Summe von drei Kubikzahlen
Welche Eigenschaft muss eine ganze Zahl haben, damit sie als Summe dreier Kubikzahlen und mit ganzzahligen Basen darstellbar ist?
Wie lauten zu einer gegebenen Zahl mögliche Zahlentripel und , so dass erfüllt ist? Wie viele Lösungen gibt es für eine gegebene Zahl ?
Die Lösungen dieser diophantischen Gleichung für gegebene ist ein seit 160 Jahren ungelöstes Problem der Zahlentheorie.[1]
Lösungen der Gleichung
BearbeitenDarstellungen für n = 0
BearbeitenDie einfachste triviale Darstellung für als Summe dreier Kubikzahlen lautet:
- .
Weitere triviale Darstellungen lauten:
- mit .
Nichttriviale Darstellungen existieren nicht.
- Beweis:
- Angenommen, es existiert eine nichttriviale Darstellung der Form mit . Genau eine oder zwei der Variablen müssen negativ sein, denn sie können nicht alle drei gleichzeitig positiv oder negativ sein. Ohne Bedingung der Allgemeinheit kann angenommen werden, dass (Im Fall von zwei negativen Variablen, betrachtet man die Lösung ). Bringt man auf die rechte Seite, erhält man mit eine ganzzahlige Lösung für die Gleichung mit . Dies steht aber im Widerspruch zum auf Kubikzahlen angewendeten Großen Fermatscher Satz, der besagt, dass die Gleichung für positive ganze Zahlen keine Lösungen besitzt. Somit muss die Annahme fallengelassen werden, was bedeutet, dass es keine nichttriviale Darstellung der Form geben kann. ∎
Darstellungen für n = 1
BearbeitenDie triviale Darstellung für als Summe dreier Kubikzahlen lautet:
- .
Neben dieser existieren aber auch weitere Darstellungen, wie z. B.:
- .
Neben diesen Einzellösungen existieren aber auch ganze Familien von Darstellungen. Die einfachste lautet:
- mit .
Zwei kompliziertere Lösungsfamilien wurden im Jahr 1936 vom Mathematiker Kurt Mahler entdeckt:[1]
- mit
wie auch folgende:[1]
- mit .
Für lieferte Lehmer unendlich viele polynomische Lösungsfamilien[2]. Neben
- ,
lassen sich für jedes einzelne unendlich viele weitere Tripel mit rekursiv mittels
- ,
- und
konstruieren.[2] Für und erhält man die einfachen Lösungen von Kurt Mahler, für die kompliziertere.
Darstellungen für n = 2
BearbeitenDie triviale Darstellung für als Summe dreier Kubikzahlen lautet:
- .
Eine im Jahr 1908 entdeckte nichttriviale Darstellungs-Familie lautet[1]
- mit .
Weitere bekannte Darstellungen, die nicht der obigen Familie angehören, sind:
Darstellungen für n = 3
BearbeitenBis September 2019 waren die einzigen bekannten Darstellungen für als Summe dreier Kubikzahlen folgende:
- und
Überraschenderweise wurde im September 2019 eine weitere Darstellung entdeckt:[3]
Man weiß nicht, ob es nur diese drei, endlich viele oder unendlich viele Darstellungen für gibt.
Darstellungen für n = 4 und 5
BearbeitenFür und gibt es keine Lösungen.
Darstellungen für n = 6
BearbeitenEs gibt mehrere Darstellungen; die für lauten:
Darstellungen für n = 7
BearbeitenEs gibt mehrere Darstellungen; die für lauten:
Konstruierbare Lösungen für n = k3m
BearbeitenLässt sich als Produkt einer Kubikzahl und einer Zahl darstellen, erbt diese Zahl alle Lösungen der Zahl auf folgende Weise:
- Beispiel
Jeweils kleinste Darstellungen für n = 0 bis 107
BearbeitenFolgende Tabelle enthält für die jeweils kleinsten Lösungen der Gleichung mit , :[4]
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Chronologie der Entdeckungen
Bearbeiten- 1954
- Miller und Woolet fanden 69 der 78 möglichen Lösungen für per Brute-Force-Suche aller Kombinationen .[1]
- Unbekannt blieben die Lösungen der neun Zahlen und .
- Die letzten 5 der 69 gefundenen Zerlegungen lauten:
- 1963
- Gardiner, Lazarus und Stein suchten weiter mit und für .[1]
- Für fanden sie folgende weitere Lösung:
- Für fanden sie 708 der 778 Lösungen.
- Die letzten 5 der 708 gefundenen Zerlegungen lauten:
- 1992
- Heath-Brown, Lioen und te Riele fanden folgende weitere Lösung:
- 1994
- Conn und Vaseršteĭn fanden folgende weitere Lösung:
- 1999
- Für waren bereits für 75 verschiedene Lösungen bekannt.
- Es kamen hinzu:
- Damit fehlten nur noch die Lösungen für und .
- Für fanden sie 751 der 778 Lösungen.[1]
- 2007
- fehlten nur noch für folgende zwischen und obige Darstellungen:[1]
- und
- 2016
- wurde das Problem für von Sander Huisman gelöst:[6]
- 2019
- wurde das Problem für vom Mathematiker Andrew Booker mittels massivem Computer-Einsatz gelöst:[10][11]
- September 2019
- wurde das Problem für die letzte verbliebene Zahl , nämlich für ebenfalls von Andrew Booker und dem Mathematiker Andrew Sutherland gelöst:[12][13]
- Da das letzte ungelöste Problem bis für diese Art von Gleichung war, wurde spaßeshalber ein Zusammenhang mit der Antwort 42 aus der mehrfach verfilmten Roman- und Hörspielreihe Per Anhalter durch die Galaxis des englischen Autors Douglas Adams hergestellt.[14]
- bis Mitte 2020
- wurden, ebenfalls von Andrew Booker und Andrew Sutherland, drei weitere Fälle gelöst:
- Eine Darstellung als Summe von drei Kubikzahlen ist somit nur noch für die folgenden acht Werte für unbekannt (Stand: 1. Juni 2020):[12]
- und
- Momentan ist also die Gleichung diejenige mit dem kleinsten natürlichen , für die noch keine ganzzahlige Lösung bekannt ist.
Eigenschaften
Bearbeiten- Sei ganzzahlig lösbar. Dann ist eine notwendige Bedingung für die folgende:
Für den Beweis benötigen wir zuerst folgenden Hilfssatz:
- Für jede Kubikzahl mit gilt:
- Beweis dieses Hilfssatzes:
- Wir testen alle neun möglichen Varianten durch:
- Somit gilt für alle , dass nur sein kann,
- womit dieser Hilfssatz bewiesen ist.
- Wir testen alle neun möglichen Varianten durch:
Beweis des Hauptsatzes:
- Nun muss bewiesen werden, dass die Summe dreier Kubikzahlen nie sein kann.
- Dazu addieren wir drei Zahlen mit jeweils der Eigenschaft
- .
- Dabei sind für erreichbar, da
- maximal drei positive Gewichte (ergibt dann ) oder
- maximal drei negative Gewichte (ergibt dann ) addiert werden können.
- Da
- nicht erfüllen, sind sie durch keine der möglichen Summen erreichbar.
- Somit ist immer , was zu zeigen war. ∎
- Es ist nicht bekannt, ob diese Eigenschaft für auch hinreichend ist (dann wäre nämlich das bis dato ungelöste Problem der Zahlentheorie, dem dieser Artikel gewidmet ist, gelöst). Es wurde jedoch von Heath-Brown vermutet, dass die diophantische Gleichung für alle unendlich viele ganzzahlige Lösungen hat.[15]
- Es gibt einige spezielle Beziehungen zwischen und , wie zum Beispiel die folgenden:[16]
- Sei ganzzahlig lösbar. Bei gegebenem gelten die folgenden Bedingungen für :
- Wenn ist, muss gelten: oder .
- Wenn ist, muss gelten: oder .
- Wenn ist, muss gelten: oder .
- Wenn ist, muss gelten: oder .
- Wenn ist, muss gelten: .
- Wenn ist, muss gelten: .
- Wenn ist, muss gelten: .
- Wenn ist, muss gelten: .
Jeweils kleinste Darstellungen für n = 0 bis 91 der OEIS entnehmen
BearbeitenIm Folgenden wird beschrieben, wie die kleinsten Lösungen für größere n den Listen Folge A060464 in OEIS ... Folge A060467 in OEIS zu entnehmen sind. Die vier Listen enthalten jeweils in gleicher Abfolge die Werte für n, x, y und z für Werte von n, für die eine Lösung existiert und bekannt ist. Es ist jeweils die Lösung mit enthalten.
Folge A060464 in OEIS enthält die :
- 0, 1, 2, 3, 6, 7, 8,
- 9, 10, 11, 12, 15, 16, 17,
- 18, 19, 20, 21, 24, 25, 26,
- 27, 28, 29, 30, 33, 34, 35,
- 36, 37, 38, 39, 42, 43, 44, …
Folge A060465 in OEIS enthält die :
- 0, 0, 0, 1, −1, 0, 0,
- 0, 1, −2, 7, −1, −511, 1,
- −1, 0, 1, −11, −2901096694, −1, 0,
- 0, 0, 1, −283059965, −2736111468807040, −1, 0,
- 1, 0, 1, 117367, 12602123297335631, 2, −5, …
Folge A060466 in OEIS enthält die :
- 0, 0, 1, 1, −1, −1, 0,
- 1, 1, −2, 10, 2, −1609, 2,
- −2, −2, −2, −14, −15550555555, −1, −1,
- 0, 1, 1, −2218888517, −8778405442862239, 2, 2,
- 2, −3, −3, 134476, 80435758145817515, 2, −7,
Folge A060467 in OEIS enthält die :
- 0, 1, 1, 1, 2, 2, 2,
- 2, 2, 3, −11, 2, 1626, 2,
- 3, 3, 3, 16, 15584139827, 3, 3,
- 3, 3, 3, 2220422932, 8866128975287528, 3, 3,
- 3, 4, 4, −159380, −80538738812075974, 3, 8, …
Beispiel für n = 24, dem 19. Eintrag
BearbeitenIn obigen vier Listen wurde jeweils der 19. Eintrag fett markiert. Die Werte lauten:
- n = 24
- x = −2901096694
- y = −15550555555
- z = 15584139827
Die kleinstmögliche Darstellung für n = 24 lautet damit:
Trivia
Bearbeiten- Für existieren immer Lösungen. Für eine gegebene Zahl und einen frei wählbaren Parameter erhält man Lösungen z. B. durch:
- Sobald eine der Basen sein darf, sind beliebige Lösungen direkt ohne Umwege konstruierbar:
- , gegeben, beliebig
Weblinks
Bearbeiten- W. Conn, L. N. Vaseršteĭn: On Sums of Three Integral Cubes. Contemporary Mathematics 166, März 1992, S. 1–11, abgerufen am 19. September 2019.
- Roger Heath-Brown, Herman te Riele, Walter M. Lioen: On solving the Diophantine equation x³+y³+z³=k on a vector computer. Mathematics of Computation 61 (203), Juli 1993, S. 235–244, abgerufen am 19. September 2019.
- Kenji Koyama: Tables of solutions of the Diophantine equation x³+y³+z³=n. Mathematics of Computation 62 (206), April 1994, S. 941–942, abgerufen am 24. September 2019.
- Eric Rowland: Koyama's table of integer solutions of n=x³+y³+z³. Abgerufen am 24. September 2019 (5417 Lösungen von n=2 bis 999, davon 521 Lösungen von n=2 bis 100).
- Erik Dofs: Solution of x³+y³+z³=nxyz. Acta Arithmetica LXXIII.3, 1995, S. 201–213, abgerufen am 19. September 2019.
- Kenji Koyama, Yukio Tsuruoka, Hiroshi Sekigawa: On searching for solutions of the diophantine equation x³+y³+z³=n. Mathematics of Computation 66 (218), April 1997, S. 841–851, abgerufen am 19. September 2019.
- Eric Rowland: Known families of integer solutions of x³+y³+z³=n. 28. Februar 2005, S. 1–6, abgerufen am 19. September 2019.
- Michael Beck, Eric Pine, Wayne Tarrant, Kin Yarbrough Jensen: New Integer Representations as the Sum of three Cubes. Mathematics of Computation 76 (259), Juli 2007, S. 1683–1690, abgerufen am 19. September 2019.
- Sander G. Huisman: Newer Sums of three Cubes. 26. April 2016, S. 1–3, abgerufen am 19. September 2019.
- Armen Avagyan, Gurgen Dallakyan: A new method in the problem of three cubes. Armenian State Pedagogical University after Khachatur Abovyan, 21. Februar 2018, S. 1–23, abgerufen am 19. September 2019.
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ a b c d e f g h Armen Avagyan, Gurgen Dallakyan: A new method in the problem of three cubes. Armenian State Pedagogical University after Khachatur Abovyan, 21. Februar 2018, S. 1–23, abgerufen am 18. September 2019.
- ↑ a b Eric S. Rowland: Known families of integer solutions of x^3+y^3+z^3=n. (psu.edu [PDF]).
- ↑ Mark McAndrew: Insanely huge Sum-Of-Three-Cubes für 3 discovered – After 66 year search. Twitter, 16. September 2018, abgerufen am 18. September 2019.
- ↑ Hisanori Mishima: Solutions of n=x³+y³+z³, 0 <= n <= 99. Abgerufen am 18. September 2019.
- ↑ Tito Piezas III: Integer solutions to the equation a³+b³+c³=30. Abgerufen am 18. September 2019.
- ↑ a b Sander G. Huisman: Newer Sums of three Cubes. 26. April 2016, S. 1–3, abgerufen am 19. September 2019.
- ↑ W. Conn, L. N. Vaseršteĭn: On Sums of Three Integral Cubes. Contemporary Mathematics 166, März 1992, S. 1–11, abgerufen am 19. September 2019.
- ↑ Eric Rowland: Koyama's table of integer solutions of n=x³+y³+z³. Abgerufen am 24. September 2019 (5417 Lösungen von n=2 bis 999, davon 521 Lösungen von n=2 bis 100).
- ↑ D. J. Bernstein: threecubes. Abgerufen am 29. September 2019 (weitere Lösungen).
- ↑ Andrew R. Booker: Cracking the problem with 33. University of Bristol, 2019, S. 1–6, abgerufen am 18. September 2019.
- ↑ Lance Fortnow, Bill Gasarch: x³ + y³ + z³ = 33 has a solution in Z. And its big! Computational Complexity.org, 28. April 2019, abgerufen am 18. September 2019.
- ↑ a b Robin Houston: 42 is the answer to the question “what is (-80538738812075974)³ + 80435758145817515³ + 12602123297335631³?” The Aperiodical, 6. September 2019, abgerufen am 18. September 2019.
- ↑ Michelle Starr: Mathematicians Solve '42' Problem With Planetary Supercomputer. science alert, 9. September 2019, abgerufen am 18. September 2019.
- ↑ Mathematiker knacken Rätsel um die Zahl 42
- ↑ D. R. Heath-Brown: The Density of Zeros of formsfor which weak Approximation fails. Band 59, Nr. 200. mathematics of computation, Oktober 1992, S. 613–623 (ams.org [PDF]).
- ↑ Kenji Koyama, Yukio Tsuruoka, Hiroshi Sekigawa: On searching for solutions of the diophantine equation x³+y³+z³=n, Property 1 und 2. Mathematics of Computation 66 (218), April 1997, S. 843–844, abgerufen am 28. September 2019.