

En 1988, Noam Elkies trouva même une méthode[4] pour construire des contre-exemples lorsque n = 4. Son plus simple contre-exemple fut le suivant :

${\displaystyle 2682440^{4}[phone]^{4}[phone]^{4}=20615673^{4}}$.

Par la suite, Roger Frye trouva le plus petit contre-exemple possible pour n = 4 en utilisant, avec un ordinateur, des techniques suggérées par Elkies :

${\displaystyle 95800^{4}+217519^{4}+414560^{4}=422481^{4}}$.

En 2020, aucun contre-exemple n'est connu pour n > 5[5].

Sommes de n puissances n-ièmes

Dans ce cas (correspondant à la résolution d'équations diophantiennes de la forme ${\displaystyle m^{4}+n^{4}+p^{4}+q^{4}=r^{4}}$), il semble y avoir toujours des solutions, souvent en nombre infini.

n = 2

On obtient les triplets pythagoriciens, par exemple ${\displaystyle 3^{2}+4^{2}=5^{2}}$, et plus généralement ${\displaystyle (a^{2}-b^{2})^{2}+(2ab)^{2}=(a^{2}+b^{2})^{2}}$.

n = 3

3^3 + 4^3 + 5^3 = 6^3 (nombre de Platon 216) ; c'est le cas correspondant à a = 1, b = 0 de la formule due à Srinivasa Ramanujan[6] :${\displaystyle (3a^{2}+5ab-5b^{2})^{3}+(4a^{2}-4ab+6b^{2})^{3}+(5a^{2}-5ab-3b^{2})^{3}=(6a^{2}-4ab+4b^{2})^{3}.}$

On peut également paramétrer un cube comme somme de trois cubes par : ${\displaystyle a^{3}(a^{3}+b^{3})^{3}=b^{3}(a^{3}+b^{3})^{3}+a^{3}(a^{3}-2b^{3})^{3}+b^{3}(2a^{3}-b^{3})^{3}}$ou par[6] ${\displaystyle a^{3}(a^{3}+2b^{3})^{3}=a^{3}(a^{3}-b^{3})^{3}+b^{3}(a^{3}-b^{3})^{3}+b^{3}(2a^{3}+b^{3})^{3}.}$

Anecdotiquement, le nombre 2 100 000^3 peut être exprimé comme somme de trois cubes de neuf façons différentes[6].

n = 5

19^5 + 43^5 + 46^5 + 47^5 + 67^5 = 72^5 (Lander, Parkin, Selfridge, le plus petit exemple, 1967)[7]

21^5 + 23^5 + 37^5 + 79^5 + 84^5 = 94^5 (Lander, Parkin, Selfridge, le second plus petit, 1967)[7]

7^5 + 43^5 + 57^5 + 80^5 + 100^5 = 107^5 (Sastry, 1934, le troisième plus petit)

n = 7 ou 8

127^7 + 258^7 + 266^7 + 413^7 + 430^7 + 439^7 + 525^7 = 568^7 (M. Dodrill, 1999)[8]

90^8 + 223^8 + 478^8 + 524^8 + 748^8 + 1088^8 + 1190^8 + 1324^8 = 1409^8 (S. Chase, 2000)[9]

Conjecture voisine

En 1967, Lander, Parkin et Selfridge ont conjecturé[10],[2] que si u, v ≥ 1 et n > u + v, il n'existe pas d'entiers strictement positifs a_i ≠ b_j tels que

${\displaystyle \sum _{i=1}^{u}a_{i}^{n}=\sum _{j=1}^{v}b_{j}^{n}.}$

Cela impliquerait en particulier que

${\displaystyle \forall n\geq 4,\forall u\in \{2,\ldots ,n-2\},\forall (a_{1},\dots ,a_{u},b)\in (\mathbb {N} ^{*})^{u+1},\sum _{k=1}^{u}{a_{k}}^{n}\neq b^{n}.}$

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Euler's sum of powers conjecture » (voir la liste des auteurs).

1. (en) Leonard Eugene Dickson, History of the Theory of Numbers (en) [détail des éditions], vol. 2, p. 648, citant E716 (1778). Dickson mentionne aussi (note 165) E428 (1772) et (note 167) E776 (1780)
2. Cf. (en) EulerNet: Computing Minimal Equal Sums Of Like Powers et son lien vers une page détaillée.
3. (en) L. J. Lander et T. R. Parkin, « Counterexample to Euler's conjecture on sums of like powers », Bull. Amer. Math. Soc., vol. 72,‎ 1966, p. 1079 (lire en ligne)
4. (en) Noam Elkies, « On A^4 + B^4 + C^4 = D^4 », Math. Comp., vol. 51, n^o 184,‎ 1988, p. 825-835 (DOI 10.2307/2008781)
5. Selon le mathématicien Florent Nacry. Exposé dans le cadre de la semaine des mathématiques du 9 au 13 mars à l'UPVD Lire en ligne Page 37
6. (en) Eric W. Weisstein, « Diophantine Equation--3rd Powers », sur MathWorld
7. (en) L. J. Lander, T. R. Parkin et J. L. Selfridge, « A Survey of Equal Sums of Like Powers », Mathematics of Computation, vol. 21, n^o 99,‎ 1967, p. 446–459 (DOI 10.1090/S0025-5718-1967-0222008-0 , JSTOR 2003249)
8. (en) Eric W. Weisstein, « Diophantine Equation--7th Powers », sur MathWorld
9. (en) Eric W. Weisstein, « Diophantine Equation--8th Powers », sur MathWorld
10. (en) L. J. Lander, T. R. Parkin et J. L. Selfridge, « A survey of equal sums of like powers », Math. Comp., vol. 21,‎ 1967, p. 446-459 (lire en ligne)

Voir aussi

Articles connexes

• Équation diophantienne
• Suite de Sidon
• Équation de Jacobi-Madden (en)
• Théorème d'Erdős-Suranyi

Liens externes

• (en) Eric W. Weisstein, « Euler Quartic Conjecture », sur MathWorld
• (en) Eric W. Weisstein, « Diophantine Equation 4th Powers », sur MathWorld