Проблема Уоринга
В теории чисел проблема Уоринга спрашивает, имеет ли каждое натуральное число k соответствующее положительное целое число s, такое, что каждое натуральное число является суммой не более s натуральных чисел, возведенных в степень k . Например, каждое натуральное число представляет собой сумму не более 4 квадратов, 9 кубов или 19 четвертых степеней. Задача Уоринга была предложена в 1770 году Эдвардом Уорингом , в честь которого она и названа. Его утвердительный ответ, известный как теорема Гильберта-Уоринга , был дан Гильбертом в 1909 году. [1] У задачи Уоринга есть собственная предметная классификация математики , 11P05, «Задача Уоринга и ее варианты».
Лагранжа о четырех квадратах Связь с теоремой
Задолго до того, как Уоринг сформулировал свою проблему, Диофант задался вопросом, можно ли представить каждое положительное целое число в виде суммы четырех полных квадратов, больших или равных нулю. Этот вопрос позже стал известен как гипотеза Баше, после перевода Диофанта в 1621 году Клодом Гаспаром Баше де Мезириаком , и он был решен Жозефом-Луи Лагранжем в его теореме о четырех квадратах в 1770 году, в том же году, когда Уоринг выдвинул свою гипотезу. Уоринг стремился обобщить эту проблему, пытаясь представить все положительные целые числа в виде суммы кубов, целых чисел в четвертой степени и т. д., чтобы показать, что любое положительное целое число может быть представлено как сумма других целых чисел, возведенных в определенную степень. и что всегда существовало максимальное количество целых чисел, возведенных в определенную степень, необходимое для представления всех положительных целых чисел таким образом.
Число g ( k ) [ править ]
Для каждого , позволять обозначаем минимальное число из степени натуральных чисел, необходимые для представления всех положительных целых чисел. Каждое положительное целое число само по себе является суммой одной первой степени, поэтому . Некоторые простые вычисления показывают, что для числа 7 требуется 4 квадрата, для числа 23 требуется 9 кубиков, [2] и 79 требует 19 четвертых полномочий; эти примеры показывают, что , , и . Уоринг предположил, что эти нижние границы на самом деле являются точными значениями.
Теорема Лагранжа о четырех квадратах 1770 года гласит, что каждое натуральное число представляет собой сумму не более четырех квадратов. Поскольку трех квадратов недостаточно, эта теорема устанавливает . Теорема Лагранжа о четырех квадратах была высказана в издании Баше года 1621 Диофанта «Арифметики» ; Ферма утверждал, что у него есть доказательство, но не опубликовал его. [3]
С годами были установлены различные границы с использованием все более изощренных и сложных методов доказательства. Например, Лиувилль показал, что не превосходит 53. Харди и Литтлвуд показали, что все достаточно большие числа представляют собой сумму не более 19 четвертых степеней.
Что была основана с 1909 по 1912 год Виферихом. [4] и Эй Джей Кемпнер , [5] в 1986 году Р. Баласубраманян , Ф. Дресс и Ж.-М. Дешуйе , [6] [7] в 1964 году Чэнь Цзинжунь и в 1940 году Пиллаи . [8]
Позволять и обозначают соответственно целую и дробную часть положительного действительного числа . Учитывая число , только и может использоваться для представления ; самое экономичное представление требует условия и условия . Отсюда следует, что по крайней мере так же велик, как . Это заметил Я. А. Эйлер , сын Леонарда Эйлера , примерно в 1772 году. [9] Более поздние работы Диксона , Пиллая , Рубугундея , Нивена. [10] и многие другие доказали это
Нет значения известно, за что . Малер [11] доказал, что таких может быть только конечное число. , и Кубина и Вундерлих [12] показали, что любой такой должен удовлетворить . Таким образом, предполагается, что этого никогда не происходит, т.е. для каждого положительного целого числа .
Первые несколько значений являются:
- 1, 4, 9, 19, 37, 73, 143, 279, 548, 1079, 2132, 4223, 8384, 16673, 33203, 66190, 132055, 263619, 526502, 1051899, ... (последовательность A002 804 в OEIS ) .
Число G ( k ) [ править ]
Из работы Харди и Литтлвуда , [13] соответствующая величина G ( k ) изучалась с помощью g ( k ). G ( k ) определяется как наименьшее положительное целое число s такое, что каждое достаточно большое целое число (т. е. каждое целое число, большее некоторой константы) может быть представлено как сумма не более s положительных целых чисел в степени k . Очевидно, G (1) = 1. Поскольку квадраты конгруэнтны 0, 1 или 4 (по модулю 8), ни одно целое число, соответствующее 7 (по модулю 8), не может быть представлено в виде суммы трех квадратов, а это означает, что G (2) ≥ 4 . Поскольку G ( k ) ≤ g ( k ) для всех k , это показывает, что G (2) = 4 . Давенпорт показал [14] что G (4) = 16 в 1939 году, продемонстрировав, что любое достаточно большое число, соответствующее от 1 до 14 по модулю 16, можно записать как сумму 14 четвертых степеней (Воган в 1986 году). [15] и 1989 год [16] сократил 14 биквадратов последовательно до 13 и 12). Точное значение G ( k ) неизвестно для любого другого k , но существуют границы.
Нижние оценки для G ( k ) [ править ]
Границы |
---|
1 = Г(1) = 1 |
4 = Г(2) = 4 |
4 ≤ G(3) ≤ 7 |
16 = Г(4) = 16 |
6 ≤ Г(5) ≤ 17 |
9 ≤ G(6) ≤ 24 |
8 ≤ G(7) ≤ 33 |
32 ≤ Г(8) ≤ 42 |
13 ≤ Г(9) ≤ 50 |
12 ≤ Г(10) ≤ 59 |
12 ≤ Г(11) ≤ 67 |
16 ≤ Г(12) ≤ 76 |
14 ≤ Г(13) ≤ 84 |
15 ≤ Г(14) ≤ 92 |
16 ≤ Г(15) ≤ 100 |
64 ≤ Г(16) ≤ 109 |
18 ≤ Г(17) ≤ 117 |
27 ≤ Г(18) ≤ 125 |
20 ≤ Г(19) ≤ 134 |
25 ≤ Г(20) ≤ 142 |
Число G ( k ) больше или равно
2 р +2 если к = 2 р при r ≥ 2 или k = 3 × 2 р ; п р +1 если p — простое число больше 2 и k = p р ( п - 1); ( п р +1 − 1)/2 если p — простое число больше 2 и k = p р (р - 1)/2; к + 1 для всех целых чисел k больше 1.
В отсутствие ограничений на конгруэнтность аргумент плотности предполагает, что G ( k ) должно равняться k + 1 .
Верхние оценки для G ( k ) [ править ]
G (3) не меньше 4 (поскольку кубы конгруэнтны 0, 1 или −1 по модулю 9); для чисел меньше 1,3 × 10 9 , 1 290 740 — последнее, для которого требуется 6 кубиков, а количество чисел между N и 2 N, требующих 5 кубиков, падает с увеличением N с достаточной скоростью, чтобы люди поверили, что G (3) = 4 ; [17] самое большое известное сейчас число, не являющееся суммой 4 кубов, равно 7 373 170 279 850 , [18] и там авторы приводят разумные аргументы в пользу того, что это может быть максимально возможное значение. Верхняя оценка G (3) ≤ 7 принадлежит Линнику в 1943 году. [19] (Для всех неотрицательных целых чисел требуется не более 9 кубов, а самые большие целые числа, требующие 9, 8, 7, 6 и 5 кубов, предположительно равны 239, 454, 8042, 1 290 740 и 7 373 170 279 850 соответственно.)
13 792 — это наибольшее число, требующее 17 четвертых степеней (Дешуйе, Хеннекар и Ландро показали в 2000 г. [20] что каждое число между 13 793 и 10 245 требуется не более 16, а Кавада, Вули и Дешуйе продлили [21] Результат Давенпорта 1939 года показывает, что каждое число больше 10 220 требуется не более 16). Числа вида 31·16 н всегда требуют 16 четвертых степеней.
68 578 904 422 — последнее известное число, для которого требуется 9 пятых степеней (целочисленная последовательность S001057, Тони Д. Ноу, 4 июля 2017 г.), 617 597 724 — последнее число меньше 1,3 × 10. 9 для этого требуется 10 пятых степеней, а 51 033 617 — это последнее число меньше 1,3 × 10. 9 для этого нужно 11.
Верхние оценки справа при k = 5, 6, ..., 20 принадлежат Воану и Вули . [22]
Используя свой усовершенствованный метод Харди-Литтлвуда , И. М. Виноградов опубликовал многочисленные уточнения, приведшие к
в 1947 году [23] и, в конечном счете,
для неуказанной постоянной C и достаточно большого k в 1959 году. [24]
Применяя свою p -адическую форму метода Харди–Литлвуда–Рамануджана–Виноградова для оценки тригонометрических сумм, в которых суммирование ведется по числам с малыми простыми делителями, Анатолий Алексеевич Карацуба получил [25] (1985) новая оценка Харди функции (для ):
Дальнейшие уточнения были получены Воаном в 1989 году. [16]
что для некоторой константы C Затем Вули установил , [26]
Обзорная статья Воана и Вули 2002 года была на тот момент всеобъемлющей. [22]
См. также [ править ]
- Теорема Ферма о многоугольных числах , согласно которой каждое положительное целое число является суммой не более n n . -угольных чисел
- Проблема Уоринга – Гольдбаха , проблема представления чисел в виде суммы степеней простых чисел.
- Проблема суммы подмножества — алгоритмическая задача, которую можно использовать для нахождения кратчайшего представления данного числа в виде суммы степеней.
- Гипотезы Поллока
- Суммы трех кубов , обсуждает, какие числа являются суммой трех не обязательно положительных кубов.
- Задача о суммах четырех кубов : обсуждается, является ли каждое рациональное целое число суммой четырех кубов рациональных целых чисел.
Примечания [ править ]
- ^ Гильберт, Дэвид (1909). «Доказательство представимости целых чисел фиксированным числом n-ных степеней (проблема Уоринга)» . Математические анналы (на немецком языке). 67 (3): 281–300. дои : 10.1007/bf01450405 . МР1511530 . S2CID 179177986 .
- ^ Помните, что мы ограничиваемся натуральными числами. При использовании обычных целых чисел нетрудно записать 23 как сумму 4 кубов, например или .
- ^ Диксон, Леонард Юджин (1920). «Глава VIII». История теории чисел . Том. II: Диофантовый анализ. Институт Карнеги в Вашингтоне .
- ^ Виферих, Артур (1909). «Доказательство теоремы о том, что каждое целое число можно представить в виде суммы не более девяти положительных кубов» . Математические анналы (на немецком языке). 66 (1): 95–101. дои : 10.1007/BF01450913 . S2CID 121386035 .
- ^ Кемпнер, Обри (1912). «Замечания о проблеме Уоринга» . Математические анналы (на немецком языке). 72 (3): 387–399. дои : 10.1007/BF01456723 . S2CID 120101223 .
- ^ Баласубраманиан, Рамачандран; Дешуйе, Жан-Марк; Платье, Франсуа (1986). «Проблема Варинга для биквадратов. I. Диаграмма решения» [Проблема Варинга для биквадратов. I. Эскиз решения]. Доклады Академии наук, серия I (на французском языке). 303 (4): 85–88. МР 0853592 .
- ^ Баласубраманиан, Рамачандран; Дешуйе, Жан-Марк; Платье, Франсуа (1986). «Проблема Варинга для биквадратов. II. Вспомогательные результаты для асимптотической теоремы» [Проблема Варинга для биквадратов. II. Вспомогательные результаты для асимптотической теоремы. Доклады Академии наук, серия I (на французском языке). 303 (5): 161–163. МР 0854724 .
- ^ Пиллаи, СС (1940). «О проблеме Уоринга g (6) = 73». Учеб. Индийский акад. Наука . 12 :30–40. дои : 10.1007/BF03170721 . МР 0002993 . S2CID 185097940 .
- ^ Л. Эйлер , «Opera posthuma» (1), 203–204 (1862).
- ^ Нивен, Иван М. (1944). «Нерешенный случай проблемы Уоринга». Американский журнал математики . 66 (1). Издательство Университета Джонса Хопкинса: 137–143. дои : 10.2307/2371901 . JSTOR 2371901 . МР 0009386 .
- ^ Малер, Курт (1957). «О дробных частях степеней рационального числа II». Математика . 4 (2): 122–124. дои : 10.1112/s0025579300001170 . МР 0093509 .
- ^ Кубина, Джеффри М.; Вундерлих, Марвин К. (1990). «Расширение гипотезы Уоринга до 471 600 000». Математика. Комп. 55 (192): 815–820. Бибкод : 1990MaCom..55..815K . дои : 10.2307/2008448 . JSTOR 2008448 . МР 1035936 .
- ^ Харди, GH; Литтлвуд, Дж. Э. (1922). «Некоторые проблемы Partitio Numerorum : IV. Сингулярный ряд в проблеме Уоринга и значение числа G (k)». Mathematische Zeitschrift . 12 (1): 161–188. дои : 10.1007/BF01482074 . ISSN 0025-5874 .
- ^ Давенпорт, Х. (1939). «О проблеме Уоринга для четвертых держав». Анналы математики . 40 (4): 731–747. Бибкод : 1939АнМат..40..731Д . дои : 10.2307/1968889 . JSTOR 1968889 .
- ^ Воан, RC (1986). «О проблеме Уоринга для меньших показателей». Труды Лондонского математического общества . с3-52(3): 445–463. дои : 10.1112/plms/s3-52.3.445 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Воган, RC (1989). «Новый итерационный метод в задаче Уоринга». Акта Математика . 162 (0): 1–71. дои : 10.1007/BF02392834 . ISSN 0001-5962 .
- ^ Натансон (1996 , стр. 71).
- ^ Дешуйе, Жан-Марк; Хеннекар, Франсуа; Ландро, Бернар; И. Густи Путу Пурнаба, Приложение (2000). «7373170279850» . Математика вычислений . 69 (229): 421–439. дои : 10.1090/S0025-5718-99-01116-3 .
- ^ У. В. Линник. «О представлении больших чисел в виде суммы семи кубов». Мат. Сб. Н.С. 12(54), 218–224 (1943).
- ^ Дешуйе, Жан-Марк; Хеннекар, Франсуа; Ландро, Бернар (2000). «Проблема Уоринга для шестнадцати биквадратов – численные результаты» . Бордоский журнал теории чисел . 12 (2): 411–422. дои : 10.5802/jtnb.287 .
- ^ Дешуйе, Жан-Марк; Кавада, Коичи; Вули, Тревор Д. (2005). «О суммах шестнадцати биквадратов». Мемуары Французского математического общества . 1 :1–120. дои : 10.24033/msmf.413 . ISSN 0249-633X .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Воган, RC; Вули, Тревор (2002). «Проблема Уоринга: обзор». В Беннете, Майкл А.; Берндт, Брюс К.; Бостон, Найджел; Даймонд, Гарольд Г.; Хильдебранд, Адольф Дж.; Филипп, Уолтер (ред.). Теория чисел для тысячелетия . Том. III. Натик, Массачусетс: АК Питерс. стр. 301–340. ISBN 978-1-56881-152-9 . МР 1956283 .
- ^ Виноградов, Иван Матвеевич (1 сентября 2004 г.) [1947]. Метод тригонометрических сумм в теории чисел . Перевод Рота, К.Ф.; Давенпорт, Энн. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-43878-8 .
- ^ И. М. Виноградов, "О верхней оценке $G(n)$", Изв. АН СССР сер. мат., 23:5 (1959), 637–642" . Math-Net.Ru (на русском языке) . Проверено 18 апреля 2024 г.
- ^ Карацуба, А.А. (1985). «О функции G ( n ) в задаче Варинга». Изв. Акад. Наук СССР, сер. Математика . 27 (49:5): 935–947. Бибкод : 1986ИзМат..27..239К . дои : 10.1070/IM1986v027n02ABEH001176 .
- ^ Воан, RC (1997). Метод Харди-Литтлвуда . Кембриджские трактаты по математике. Том. 125 (2-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-57347-5 . Збл 0868.11046 .
Ссылки [ править ]
- Г. И. Архипов, В. Н. Чубариков, А. А. Карацуба , "Тригонометрические суммы в теории чисел и анализе". Берлин – Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер, (2004).
- Г.И. Архипов, А.А. Карацуба, В.Н. Чубариков, "Теория кратных тригонометрических сумм". Москва: Наука, (1987).
- Ю. Линник В. , "Элементарное решение задачи Варинга методом Шнирельмана". Мат. Сб., Н. Сер. 12 (54), 225–230 (1943).
- Р. К. Воган , «Новый итерационный метод в задаче Уоринга». Acta Mathematica (162), 1–71 (1989).
- И. М. Виноградов , "Метод тригонометрических сумм в теории чисел". Трав. Инст. Математика. Стеклофф (23), 109 стр. (1947).
- I. M. Vinogradov, "On an upper bound for G ( n )". Izv. Akad. Nauk SSSR Ser. Mat. (23), 637–642 (1959).
- И. М. Виноградов, А. А. Карацуба, "Метод тригонометрических сумм в теории чисел", Тр. Стеклова. Математика. , 168, 3–30 (1986); перевод из Труды Мат. Инст. Стеклова, 168, 4–30 (1984).
- Эллисон, WJ (1971). «Проблема Уоринга» . Американский математический ежемесячник . 78 (1): 10–36. дои : 10.2307/2317482 . JSTOR 2317482 . Обзор содержит точную формулу для G ( k ), упрощенную версию доказательства Гильберта и множество ссылок.
- Хинчин, А.Я. (1998). Три жемчужины теории чисел . Минеола, Нью-Йорк: Дувр. ISBN 978-0-486-40026-6 . Имеет элементарное доказательство существования G ( k ) с использованием плотности Шнирельмана .
- Натансон, Мелвин Б. (1996). Аддитивная теория чисел: классические основы . Тексты для аспирантов по математике . Том. 164. Шпрингер-Верлаг . ISBN 0-387-94656-Х . Збл 0859.11002 . Имеет доказательства теоремы Лагранжа, теоремы о многоугольных числах , доказательства Гильберта гипотезы Уоринга и доказательства Харди-Литтлвуда асимптотической формулы для числа способов представить N как сумму s k -х степеней.
- Ганс Радемахер и Отто Теплиц , «Удовольствие от математики» (1933) ( ISBN 0-691-02351-4 ). Имеет доказательство теоремы Лагранжа, доступное для школьников.
Внешние ссылки [ править ]

- «Проблема Варинга» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]