Октаэдральное число

146 магнитных шариков, образующие октаэдр

Октаэдральное число — разновидность многогранных фигурных чисел. Поскольку октаэдр можно рассматривать как две квадратные пирамиды, склеенные своими основаниями (см. рисунок), октаэдральное число определяется как сумма двух последовательных квадратных пирамидальных чисел[1]:

${\displaystyle O_{n}=\Pi _{n-1}^{(4)}+\Pi _{n}^{(4)}}$

Общая формула[2] для ${\displaystyle n}$-го по порядку октаэдрального числа ${\displaystyle O_{n}}$:

${\displaystyle O_{n}={n(2n^{2}+1) \over 3}}$

Первые из октаэдральных чисел (последовательность A005900 в OEIS):

${\displaystyle 1,6,19,44,85,146,231,344,489,670\dots }$

Рекуррентная формула[1]:

${\displaystyle O_{n+1}=O_{n}+(n+1)^{2}+n;\quad O(1)=1}$

Производящая функция последовательности[1]:

${\displaystyle {\frac {x(x+1)^{2}}{(x-1)^{4}}}=\sum _{n=1}^{\infty }O_{n}x^{n}=x+6x^{2}+19x^{3}+\cdots ;\quad |x|<1}$

Связь с фигурными числами других типов

Данное выше определение связало октаэдральные числа с квадратными пирамидальными. Связь с тетраэдральными числами ${\displaystyle \mathbb {T} _{n}}$:

${\displaystyle O_{n}+4\mathbb {T} _{n-1}=\mathbb {T} _{2n-1}}$

Геометрически эта формула означает, что если наклеить по тетраэдру на четыре не смежные грани октаэдра, то получится тетраэдр удвоенного размера.

Ещё один вид связи[1]:

${\displaystyle O_{n}=\mathbb {T} _{n}+2\mathbb {T} _{n-1}+\mathbb {T} _{n-2}}$

Эта формула вытекает из определения и того факта, что квадратное пирамидальное число есть сумма двух тетраэдральных. Другое её истолкование: октаэдр может быть разделён на четыре тетраэдра, каждый из которых имеет две изначально смежные грани.

Связь с тетраэдральными и кубическими числами:

${\displaystyle O_{n}+2\mathbb {T} _{n-1}=n^{3}}$

Разность двух последовательных октаэдральных чисел есть центрированное квадратное число[1]:

${\displaystyle O_{n+1}-O_{n}=C_{n+1}^{4}=(n+1)^{2}+n^{2}}$

Гипотеза Поллока

В 1850 году британский математик-любитель, член Королевского общества сэр Джонатан Фредерик Поллок. выдвинул предположение[3], что каждое натуральное число является суммой не более семи октаэдральных чисел. Гипотеза Поллока до сих пор не доказана и не опровергнута. Компьютерная проверка показала, что, скорее всего:

• 309 — самое большое число, которое требует ровно семь слагаемых;
• 11 579 — последнее число, требующее шесть слагаемых;
• 65 285 683 — последнее число, требующее пять слагаемых.

Если гипотеза Поллока верна, то доказано, что должны существовать сколь угодно большие числа, нуждающиеся в четырёх слагаемых[4][5].

Применение

В химии октаэдрические числа могут использоваться, чтобы описать числа атомов в октаэдрических кластерах (см. «магические кластеры»)[6][7].

Примечания

1. Деза Е., Деза М., 2016, с. 82—85.
2. Conway, John Horton; Guy, Richard K. (1996), The Book of Numbers, Springer-Verlag, p. 50, ISBN 978-0-387-97993-9.
3. Frederick Pollock. On the extension of the principle of Fermat's theorem on the polygonal numbers to the higher order of series whose ultimate differences are constant. With a new theorem proposed, applicable to all the orders (англ.) // Abstracts of the Papers Communicated to the Royal Society of London : journal. — 1850. — Vol. 5. — P. 922—924. — JSTOR 111069.
4. Деза Е., Деза М., 2016, с. 239.
5. Dickson, L. E. (2005), Diophantine Analysis, History of the Theory of Numbers, vol. 2, New York: Dover, pp. 22—23, Архивировано из оригинала 21 ноября 2021, Дата обращения: 17 июня 2019.
6. Teo, Boon K.; Sloane, N. J. A. (1985), "Magic numbers in polygonal and polyhedral clusters" (PDF), Inorganic Chemistry, 24 (26): 4545—4558, doi:10.1021/ic00220a025, Архивировано из оригинала (PDF) 13 марта 2012, Дата обращения: 17 июня 2019.
7. Feldheim, Daniel L.; Foss, Colby A. (2002), Metal nanoparticles: synthesis, characterization, and applications, CRC Press, p. 76, ISBN 978-0-8247-0604-3, Архивировано из оригинала 27 июня 2014, Дата обращения: 17 июня 2019.

Литература

• Деза Е., Деза М. Фигурные числа. — М.: МЦНМО, 2016. — 349 с. — ISBN 978-5-4439-2400-7.

Ссылки

• Weisstein, Eric W. Octahedral Number (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.