У теорії чиселдосконале число — натуральне число, що дорівнює сумі його додатних дільників, не враховуючи самого числа. Наприклад, 6 має дільники 1, 2, 3 (не враховуючи його самого), , тому 6 — досконале число.
Сума дільників числа, не враховуючи самого числа, називається аліквотною сумою[en], тому досконале число — це число, що дорівнює його аліквотній сумі.
Що рівносильно, що досконале число — число, яке є половиною суми всіх своїх додатних дільників, враховуючи себе.
У символьному записі: , де — функція суми дільників числа . Наприклад, 28 — досконале, оскільки .
Це стародавнє означення, воно з'явилось ще в Началах Евкліда (VII.22), де такі числа називалися досконалими, ідеальними чи повними. Евклід також довів правило утворення (IX/36), за яким є парним досконалим числом тоді, коли , і — прості числа. Такі називаються простими числами Мерсенна[en]. Через два тисячоліття Ейлер довів, що всі парні досконалі числа мають таку форму[1]. Цей результат відомий як теорема Евкліда-Ейлера[en].
Приблизно в 300-му році до н. е. Евклід показав, що, якщо — просте число, то — досконале число. Перші 3 досконалі числа були єдиними, які знала давньогрецька математика і число 8128, яке знайшов Нікомах приблизно у 100-му році н. е.[2] Нікомах стверджував без доведення, що будь-яке досконале число має вигляд , де — просте число.[3][4] Здається, він не знав, що також має бути простим числом. Також він помилково вважав, що досконалі числа по черзі закінчуються на 6 і на 8 (перші п'ять досконалих чисел закінчуються на 6, 8, 6, 8, 6 відповідно, але шосте закінчується знову на 6). Філон Олександрійський у своїй книзі першого століття «Про створення світу» згадує досконалі числа, стверджуючи, що світ був створений за 6 днів, а Місяць здійснює повний оберт по орбіті за 28 днів, тому що 6 і 28 — досконалі. До Філона приєднались Оріген[5] і Дідим Сліпець, котрі зазначають, що є лише чотири досконалі числа, менші за 10000 (коментар до книги Буття 1.14-19).[6] Св. Августин на початку п'ятого віку н. е. зазначає досконалі числа у книзі «Місто Боже» (книга XI, глава 30), повторюючи висловлювання, що Бог створив світ за 6 днів, бо 6 — найменше досконале число.
Єгипетський математик Ізмаїл ібн Фоллус (1194-1252) згадує наступні три досканалі числа (33,550,336; 8,589,869,056; 137,438,691,328) і ще декілька, які виявились хибними.[7]
Перша згадка п'ятого досконалого числа європейцями — рукопис, написаний між 1456 і 1461 роками невідомим математиком.[8] У 1588 році італійський математик П'єтро Катальді знайшов шосте (8,589,869,056) і сьоме (137,438,691,328) досконалі числа, а також довів, що кожне досконале число, отримане з правила Евкліда, закінчується на 6 чи 8.[9][10][11]
Евклід довів, що є досконалими, коли є простим (Начала, твердження IX.36).
Наприклад, перші чотири досконалі числа, отримані за допомогою цієї формули:
при :
при :
при :
при :
Прості числа вигляду , відомі як прості числа Мерсенна[en], названі на честь монаха сімнадцятого століття Марена Мерсенна, що вивчав теорію чисел і досконалі числа. Для того, щоб було простим, необхідно щоб і було простим. Але це не достатня умова; наприклад, не є простим[12]. Насправді, прості числа Мерсенна дуже рідкісні — з 2.610.944 простих чисел менших 43112609[en][13], число є простим лише для 47 з них.
Хоча Нікомах стверджував (без доведення), що всі досконалі числа мають вигляд , де — просте число (саме твердження було трохи в іншій формі), Ібн аль-Хайсам приблизно в 1000-му році н. е. припускав, що формула описує лише будь-яке парне досконале число[14].
Тільки в XVIII столітті Леонард Ейлер довів, що формула описує всі парні досконалі числа.
Таким чином існує взаємно однозначна відповідність між парними досконалими числами і простими числами Мерсенна; кожне просте число Мерсенна породжує одне парне досконале число, і навпаки. Цей результат часто називають теоремою Евкліда-Ейлера[en].
Вичерпний пошук у рамках проекту GIMPS показав, що першим 47-ми парним досконалим числам вигляду відповідають[15]
Також знайдено п'ять більших досконалих чисел, а саме при =57.885.161, 74.207.281, 77.232.917, 82.589.933 і 136.279.841, але в цих межах можуть бути й інші. Станом на жовтень 2024 року відомо 52 простих чисел Мерсенна[17] і, відповідно, 52 парних досконалих чисел (найбільше з яких — з 82.048.640 цифрами). Невідомо чи існує нескінченно багато досконалих чисел і простих чисел Мерсенна.
Крім того, що будь-яке парне досконале число має вигляд , воно ще є -им трикутним числом (і, як наслідок, є сумою цілих чисел від 1 до ), а також є -им шестикутним числом. Більш того, будь-яке парне досконале число (за винятком 6) є -им центрованим дев'ятикутним числом, а значить воно дорівнює сумі перших непарних кубів:
Парні досконалі числа (крім 6) мають вигляд
,
де кожне трикутне число , , після віднімання одиниці і ділення на дев'ять закінчується на 3 або 5; послідовність починається з , , , [18]
Це можна переформулювати наступним чином: сумування цифр будь-якого парного досконалого числа (крім 6), а потім повтор таких дій з отриманими результатами до моменту, коли залишиться одна цифра (знаходження цифрового кореня), дасть в результаті одиницю. Наприклад, цифровий корінь числа 8128 дорівнює одиниці, бо , , . Це справедливо для усіх чисел вигляду , де — непарне число.
Завдяки своїй формі кожне парне досконале число записується у двійковій системі як одиниць, а за ними нулів. Наприклад,
Невідомо чи існує хоч якесь непарне досконале число, хоча деякі результати у цьому напрямі були отримані.
У 1496 році Жак Лефевр стверджував, що правило Евкліда дає абсолютно всі досконалі числа[19], з чого слідує відсутність непарних досконалих чисел.
Ейлер стверджував, що найважчим питанням є питання існування непарних досконалих чисел[20]. Нещодавно Карл Померанс[en] представив евристичний аргумент[en], який передбачає, що дійсно непарного досконалого числа не має існувати[21].
Усі досконалі числа також є гармонічними числами Оре[en], а також існує гіпотеза, що немає непарних гармонічних чисел Оре (крім одиниці).
Будь-яке непарне досконале число має задовольняти наступним умовам:
Якщо (mod 3) або (mod 5), найменший простий дільник числа буде знаходитись в межах від до .
У загальному випадку, якщо всі мають простий дільник у скінченній множині , то найменший простий дільник числа має бути найменшим за ефективно обчислювальну константу, що залежить лише від .
У 1888 році Сильвестр стверджував: «… довгі роздуми на цю тему переконали мене, що існування будь-якого такого (непарного досконалого) числа — це вихід із величезної павутини умов, що його оточують, і є просто чудом.»[46]
Багато властивостей, доведених відносно непарних досконалих чисел, також стосуються чисел Декарта[en], а тому Пейс Нільсен припустив, що достатнє вивчення таких чисел може привести до доведення відсутності непарних досконалих чисел.[47]
Незначні результати
Усі парні досконалі числа мають дуже точну форму; непарні досконалі числа або не існують, або є дуже рідкісними. Є цілий ряд результатів щодо досконалих чисел, які насправді досить легко довести, але, втім, є вражаючими; деякі з них підходять під сильний закон малих чисел[en]Річарда Ґая:
28 — також єдине парне досконале число, яке є сумою кубів двох додатних чисел[49]
Сума чисел, обернених до дільників досконалого числа, дорівнює двійці (щоб отримати це, необхідно скористатися означенням досконалого числа і поділити обидві частини рівності на ):
Для 6 маємо: ;
Для 28 маємо: , і так далі.
Кількість дільників будь-якого досконалого числа (парного чи непарного) має бути парною, оскільки досконале число не може бути повним квадратом[50]
Парні досконалі числа не є трапецієвидними числами[en]; тобто їх не можна представити у вигляді різниці двох додатних непослідовних трикутних чисел. Існує лише три типи нетрапецієвидних чисел: парні досконалі числа, степені двійки і числа вигляду , які утворені як добуток простого числа Ферма та , що аналогічно побудові досконалих чисел з простих чисел Мерсенна.[51]
Кількість досконалих чисел менших за менша за , де — додатна константа.[52] Насправді це (використовується позначення -малого).[53]
Кожне парне досконале число закінчується на 6 чи 28 в десятковій системі і закінчується на 1 (за винятком числа 6) в системі за базою 9[54][55]. Тому цифровий корінь будь-якого парного досконалого числа (відмінного від 6) дорівнює 1.
Сума власних дільників дає різні інші види чисел.
Числа, де сума їх дільників менша за саме число, називають недостатніми, а де більша — надлишковими.
Ці терміни і саме поняття досконалих чисел прийшло до нас з грецької нумерології.
Пари чисел, які є сумами власних дільників один одного, називаються дружними, а більші цикли таких чисел називаються компанійськими[en].
Натуральне число таке, що кожне менше за нього натуральне число є сумою його різних дільників, називається практичним.
Напівдосконале число — натуральне число, яке дорівнює сумі всіх або деяких власних дільників.
Напівдосконале число, яке дорівнює сумі всіх власних дільників, є досконалим числом.
Більшість надлишкових чисел також є напівдосконалими; надлишкові числа, що не є напівдосконалими, називаються дивними[en].
↑Caldwell, Chris, «A proof that all even perfect numbers are a power of two times a Mersenne prime»
↑Dickson, L. E. (1919). History of the Theory of Numbers, Vol.~I. Washington: Carnegie Institution of Washington. p.~4.
↑«Perfect numbers». www-groups.dcs.st-and.ac.uk. Retrieved 9 May 2018
↑У «Вступі в арифметику» (глава 16) він стверджує, що є акуратний і безвідмовний метод, який описує кожне досконале число і не описує жодне інше, що здійснюється вказаним ним чином, який є еквівалентним знаходженню трикутних чисел за допомогою простих чисел Мерсенна
↑Commentary on the Gospel of John 28.1.1-4, with further references in the Sources Chrétiennes edition: vol.~385, 58-61
↑Roshdi Rashed, The Development of Arabic Mathematics: Between Arithmetic and Algebra (Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1994), pp. 328—329.
↑Bayerische Staatsbibliothek, Clm 14908. See David Eugene Smith (1925). History of Mathematics: Volume II. New York: Dover. p. 21. ISBN 0-486-20430-8.
↑Dickson, L. E. (1919). History of the Theory of Numbers, Vol. I. Washington: Carnegie Institution of Washington. p. 10
↑Pickover, C (2001). Wonders of Numbers: Adventures in Mathematics, Mind, and Meaning. Oxford: Oxford University Press. p. 360. ISBN 0-19-515799-0
↑Peterson, I (2002). Mathematical Treks: From Surreal Numbers to Magic Circles. Washington: Mathematical Association of America. p. 132. ISBN 88-8358-537-2
↑Усі дільники числа конгруентні одиниці по модулю . Наприклад, . І 23, і 89 дають остачу 1 при діленні на 22. Більш того, якщо є простим числом Софі Жермен (якщо — теж просте і конгруентне 1 або 7 за модулем 8), то буде дільником числа , що справедливо для , (послідовність A002515 з Онлайн енциклопедії послідовностей цілих чисел, OEIS)
↑«Numbers of prime ». Wolfram Alpha. Retrieved 2018-10-28
↑O'Connor, John J.;Robertson, Edmund F., «Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham», MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews
↑Dickson, L. E. (1919). History of the Theory of Numbers, Vol. I. Washington: Carnegie Institution of Washington. p. 6.
↑Архівована копія(PDF). Архів оригіналу(PDF) за 28 травня 2016. Процитовано 15 травня 2021.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
↑Oddperfect.org. Archived 2006-12-29 at the Wayback Machine
↑ абOchem, Pascal; Rao, Michaël (2012). «Odd perfect numbers are greater than 101500» (PDF). Mathematics of Computation. 81 (279): 1869—1877. doi:10.1090/S0025-5718-2012-02563-4. ISSN 0025-5718. Zbl 1263.11005
↑Kühnel, Ullrich (1950). ``Verschärfung der notwendigen Bedingungen für die Existenz von ungeraden vollkommenen Zahlen. Mathematische Zeitschrift (in German). 52: 202—211. doi:10.1007/BF02230691
↑Roberts, T (2008). «On the Form of an Odd Perfect Number» (PDF). Australian Mathematical Gazette. 35 (4): 244.
↑Chen, Yong-Gao; Tang, Cui-E (2014). «Improved upper bounds for odd multiperfect numbers». Bulletin of the Australian Mathematical Society. 89 (3): 353—359
↑Nielsen, Pace P. (2003). «An upper bound for odd perfect numbers». Integers. 3: A14–A22. Retrieved 23 March 2021
↑Zelinsky, Joshua (25 May 2018). «An improvement of an inequality of Ochem and Rao concerning odd perfect numbers». Integers. 18. arXiv:1706.07009. Bibcode:2017arXiv170607009Z. Retrieved 23 May 2018
↑Ochem, Pascal; Rao, Michaël (2014). «On the number of prime factors of an odd perfect number». Mathematics of Computation. 83 (289): 2435—2439. doi:10.1090/S0025-5718-2013-02776-7
↑Pomerance, Carl; Luca, Florian (2010). «On the radical of a perfect number». New York Journal of Mathematics. 16: 23–30. Retrieved 7 December 2018
↑Goto, T; Ohno, Y (2008). «Odd perfect numbers have a prime factor exceeding 108»(PDF). Mathematics of Computation. 77 (263): 1859—1868. Bibcode:2008MaCom..77.1859G.doi:10.1090/S0025-5718-08-02050-9. Retrieved 30 March 2011
↑Konyagin, Sergei; Acquaah, Peter (2012). «On Prime Factors of Odd Perfect Numbers». International Journal of Number Theory. 8 (6): 1537—1540. doi:10.1142/S1793042112500935
↑Zelinsky, Joshua (July 2019). «Upper bounds on the second largest prime factor of an odd perfect number». International Journal of Number Theory. 15 (6): 1183—1189. arXiv:1810.11734. doi:10.1142/S1793042119500659
↑Iannucci, DE (1999). «The second largest prime divisor of an odd perfect number exceeds ten thousand»(PDF). Mathematics of Computation. 68 (228): 1749—1760. Bibcode:1999MaCom..68.1749I. doi:10.1090/S0025-5718-99-01126-6. Retrieved 30 March 2011.
↑Iannucci, DE (2000). «The third largest prime divisor of an odd perfect number exceeds one hundred»(PDF). Mathematics of Computation. 69 (230): 867—879. Bibcode:2000MaCom..69..867I. doi:10.1090/S0025-5718-99-01127-8. Retrieved 30 March 2011.
↑Nielsen, Pace P. (2015). «Odd perfect numbers, Diophantine equations, and upper bounds»(PDF). Mathematics of Computation. 84 (295): 2549—2567. doi:10.1090/S0025-5718-2015-02941-X. Retrieved 13 August 2015.
↑Nielsen, Pace P. (2007). «Odd perfect numbers have at least nine distinct prime factors»(PDF). Mathematics of Computation. 76 (260): 2109—2126. arXiv: math/0602485. Bibcode:2007MaCom..76.2109N. doi:10.1090/S0025-5718-07-01990-4. Retrieved 30 March 2011.
↑McDaniel, Wayne L. (1970). «The non-existence of odd perfect numbers of a certain form». Archiv der Mathematik. 21 (1): 52–53. doi:10.1007/BF01220877. ISSN 1420-8938. MR 0258723
↑Fletcher, S. Adam; Nielsen, Pace P.; Ochem, Pascal (2012). «Sieve methods for odd perfect numbers»(PDF). Mathematics of Computation. 81 (279): 1753?1776. doi:10.1090/S0025-5718-2011-02576-7. ISSN 0025-5718. MR 2904601
↑Cohen, G. L. (1987). «On the largest component of an odd perfect number». Journal of the Australian Mathematical Society, Series A. 42 (2): 280—286. doi:10.1017/S1446788700028251. ISSN 1446-8107. MR 0869751
↑Kanold, Hans-Joachim (1950). «Satze uber Kreisteilungspolynome und ihre Anwendungen auf einige zahlentheoretisehe Probleme. II». Journal für die reine und angewandte Mathematik. 188 (1): 129—146. doi:10.1515/crll.1950.188.129. ISSN 1435-5345. MR 0044579
↑ абCohen, G. L.; Williams, R. J. (1985). «Extensions of some results concerning odd perfect numbers» (PDF). Fibonacci Quarterly. 23 (1): 70–76. ISSN 0015-0517. MR 0786364
↑Hagis, Peter Jr.; McDaniel, Wayne L. (1972). «A new result concerning the structure of odd perfect numbers». Proceedings of the American Mathematical Society. 32 (1): 13–15. doi:10.1090/S0002-9939-1972-0292740-5. ISSN 1088-6826. MR 0292740
↑McDaniel, Wayne L.; Hagis, Peter Jr. (1975). «Some results concerning the non-existence of odd perfect numbers of the form »(PDF). Fibonacci Quarterly. 13 (1): 25–28. ISSN 0015-0517. MR 0354538
↑Yamada, Tomohiro (2019). «A new upper bound for odd perfect numbers of a special form». Colloquium Mathematicum. 156 (1): 15–21. arXiv:1706.09341. doi:10.4064/cm7339-3-2018. ISSN 1730-6302
↑The Collected Mathematical Papers of James Joseph Sylvester p. 590, tr. from «Sur les nombres dits de Hamilton», Compte Rendu de l'Association Française (Toulouse, 1887), pp. 164—168.
↑Nadis, Steve (10 September 2020). «Mathematicians Open a New Front on an Ancient Number Problem». Quanta Magazine. Retrieved 10 September 2020.
↑Makowski, A. (1962). «Remark on perfect numbers». Elem. Math. 17 (5): 109.
↑Gallardo, Luis H. (2010). «On a remark of Makowski about perfect numbers». Elem. Math. 65: 121—126. doi:10.4171/EM/149
↑Yan, Song Y. (2012), Computational Number Theory and Modern Cryptography, John Wiley, Sons, Section 2.3, Exercise 2(6), ISBN 9781118188613.
↑Jones, Chris; Lord, Nick (1999). «Characterising non-trapezoidal numbers». The Mathematical Gazette. The Mathematical Association. 83 (497): 262—263. doi:10.2307/3619053. JSTOR 3619053
↑Hornfeck, B (1955). «Zur Dichte der Menge der vollkommenen zahlen». Arch. Math. 6 (6): 442—443. doi:10.1007/BF01901120
↑Kanold, HJ (1956). «Eine Bemerkung uber die Menge der vollkommenen zahlen». Math. Ann. 131 (4): 390—392. doi:10.1007/BF01350108
↑H. Novarese. Note sur les nombres parfaits Texeira J. VIII (1886), 11–16.
↑Dickson, L. E. (1919). History of the Theory of Numbers, Vol. I. Washington: Carnegie Institution of Washington. p. 25.
↑Redmond, Don (1996). Number Theory: An Introduction to Pure and Applied Mathematics. Chapman, Hall/CRC Pure and Applied Mathematics. 201. CRC Press. Problem 7.4.11, p. 428. ISBN 9780824796969.
Riele, H.J.J. «Perfect Numbers and Aliquot Sequences» in H.W. Lenstra and R. Tijdeman (eds.): Computational Methods in Number Theory, Vol. 154, Amsterdam, 1982, pp. 141–157.
Riesel, H. Prime Numbers and Computer Methods for Factorisation, Birkhauser, 1985.