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完全数与π的趣文2006-04-16 22:15:00

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如果一个自然数等于除它自身以外的各个正因子之和,则这个数叫做完全数(Perfect numbers).
  在自然数里,到底有多少完全数呢?有人作过统计:
  6=1+2+3,
  28=1+2+4+7+14,
  496=1+2+4+8+16+31+62+124+248,
  8128=1+2+4+8+16+32+64+127+254+508+1016+2032+4064.
  看来,完全数不多,已初步看到,前八千多个正整数才4个!物以稀为贵,完全数稀罕.在1到40000000这么多数里,只有七个完全数,它们是:6,28,496,8128,130816,2096128,33550336.可见完全数是非常稀少的.
  从第四个完全数8128到第七个完全数33550336的发现经过一千多年,这是因为第七个完全数要比第四个完全数大了4100多倍.这可能是历经一千多年才艰难跨出一步的原因.用完满来形容6,28,496,…这一类数很恰当.这种数一方面表现在它稀罕、奇妙,一方面表现在它的完满,各因数的和不多不少等于它自己.完全数还有一些令人感到神奇的鲜为人知的有趣事实,π数值取小数点后面3位相加恰是第一个完全数6(=1+4+1),小数点后7位相加正好等于第2个完全数 28(= 1+4+1+5+9+2
+6).居然能有如此的联系,难道不足以令人惊讶吗?具体地说,完全数还具有以下的有趣事实:
  (1)所有已知的完全数,除6以外,其数字和均为1.也就是说,它们的数字反复相加的最终结果等于1.
  例如: 496
  4+9+6=19,1+9=10,1+0=1.
  (2)所以完全数都可以表示为2的一些连续整数次幂之和,如:
  6=21+22,
  28=22+23+24,
  496=24+25+26+27+28,
  8128=26+27+28+…+212,
  33550336=212+213+214+…+224.
  (3)除了6以外,其他完全数可表示为连续奇数的三次方之和,如:
  28=13+33,
  496=13+33+53+73,
  8128=13+33+53+…+153,
  33550336=13+33+53+…+1253+…+1273.
  如此完美的模式,难怪完全数如此的迷人,具有魅力,因此,完全数是极美的数.
  (4)迄今为止,发现的完全数都是偶数,还没有发现一个奇完全数,但也没有证明奇完全数不存在.
  (5)迄今为止,发现的完全数都具有以下的形式:
  N=2n-1(2n-1)(其中n与2n-1都是素数).
  事实上,在欧几里得《几何原本》卷九中的最后一个定理,就是关于完全数的,它陈述如下:
  “如果2n-1是一个素数,则2n-1(2n-1)是一个完全数.”
  对于n=2,我们得到完全数6.对于n=4,由于24-1不是素数,所以结果不会产生一个完全数,对完全数的探索,古往今来始终困扰着数学家.
  直到现在还没有人发现一个完全数,也没有一个人能够证明奇完全数不存在(这是数论中著名的未解决的问题之一.)人们认为欧几里得定理的逆命题(“每个完全数有2n-1(2n-1)的形式,这里2n-1是一个素数”)可能成立,但至今没有人能够证明.瑞士数学家欧拉(Leonard Euler , 1707-1783)证明了所有偶完全数都应当有这样的形式.对完全数的探索一直持续到今天.
  今天,人们借助于计算机找到了当n=521,607,1279,2203,2281,3217,7090,4253,4423时相应的完全数.此外,n=9689,9941,11213,19937时也给出了完全数.你能想像这些完全数有多大.倒如,1963年,伊利诺斯大学发现了对于n=11213时的完全数,它包含6751个数字,有22425个因子.至1998年2月,人们知道的完全数共37个.最后一个完全数相应的n=3021377.
  寻找这种数那么难,却还是有人去寻找,到现在为止也还只发现了37个.为什么去寻找呢?是因为这种数在现实生活中有什么特别的用途吗?目前确实还没有发现,是它的奇异和美丽吸引了许多的人.完全数还有着许多其他的特殊性质,这里提到的只是其中那些历经漫漫岁月而人们兴趣依旧不衰的内容,这也正是我们论述它的最充分的理由.
神奇的完全数
 
[ 作者:佚名    转贴自:成都市三原外国语学校    点击数:244      更新时间:2005-1-19    文章录入:尽收眼底 
已知自然数a和b,如果b能够整除a,就说b是a的一个因数,也称为约数。显然,任何自然数a,总有因数1和a。我们把小于a的因数叫做a的真因数。
  例如6,12,14这三个数的所有真因数:
  6: 1, 2, 3; 1 + 2 + 3 = 6
  12: 1, 2, 3, 4, 6; 1 + 2 + 3 + 4 + 6 = 16 > 12
  14: 1, 2, 7; 1 + 2 + 7 = 10 < 14
  像12这样小于它的真因数之和的叫做亏数(不足数);大于真因数之和的(如14)叫做盈数或过剩数;恰好相等的(如6)叫做完全数,也称为完美数。
  古希腊人非常重视完全数。大约在公元100年,尼哥马修斯写了第一本专门研究数论的书《算术入门》,其中写道:“也许是这样:正如美的、卓绝的东西是罕有的,是容易计数的,而丑的、坏的东西却滋蔓不已;所以盈数和亏数非常之多,而且紊乱无章,它们的发现也毫无系统。但是完全数则易于计数,而且又顺理成章……,它们具有一致的特性;尾数都是6或8,而且永远是偶数。”
  现在数学家已发现,完全数非常稀少,至今人们只发现29个,而且都是偶完全数。前5个分别是:6,28,496,8128,33550336。   完全数有许多有趣的性质,例如:
  1. 它们都能写成连续自然数之和:
    6=1+2+3,
    28=1+2+3+4+5+6+7,
    496=1+2+3+4+……+31,
    8128=1+2+3+4+……+127;
  2. 它们的全部因数的倒数之和都是2。
    1/1+1/2+1/3+1/6=2
    1/1+1/2+1/4+1/7+1/(14)+1/(28)=2
    1/1+1/2+1/4+1/8+1/(16)+1/(31)+1/(62)+1/(124)+1/(248)+1/(496)=2

稀少而有趣的完美数
 
[ 作者:佚名    转贴自:成都市三原外国语学校    点击数:213      更新时间:2005-1-19    文章录入:尽收眼底 ]
有人发现,π的前1位小数、前3位小数、前7位小数和分别是前1个自然数、前3个自然数、前7个自然数之和。
  1=1;
  1+4+1=1+2+3=6
  1+4+1+5+9+2+6=1+2+3+4+5+6+7=28。
  这真是惊人的巧合!
  π的前6个有效数字314159是一个素数,也是一个逆素数(倒过来读951413也是一个素数)。314159的补数是796951(互为补数是指两个数的对应数位上的数字之和等于10),它也是一个素数!
  有趣的是,把前6个有效数字分成三个两位数:31、41、59,这三个数都是孪生素数中的一个(孪生素数是指相差为2的两个素数):29与31,41与43,59与61是三对孪生素数。
  深入研究,还会发现一些奇特的现象。例如,π的小数点后从13位数字开始,连续的十八个数字具有相当的对称性: 其中79,32,38是关于26对称的。
  79,32,38这三个数的所有数字之和7+9+3+2+3+8=32.32是一个很特殊的数,一系列现象可以与它联系起来:水在华氏32°结冰,水晶体分32类,人的牙齿有32颗,32个电子可充满原子的第四级轨道,基本粒子有32种长命粒子,……
  这又是惊人的巧合!
  更有趣的是,π的小数点后一百个数字:
    π=3.1415926535897932384626433832795028841971693993151058209749445923078164062862089986280348253421170679…
  有人把它谱成了曲子,演奏起来还蛮悠扬动听呢!
在日常生活中,人们经常与π打交道。自行车、汽车的轮胎是圆的,茶杯口是圆的,天上的月亮看起来也是圆的,圆的周长与直径之比是一个常数,这个常数就是π
  当代数学大师、著名的美籍华裔数学家陈省身教授感慨道:“π这个数渗透了整个数学!有的数学家甚至说:历史上一个国家所算得的圆周率的准确程度,可以作为衡量这个国家当时数学发展的一面旗帜。

  中华民族历史上对圆周率π的研究,有着卓越的成就,曾一度领先于世。

  根据历史学家的考证,早在夏代以前原始部落时期,我国就有圆形的建筑物和器皿。在中国最早的算书《周髀算经》(公元前2世纪)里,已经指出了“圆径一而周三(即π=3)。西汉末年、王莽命刘歆(公元前50-23年)制定度量的新标准,根据推算,他所用的圆周率有3.1547,3.1992,3.1498,3.2031等几个值,而没有统一的标准,但已经比径一周三更进一步了。东汉张衡(公元78-139年)认为π= =3.1623,比印度、阿拉伯数学家算出同样结果约早500年。

  三国魏景元四年(公元263年),数学家刘徽在整理《九章算术》一书时,提出了“割圆术。他从圆内接六边形算边,令边数一倍一倍地增加,逐个算出六边形、十二边形、二十四边形、四十八边形、九十六边形、一百九十二边形周长与直径的比值,得到了π的近似值为3.14。他还特别声明:此率尚微少,意思是这只是π的不足近似值。

  刘徽对π的推算,是对人类的一大贡献。后人为了纪念他,就把π=3.14这个数值叫做徽率

  到了南北朝,伟大的数学家祖冲之(公元426-500年)对π的推算,达到了空前的高峰,他算出3.1415926<π<3.1415927。

  在世界上,计算圆周率精确到小数点后七位的,祖冲之是第一人,后人称之为“祖率

  “祖率这个纪录保持了近一千年,后才被16世纪的阿尔卡西(Al——Kashi)打破。祖冲之还同时得出了π的分数形式的近似值:约率是 ,密度是 。这两个分数,是分母小于7和113的一切分数中,最接近π值的最佳分数,德国人奥托(Valentius Otto)在1573年才获得这个值。

  在现在,利用计算机已经把π的值算到了小数点后几十万位了。

  π是一个什么样的数呢?

  π是一个无限不循环的小数。也就是说,π是一个无理数。

  法国数学家勒让德(Legendre,1752-1833)曾猜测说:“π不是有理系数方程的根。后来,人们把有理系数方程的根称为代数数,不是代数数的叫做超越数。这样,所有的有理数和一部分无理数是代数数。勒让德的猜测实际上说π是一个超越数。

  在高等数学里,抽象地证明超越数的存在性,并不十分困难。但具体地证明某一个特定的数,例如π和e是超越数,在历史上是一件十分困难的事情。

  e=2.718…,也是一个无理数,常用来作为对数的底数,这种对数称为自然对数。1873年,法国数学家埃尔米特(Hermite,1822-1901)给出了e是超越数的证明,但他认为证明π的超越性更为困难。他在给友人的信中写道:我不敢试着证明π的超越性。如果其他人承担这项工作,对于他们的成功没有比我更高兴的人了。但请相信我,我亲爱的朋友,这决不会不使他们花去一些力气。1882年,英国数学家林德曼(F.Lindemann,1852-1939)证明了π是超越的,从而解决了一些几何作图问题。  圆周率π趣闻  
[ 作者:佚名    转贴自:成都市三原外国语学校    点击数:290      更新时间:2005-1-19    文章录入:尽收眼底

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