Định Lý Euclid–Euler – Wikipedia Tiếng Việt

Bài này viết về định lý về số hoàn thiện và số nguyên tố Mersenne. Đối với định lý về sự tồn tại vô số số nguyên tố, xem Định lý Euclid.

Định lý Euclid–Euler là một định lý trong lý thuyết số liên hệ số hoàn thiện với số nguyên tố Mersenne. Định lý này phát biểu rằng một số chẵn là số hoàn thiện khi và chỉ khi nó có dạng 2p−1(2p − 1), trong đó 2p − 1 là số nguyên tố. Nó được đặt tên theo hai nhà toán học Euclid và Leonhard Euler, là hai người đã lần lượt chứng minh được phần "khi" và "chỉ khi" của định lý.

Có giả thuyết cho rằng có vô số số nguyên tố Mersenne. Mặc dù vẫn chưa rõ giả thuyết này có chính xác hay không, nhưng theo định lý Euclid–Euler, nó tương đương với giả thuyết rằng có vô số số hoàn thiện chẵn. Tuy nhiên, cũng chưa rõ có tồn tại một số hoàn thiện lẻ hay không.[1]

Phát biểu và ví dụ

[sửa | sửa mã nguồn]

Số hoàn thiện là một số tự nhiên có giá trị bằng tổng các ước thật sự của nó (ước thực sự của một số được định nghĩa là những số nhỏ hơn nó và chia hết nó, với số dư bằng không). Ví dụ, các ước thật sự của 6 là 1, 2 và 3, và ba số trên có tổng bằng 6, nên 6 là số hoàn thiện.

Số nguyên tố Mersenne là số nguyên tố có dạng Mp = 2p − 1, nhỏ hơn 1 đơn vị so với lũy thừa của 2. Để một số dạng này là số nguyên tố thì p phải là số nguyên tố, nhưng không phải mọi số nguyên tố áp vào công thức trên đều cho giá trị là số nguyên tố Mersenne. Chẳng hạn, 23 − 1 = 7 là số nguyên tố Mersenne, nhưng 211 − 1 = 2047 = 23 × 89 thì không phải.

Định lý Euclid–Euler phát biểu rằng một số tự nhiên chẵn là số hoàn thiện khi và chỉ khi nó có dạng 2p−1Mp với Mp là số nguyên tố Mersenne.[1] Số hoàn thiện 6 có được trong trường hợp p = 2 do 22−1M2 = 2 × 3 = 6, và số nguyên tố Mersenne 7 thay vào dạng nói trên cho giá trị là số hoàn thiện 28.

Lịch sử

[sửa | sửa mã nguồn]

Euclid chứng minh được 2p−1(2p − 1) là số hoàn thiện chẵn khi 2p − 1 là số nguyên tố. Đây là kết quả cuối cùng về lý thuyết số trong bộ Cơ sở của Euclid; các cuốn tiếp theo trong bộ sách này tập trung vào số vô tỉ, hình học không gian và tỷ lệ vàng. Euclid thể hiện kết quả này bằng cách phát biểu rằng nếu một cấp số nhân hữu hạn với số hạng đầu là 1 và công bội là 2 có tổng là số nguyên tố q, thì tổng này nhân cho số hạng cuối cùng t của dãy số này là một số hoàn thiện. Biểu diễn cụ thể đối với dãy số này thì tổng q của các số hạng là số nguyên tố Mersenne 2p − 1 và số hạng cuối cùng của dãy t là lũy thừa của 2, 2p−1. Euclid chứng minh qt là số hoàn thiện khi nhận thấy một cấp số nhân thứ hai, với số hạng đầu là q, công bội là 2 và có cùng số các số hạng, có tính tỷ lệ thuận với cấp số nhân ban đầu; do đó, vì tổng của dãy số ban đầu là q = 2t − 1 nên tổng của dãy số thứ hai là q(2t − 1) = 2qt − q, và tổng của cả hai dãy số cộng lại là 2qt, bằng hai lần số hoàn thiện giả thiết lúc đầu. Tuy nhiên, hai dãy số này lại không giao nhau và (do tính nguyên tố của q) vét kiệt tất cả các ước của qt, nên qt là một số có tổng các ước bằng 2qt, dẫn đến nó là số hoàn thiện.[2]

Hơn một thiên niên kỷ sau Euclid, Alhazen khoảng năm 1000 sau Công nguyên đưa ra giả thuyết rằng mọi số hoàn thiện chẵn đều có dạng 2p−1(2p − 1) với 2p − 1 là số nguyên tố, nhưng ông không thể chứng minh được giả thuyết đó.[3] Phải đến thế kỷ 18, hơn 2000 năm sau Euclid,[4] Leonhard Euler mới chứng minh được rằng công thức 2p−1(2p − 1) luôn cho giá trị là số hoàn thiện chẵn.[1][5] Như vậy, tồn tại mối liên hệ một–một giữa số hoàn thiện chẵn và số nguyên tố Mersenne; mỗi số nguyên tố Mersenne cho một số hoàn thiện chẵn tương ứng, và ngược lại. Từ sau chứng minh của Euler, nhiều nhà toán học đã xuất bản các cách chứng minh khác cho định lý Euclid–Euler như Victor-Amédée Lebesgue, Robert Daniel Carmichael, Leonard Eugene Dickson, John Knopfmacher và Wayne L. McDaniel. Đặc biệt, chứng minh của Dickson đã được nhắc đến phổ biến trong sách giáo khoa.[6]

Định lý này nằm trong danh sách web "top 100 định lý toán học", có từ năm 1999, mà về sau được Freek Wiedijk sử dụng làm kiểm chuẩn để kiểm tra độ mạnh của các trình hỗ trợ chứng minh định lý khác nhau. Tính đến năm 2021, phần chứng minh của định lý Euclid–Euler đã được định hình tại 5 trên 10 trình hỗ trợ mà Wiedijk theo dõi.[7]

Chứng minh

[sửa | sửa mã nguồn]

Chứng minh của Euler là một chứng minh ngắn[1] và dựa trên cơ sở rằng hàm tổng các ước σ là hàm nhân tính, nghĩa là nếu a và b là hai số nguyên tố cùng nhau thì σ(ab) = σ(a)σ(b). Để công thức này chính xác, tổng các ước của một số phải tính cả số hạng là chính số đó chứ không chỉ tính các ước thật sự của nó. Một số được coi là hoàn thiện khi và chỉ khi tổng các ước của nó bằng hai lần số đó.

Điều kiện đủ

[sửa | sửa mã nguồn]

Phần đầu tiên của định lý (phần đã được Euclid chứng minh) được suy ra từ tính nhân tính: mỗi số nguyên tố Mersenne tương ứng với một số hoàn thiện chẵn được tạo thành. Khi 2p − 1 là số nguyên tố thì

σ ( 2 p − 1 ( 2 p − 1 ) ) = σ ( 2 p − 1 ) σ ( 2 p − 1 ) . {\displaystyle \sigma (2^{p-1}(2^{p}-1))=\sigma (2^{p-1})\sigma (2^{p}-1).}

Các ước của 2p−1 là 1, 2, 4, 8, ..., 2p−1, tạo thành một cấp số nhân với tổng là 2p − 1. Vì 2p − 1 là số nguyên tố nên nó chỉ có hai ước là 1 và chính nó, và do đó, tổng các ước của nó là 2p.

Kết hợp lại, ta có:

σ ( 2 p − 1 ( 2 p − 1 ) ) = σ ( 2 p − 1 ) σ ( 2 p − 1 ) = ( 2 p − 1 ) ( 2 p ) = 2 ( 2 p − 1 ) ( 2 p − 1 ) . {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma (2^{p-1}(2^{p}-1))&=\sigma (2^{p-1})\sigma (2^{p}-1)\\&=(2^{p}-1)(2^{p})\\&=2(2^{p-1})(2^{p}-1).\end{aligned}}}

Do đó, 2p−1(2p − 1) là số hoàn thiện.[8][9][10]

Điều kiện cần

[sửa | sửa mã nguồn]

Ngược lại, giả sử tồn tại một số hoàn thiện chẵn được phân tích một phần dưới dạng 2kx, với x là số lẻ. Để 2kx là số hoàn thiện thì tổng các ước của nó phải bằng hai lần số đó:

2 k + 1 x = σ ( 2 k x ) = ( 2 k + 1 − 1 ) σ ( x ) . {\displaystyle 2^{k+1}x=\sigma (2^{k}x)=(2^{k+1}-1)\sigma (x).}

(∗)

Thừa số lẻ 2k+1 − 1 ở vế phải của (∗) có giá trị nhỏ nhất là 3, và nó phải là ước của x, thừa số lẻ duy nhất ở vế trái, nên y = x/(2k+1 − 1) là một ước thật sự của x. Chia cả hai vế của (∗) cho thừa số chung 2k+1 − 1 và xem xét các ước số x và y đã biết của x, ta được

2 k + 1 y = σ ( x ) = x + y + {\displaystyle 2^{k+1}y=\sigma (x)=x+y+{}} các ước số khác = 2 k + 1 y + {\displaystyle {}=2^{k+1}y+{}} các ước số khác.

Để đẳng thức trên đúng thì không thể tồn tại một ước số nào khác. Do đó, y phải bằng 1, và x phải là một số nguyên tố dạng 2k+1 − 1.[8][9][10]

Tham khảo

[sửa | sửa mã nguồn]

1. ^ a b c d Stillwell, John (2010), Mathematics and Its History, Undergraduate Texts in Mathematics, Springer, tr. 40, ISBN 978-1-4419-6052-8.
2. ^ Euclid (1956), The Thirteen Books of The Elements, Translated with introduction and commentary by Sir Thomas L. Heath, Vol. 2 (Books III–IX) (ấn bản thứ 2), Dover, tr. 421–426. Đặc biệt xem Mệnh đề IX.36.
3. ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. (tháng 11 năm 1999). “Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham”. Bộ lưu trữ lịch sử toán học MacTutor. Đại học St. Andrews. Lưu trữ bản gốc ngày 21 tháng 11 năm 2019. Truy cập ngày 25 tháng 7 năm 2021.
4. ^ Pollack, Paul; Shevelev, Vladimir (2012), “On perfect and near-perfect numbers”, Journal of Number Theory, 132 (12): 3037–3046, arXiv:1011.6160, doi:10.1016/j.jnt.2012.06.008, MR 2965207, S2CID 13607242
5. ^ Euler, Leonhard (1849), “De numeris amicibilibus” [On amicable numbers], Commentationes arithmeticae (bằng tiếng La-tinh), 2, tr. 627–636. Bài báo này được gửi lên Viện Hàn lâm Berlin vào ngày 23 tháng 2 năm 1747, và được xuất bản sau khi tác giả mất. Đặc biệt xem mục 8, tr. 88.
6. ^ Cohen, Graeme L. (tháng 3 năm 1981), “Even perfect numbers”, The Mathematical Gazette, 65 (431): 28–30, doi:10.2307/3617930, JSTOR 3617930
7. ^ Wiedijk, Freek, Formalizing 100 Theorems, Radboud University Institute for Computing and Information Sciences, truy cập ngày 25 tháng 7 năm 2021
8. ^ a b Gerstein, Larry (2012), Introduction to Mathematical Structures and Proofs, Undergraduate Texts in Mathematics, Springer, Theorem 6.94, tr. 339, ISBN 978-1-4614-4265-3.
9. ^ a b Caldwell, Chris K., “A proof that all even perfect numbers are a power of two times a Mersenne prime”, Prime Pages, truy cập ngày 25 tháng 7 năm 2021.
10. ^ a b Travaglini, Giancarlo (2014), Number Theory, Fourier Analysis and Geometric Discrepancy, London Mathematical Society Student Texts, 81, Cambridge University Press, tr. 26–27, ISBN 978-1-107-04403-6.