Microsoft Word - ARTICOLO6.doc Numeri q-perfetti e q-amicabili di seconda specie e altre generalizzazioni dei numeri perfetti di seconda specie Eugeni Franco Università degli studi di Teramo Ippoliti Gianluca Dottorando dell'Università degli studi di Teramo Nel presente lavoro si affronta, tra le curiosità matematiche, il problema dei numeri perfetti di seconda specie, riprendendo anche un lavoro del 1979 di Franco Eugeni e Bruno Rizzi, utilizzato come preambolo e spunto per le problematiche lasciate aperte su tali concetti, e le loro generalizzazioni tra le quali quella dei numeri q-perfetti di 2a specie. Il presente file si compone infatti di: 1. Su alcune generalizzazioni dei numeri perfetti, tratto dal periodico di matematiche serie V Volume 56 del 1980 riguardanti i numeri 1-perfetti di 2a specie e alcune problematiche dei numeri q-perfetti di 2a specie. Il testo è corredato di note scritte in questa occasione. 2. Un lavoro che appare qui per la prima volta in cui è trattato, per quanto sia possibile, il caso q > 1 per la suddetta generalizzazione dei numeri perfetti di 2a specie e una diversa generalizzazione dei numeri perfetti di 2a specie insieme a risultati sul problema delle coppie di numeri amicabili di seconda specie, per entrambe le generalizzazioni. Introduzione. Il problema dei numeri perfetti ha origini antiche, essendo dovuto ad Euclide (IV secolo a. C.). Egli definì numeri perfetti quei naturali la cui somma dei divisori inferiori eguaglia il numero stesso. Definita la funzione σ come σ(n) = ∑ nd d | è chiaro che il problema si può esprimere nei seguenti termini: n è perfetto se e solo se σ(n) – 2n = 0. Euclide stesso, posto il problema, caratterizzò completamente i numeri perfetti pari, mentre ancora oggi non è stato risolto, in maniera generale, quello dei perfetti dispari. In particolare non si conosce nessun numero perfetto dispari e né se ne esistano. La cosa però veramente interessante è che intorno al problema dei numeri perfetti siano nati, nel corso dei secoli, altri concetti, generalizzazioni e problemi che riguardano tali generalizzazioni, problemi, alcuni di essi tuttora irrisolti, che hanno affascinato schiere di matematici professionisti e dilettanti, uomini di cultura, studiosi e un vero e proprio popolo di curiosi. In questo lavoro ci occupiamo, appunto, di una parte di questi problemi, con qualche risultato originale. Una di queste problematiche riguarda le coppie di numeri amicabili che sono quelle coppie di numeri naturali per le quali la somma dei divisori inferiori dell’uno eguaglia il valore dell’altro (è facile provare che (m,n) è una coppia di numeri amicabili se e solo se σ(n) = σ(m) = m + n). Nella prima parte riportiamo anastaticamente l’articolo summenzionato, corredato, però da note a piè di pagina scritte per l’occasione, dove incontreremo una prima variazione, la più nota, sul concetto di numero perfetto (ovvero quella di numero perfetto di seconda specie) e una sua generalizzazione (ovvero quella di numero q-perfetto di seconda specie). Nella seconda parte riprendiamo alcuni concetti/problemi della prima parte e forniamo una ulteriore generalizzazione dei numeri perfetti (ovvero quella che noi abbiamo chiamato numeri perfetti di seconda specie di ordine k) e il legame tra le due diverse generalizzazioni e risolviamo completamente i problemi collegati alle definizioni generalizzate dei numeri amicabili di seconda specie. Si sono usate, qui, le stesse notazioni e simboli della prima parte tranne per quello che riguarda la funzione prodotto dei divisori di un numero naturale, per la quale nella seconda parte si è preferito usare π(n) piuttosto che p(n), e per l’insieme dei numeri primi che, sempre nella seconda parte, si è denotato con ℙ. 1. 1 1 Diamo qui una breve dimostrazione: l’identità di pellegrino è equivalente a ν(n)·f(n) = ∑ nd df | )(2 . Indicando con d1 d2,…, dν(n) i divisori di n e con di ’ il divisore “complementare” di di ovvero tale che n = di·di ’, si ha, essendo f incondizionatamente additiva, f(n) = f(di)+ f(di ’), ∀ i = 1,…, ν(n). Si ha, allora, che ∑ = )( 1 )( n i nf ν = ∑ = )( 1 n i ν f(di)+ f(di ’) cioè ν(n)·f(n) = ∑ nd df | )(2 . 2 2 Naturalmente questo significa che ∀ n ∈ ℕ1 – ℙ, esiste un’opportuna scelta della coppia (m, q) in modo che l’identità (2.5) sia vera. Precisamente se n non è un quadrato perfetto (dunque ν(n) è pari ed è comunque ν(n)·> 2 quindi 2 )(nν – 1 ∈ ℕ1): q = 2 )(nν – 1 e βi = αi ( dunque m = n); se n è un quadrato perfetto (dunque αi ∈ 2ℕ, ν(n)·è dispari ma comunque ν(n) > 2): βi = 2 iα (dunque m = n ) e q = ν(n) – 2. 3 3 Refuso si stampa: α = 2q + 1 e α1 = 1, α2 = p – 1 = q quindi 12 1 +qp , qpp 21 con p1 e p2 primi arbitrari distinti sono tutti e soli i numeri q-perfetti di 2a specie quando q + 1 è primo. 2.1 Le generalizzazioni dei numeri perfetti di seconda specie. Le generalizzazioni dei numeri perfetti di seconda specie più note sono di due tipi. la prima l’abbiamo vista nella prima parte e riguarda i numeri q-perfetti di 2a specie che qui, brevemente, richiamiamo e sulla quale puntualizziamo i risultati noti. Definizione 2.1.1. Sia q∈ ℕ1, un numero n ∈ ℕ2 è detto q-perfetto di 2a specie se il prodotto dei suoi divisori inferiori ad n eguaglia la potenza di ordine q di n stesso. È chiaro che per q = 1 si ritrovano i numeri perfetti di 2a specie che qui chiameremo, dunque, 1-perfetti di 2a specie. Utilizzando la funzione π, che associa ad un numero n il prodotto di tutti i suoi divisori: π(n) = d nd | Π , un numero n è q-perfetto di 2a specie se n d nd Π | = nq ovvero se d nd | Π = nq+1. Si ha così modo di sfruttare l'identità πκ(n) = ∏ nd kd | = 2 )( n k n ν , (2.4) della prima parte con k = 1, dove con ν(n) si è indicata la funzione numero di divisori. Sarà appena il caso di ricordare che, se 11 αp ··· rrp α è la fattorizzazione in primi di n, l'espressione per ν(n) è data da ν(n) = ( )∏ = + r i i 1 1 α , come già visto nella prima parte. È questa una delle più note funzioni aritmetiche insieme alla funzione σ, somma dei divisori, già incontrata con i numeri perfetti di 1a specie, la quale è moltiplicativa4. Ricordiamo inoltre che ν(0) non è definita, ν(1) = 15, ν(n) = 2 se e solo se n è primo, ν(n)=3 se e solo se n è il quadrato di un primo6, ν(n) ≥ 4 per tutti gli altri naturali, dove l'uguaglianza si ha solo per i numeri secondi (non quadrati) e per i cubi di un primo i quali, come abbiamo già visto nella prima parte, costituiscono tutti e soli i numeri 1-perfetti di 2a specie. Infine ricordiamo (vedi nota 4 della prima parte) che ν(n) è pari se e solo se n non è un quadrato perfetto e, quindi, 2 )( n n ν è una potenza intera di n (o della sua radice quadrata, se n è un quadrato perfetto). 4 Una funzione aritmetica f è moltiplicativa se f(m·n) = f(m)·f(n) ∀ m, n ∈ ℕ1 tali che (m, n) = 1, ovvero relativamente primi tra loro. 5 Sebbene 1 soddisfi l’uguaglianza (2.1.1), per definizione esso non è q-perfetto qualunque sia il valore di q. 6 Questi ultimi due casi contemplano tutti numeri che, in analogia con quanto accade con i numeri perfetti di prima specie, a partire dalla definizione 2.1.2 chiameremo q-mancanti di seconda specie, qualunque sia il valore di q ∈ ℕ1. A questo punto possiamo continuare dicendo che un numero n ∈ℕ2 è q-perfetto di 2a specie se e solo se (2.1.1) 2 )( n n ν = nq+1, ovvero, essendo n > 1, se e solo se 2 )(nν = q + 1 ovvero se e solo se, infine, ν(n)=2(q+1). Dunque essere q-perfetto per n ∈ℕ2 dipende solo ed esclusivamente dal numero dei suoi divisori e dalla fattorizzazione di 2(q + 1). Di seguito riportiamo una prima casistica non generale di numeri q-perfetti di seconda specie al variare di q, per i quali non riportiamo le dimostrazioni. Valori di q Valori di ν(n) Caratterizzazione dei numeri q-perfetti di 2a specie q = 0 ν(n) = 2 Numeri primi q = 1 ν(n) = 4 Numeri perfetti di 2a seconda specie, ovvero numeri secondi non quadrati oppure cubi di un primo q = 2 ν(n) = 6 n = 51p oppure n = 2 2 1 pp con p1, p2 ∈ ℙ, diversi tra loro q = 3 ν(n) = 8 n = 71p oppure n = 2 3 1 pp oppure 321 ppp con p1, p2, p3 ∈ ℙ, diversi tra loro q = 4 ν(n) = 10 n = 91p oppure n = 2 4 1 pp con p1, p2 ∈ ℙ, diversi tra loro q = 5 ν(n) = 12 n = 111p oppure n = 251 pp oppure n = 2 2 3 1 pp oppure 32 2 1 ppp con p1, p2, p3 ∈ ℙ, diversi tra loro E se estendessimo la definizione di numeri q-perfetti a valori di q non interi? In questo caso si seguiterebbero ad avere numeri q-perfetti a condizione che 2q ∈ ℕ1, più precisamente q = 2 m per qualche m ∈ ℕ1 – 2ℕ1. In tal caso la condizione ν(n) = 2(q + 1) diventa ν(n) = m + 2 con m dispari e tutto dipende dalla fattorizzazione di m + 2. Possiamo dunque affermare che i valori ammissibili per q, ovvero quei valori che rendono non vuota la definizione di numeri q-perfetti di 2a specie sono quelli dell’insieme Q0 ≝ { 2 m | m ∈ ℕ0} dove si è usato l’indice 0 per distinguerlo dall’insieme Q1 ≝ { 2 m | m ∈ ℕ1} che in seguito useremo. Riportiamo, di seguito una tabella con i primi valori non interi di q, anche questa senza dimostrazioni. Valori Valori Caratterizzazione dei numeri q-perfetti di 2a specie di q di ν(n) 2 1 3 n = 21p con p1 ∈ ℙ 2 3 5 n = 41p con p1 ∈ ℙ 2 5 7 n = 61p con p1 ∈ ℙ 2 7 9 n = 81p oppure n = 2 2 2 1 pp con p1, p2 ∈ ℙ, diversi tra loro 2 9 11 n = 10 1p con p1 ∈ ℙ 2 11 13 n = 121p con p1 ∈ ℙ Consideriamo ora qualche caso generale enunciato sotto forma di teoremi: Teorema 2.1.1. I numeri della forma n = 121 +qp e n = 21 pp q ⋅ con p1, p2 ∈ ℙ, diversi tra loro, sono q-perfetti, i primi per ogni q ∈ Q0 e i secondi per ogni q ∈ ℕ0. Dimostrazione Sia n = 121 +qp per qualche primo p1 ∈ ℙ, per qualche q ∈ Q0, allora (2q + 1) ∈ ℕ1 e n ∈ℕ2 e si ha, per la nota identità che esprime ν(n) come = ( )∏ = + r i i 1 1 α , essendo 1 1 αp ··· rrp α la fattorizzazione in primi di n, ν(n) = 1 + 2q + 1 = 2(q + 1), dunque n è q-perfetto di 2a specie. Sia n = qp1 p2 per qualche coppia di primi distinti p1, p2 ∈ ℙ, per qualche q ∈ ℕ0, allora, sempre per l’identità summenzionata, si ha ν(n) = (1 + 1)(1 + q) = 2(q + 1) ovvero n è q-perfetto di 2a specie. Teorema 2.1.2. Sia r ∈ℕ1.e sia q = 2r – 1 − 1. I numeri q-perfetti sono tutti e soli quei numeri n del tipo n = 121 1 −rp ·…· 12 − kr kp con k, r1, …, rk ∈ ℕ1 tali che ∑ = k i ir 1 = r e p1, …, pk ∈ ℙ diversi tra loro. Sia q = 2r – 1 − 1 per qualche r ∈ℕ1. n è q-perfetto di 2a specie se e solo se ν(n) = 2r. Un sistema completo di divisori di 2r è del tipo 12r ,…, kr2 , per qualche r1, …, rk ∈ℕ1 tali che ∑ = k i ir 1 = r per qualche k ∈ ℕ1 tale che k ≤ r = Ω(n). Dunque n è q- perfetto di 2a specie se e solo se ∃ k ∈ ℕ1 con k ≤ r tale che n = 121 1 −rp ·…· 12 − kr kp con r1, …, rk ∈ ℕ1 tali che ∑ = k i ir 1 = r e p1, …, pk ∈ ℙ diversi tra loro. Al concetto di numeri q-perfetti di 2a specie è collegato, come accade con i numeri perfetti (numeri perfetti di 1a specie), quello dei numeri q-abbondanti e q- mancanti di 2a specie, per i quali forniamo la seguente: Definizione 2.1.2. Sia n ∈ ℕ2. n è q-mancante (q-abbondante) di 2a specie se ∏ ≠nd nd d | < nq ( ∏ ≠nd nd d | > nq). Naturalmente, come accade per i numeri perfetti di 1a specie, anche qui l’insieme dei numeri q-perfetti, q-mancanti e q-abbondanti costituisce una partizione di ℕ2. Tale definizione ci conduce, inoltre, alla dimostrazione di due lemmi, a noi non noti in letteratura, che risulteranno utili in seguito. Lemma 2.1.1. Sia n q-perfetto di 2a specie o q-mancante di 2a specie allora ogni sottomultiplo proprio di n è q-mancante. Sia n = ∏ = r i i ip 1 α , se n è q-perfetto o q-mancante allora ν(n) ≤ 2·(q + 1) ma ν(n) = ( )∏ = + r i iα 1 1 . Sia m un sottomultiplo proprio di n, allora m = ∏ = r i i ip 1 β con 0 ≤ βi ≤ αi ∀ i = 1,…,r e, inoltre, esiste almeno un indice k ≤ r tale che βk < αk. Dunque ν(m) = ( )∏ = + r i i 1 1 β < ( )∏ = + r i i 1 1 α = ν(n) ≤ 2·(q + 1) essendo (1+ βi) ≤ (1+ αi) e (1+ βk) < (1+ αk) ovvero m è q-mancante di 2a specie. C.V.D. Lemma 2.1.2. (duale). Sia n q-perfetto o q-abbondante di 2a specie allora ogni multiplo proprio di n è q-abbondante. Supponiamo che esista un numero n q-perfetto o q-abbondante con un multiplo proprio m q-perfetto o q-mancante allora tale multiplo m avrebbe n come sottomultiplo proprio ma n è q-perfetto di 2a specie o q-abbondante di 2a specie e ciò è assurdo per il lemma precedente. C.V.D. La seconda generalizzazione dei numeri perfetti di 2a specie è quella collegata al già citato problema di Halcke, ed è illustrata dalla seguente: Definizione 2.1.3. Sia n ∈ ℕ1, n è perfetto di 2a specie di ordine k ∈ ℕ1 se ∏ ≠ = nd nd k nd | . È immediato provare che tale definizione è equivalente a πk(n) = nk+1 dove si è utilizzata la funzione πk(n) (prodotto delle potenze k-esime di tutti i divisori di n) per la quale abbiamo già visto nella prima parte essere vera l’identità πk(n) = ( ) 2 n k n ν . Dunque, se si eccettua 1 che risulta, analogamente al caso precedente, perfetto di 2a specie di ordine k per ogni k∈ ℕ1, i numeri n perfetti di 2a specie di ordine k risultano completamente caratterizzati dalla seguente identità ( ) 2 n k ν – (k+1) = 0 cioè k = ( ) 2 2 −nν . Dunque esistono perfetti di 2a specie di ordine k ∈ ℕ1 solo per k = 1 o k = 2. Precisamente n è perfetto di 2a specie di ordine 1 se e solo se ν(n) = 4 ovvero se e solo se è 1-perfetto di 2a specie, le cui caratterizzazioni abbiamo già visto (infatti in tal caso le due diverse generalizzazioni coincidono entrambe con i numeri perfetti di 2a specie). Nell’altro caso n è perfetto di seconda specie di ordine 2 se e solo se ν(n) = 3 ovvero se e solo se è 1-perfetto di 2a specie. Ricordando che Q ≝ { 2 m | m ∈ ℕ1}, riportiamo ora un teorema che non ci risulta noto in letteratura e che rappresenta una risultato che lega tra loro le due generalizzazioni dei numeri perfetti di 2a specie e: Teorema 2.1.4. Sia K l’insieme costituito dagli inversi degli elementi dell’insieme Q. n è perfetto di 2a specie di ordine k ∈ K se e solo se n è q-perfetto di 2a specie con q = k 1 . Dimostrazione Sia n perfetto di 2a specie di ordine k allora k = ( ) 2 2 −nν ovvero ( )nν = ( ) k k+12 = 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 1 1 k = = 2(q+1) ponendo q = k 1 dunque n è q-perfetto di 2a specie con q = k 1 . Analogamente per il viceversa. C.V.D. Di conseguenza restano caratterizzati tutti i numeri di 2a specie di ordine k come i numeri k 1 -perfetti e tutti i risultati validi per i secondi si possono vedere come risultati sui primi a patto di invertire l’indice. Definizione 2.1.4. Sia n ∈ ℕ2, n è mancante (abbondante) di 2a specie di ordine k se ∏ ≠nd nd kd | < n ( ∏ ≠nd nd kd | > n). 2.2 Le generalizzazioni delle coppie di numeri amicabili di seconda specie. Consideriamo ora le generalizzazioni delle coppie di numeri amicabili di seconda specie, illustrate con le seguenti definizioni che dimostreremo essere entrambe vuote. Definizione 2.2.1. Sia q ∈ Q 7e siano m, n ∈ ℕ2 distinti. m, n sono q-amicabili di 2a specie se: ( ) ( )⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = = q q n m m m n n π π . Definizione 2.2.2. Sia k ∈ K e siano m, n ∈ ℕ2 distinti. m, n sono amicabili di 2a specie di ordine k se: ( ) ( )⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = = n m m m n n k k k k π π . Teorema 2.2.1. Non esistono q-amicabili di 2a specie per ogni q ∈ Q. Dimostrazione Sia q ∈ Q e siano m, n ∈ ℕ2 tali che ( ) ( )⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = = q q n m m m n n π π (1) o, equivalentemente 7 Non consideriamo il caso q = 0, poco significativo e che, come è facile verificare, condurrebbe a definire ogni coppia di primi distinti una coppia di numeri amicabili. ( ) ( ) ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = = − − q m q n nm mn 1 2 1 2 ν ν 8 (2) allora m ed n hanno gli stessi divisori primi. Siano dunque n = ∏ = r i i ip 1 α ed m = ∏ = r i i ip 1 β , con αi, βi ∈ℕ1, le fattorizzazioni in primi di n ed m. Le (1) sono equivalenti a (3) ( ) ( ) ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ii ii q m q n α ν β β ν α 1 2 1 2 ∀ i = 1,…,r. Dalla (1) segue, moltiplicando membro a membro le due equazioni, che ( ) ( ) 11 ++ ⋅ qq m m n n ππ = 1. Possiamo considerare due casi: primo caso: ( ) ( ) 11 1 ++ == qq m m n n ππ ovvero m ed n sono q-perfetti di 2a specie; ma dalla (2) segue che nq = mq ovvero m = n; secondo caso: ( ) 1+qn nπ < 1 e ( ) 1+qm mπ > 1 (o viceversa) ovvero n è q-mancante ed m è q-abbondante di 2a specie. In questo caso la (1) implica ⎩ ⎨ ⎧ > < + + 1 1 qq qq mmn nnm ovvero m < n; avendo m ed n hanno gli stessi fattori primi questo implica che m è un sottomultiplo proprio di n, ma, come abbiamo già dimostrato nel lemma 2.1.1 ciò implica m è q-mancante contro la posizione iniziale. C.V.D. Teorema 2.2.1. Non esistono coppie di numeri amicabili di seconda specie di ordine k per ogni k∈ℕ1. 8 Al solito si è utilizzata l’identità (2.4) della prima parte con k = 1: ( ) 2)( n n ν π ∀ n ∈ ℕ1. Dimostrazione ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = = ∏ ∏ ≠ ≠ md md k nd nd k nd md | | ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⋅= ⋅= ∏ ∏ ≠ ≠ md md kk nd nd kk mnd nmd | | m ≠ n, m,n ∈ℕ2, k∈ ℕ2. πk(n) · πk(m) = (m · n)k + 1 e p|m ⇒ p|n e viceversa. ( ) ( ) 22 m k n k mn νν ⋅ = mk+1 · nk+1 ( ) 2 1 m kk m ν −+ · ( ) 2 1 n kk n ν −+ = 1 ν(m) = k k )1(2 + = 2·(1+ k 1 ) ν(n) = k k )1(2 + = 2·(1+ k 1 ) Se k = 2 ⇒ ν(m) =3 e ν(n) =3 ⇒ m = p2 e n = p2. Bibliografia (0) Emilio Ambirsi, Numeri Amici, Mirabili e Perfetti, Periodico di matematiche, Serie VI, Volume 67, 1991. (1) P. HOFFMAN, La vendetta di Archimede, Bompiani, 1990, p. 31. (2) H. STEINHAUS, Cento problemi di matematica elementare, Boringhieri. 1987. (3) D. R. HOFSTADTER: Godel, Escher, Bach: un’Eterna Ghirlanda Brillante, Adelphi 1984, pag. 434. (4) M. GARDNER, Enigmi e Giochi Matematici, vol. 5, Sansoni, 1976, pag. 106.