數學小故事 

台北市長安國中 林倉億老師
台北市五常國中 邱靜如老師
高雄市中山高中 余酈惠老師

 上帝和月球-6 vs.28完全數

       上帝利用6天的時間創造了世界;月亮繞行地球只須28天;6和28的數字是否有無特別之處呢?古希臘人以〝完全〞來替6和28命名,因為他們認為這些數是最完美的,為什麼呢? 
        畢達哥拉斯及其門徒稱6及28為完全數(或稱為完美數),因為它們都是其真因數的和: 

6的真因數:1,2,3 其和1+2+3=6 
28的真因數:1,2,4,7,14 其和為1+2+4+7+14=28

所以,一個正整數的真因數和是本身,我們就稱它為完全數! 
        古人只知道四個完全數,分別是6、28、496和8128,因此他們做了幾個有趣的猜測: 
一、 由於前四個完全數的末位數字不是6就是8,而且還是依次出現,所以所有的完全數的末位數量都是6或8,甚至是輪流出現的! 
二、 第一個完全數6是一位數;第二個完全數28是二位數;第三個完全數496是三位數;第四個完全數8128是四位數;所以第五個完全數一定是五位數,以此類推!這些有趣的猜測結果是對還是錯呢?讓我們先來看看如何找出完全數! 
    我們將歐幾里德和尤拉發現的結果寫成下面的定理: 

設m是個偶數,則m是完全數的充要條件是存在一個質數p使得2^p-1是質數,且m=2^p(2^p-1)

這個定理告訴了我們如何去尋找這誘人的完全數,我們將2p-1這個數稱為梅聖尼數,而已知的梅聖尼質數只有30個,所以已知的偶完全數只有30個:前24個完美數是在1975年以前發現的,其中最後一個是219936(219937-1),這是在1971年發現的,而這24個中有一半是在1952年以後發現的;而第30個完全數是在1986年9月被發現的!由上我們可以看出古希臘人的第二個猜測(第五個完全數一定是五位數,以此類推!)是錯的!不過關於第一個猜測(所有的完全數的末位數量都是6或8,甚至是輪流出現的!)雖並不完全正確(因為6和8並未輪流出現),不過,他們似乎猜對了一件事,只要是偶完全數,個位數不是6就是8!為什麼呢?這是根據下面的定理: 

對於任意的正整數n,令an= 2^2n(2^(2n+1)-1),則 
若n是偶數,則an的個位數是6且十位數是奇數; 
若n是奇數,則an的個位數是8且十位數是2;

        細心的讀者一定會發現:目前已知的完全數都是偶數,那有沒有 奇完全數呢?我們知道由歐幾里德公式所得到的完全數一定是偶數,那麼,不從歐幾里德公式可以找到任何一個完全數嗎?數學家們做了許多的努力,越覺得奇完全數存在的可能性越小!在1973年,數學家海琪斯透過電腦證明出在1050以下沒有奇完全數的存在!他的證明全部有83頁,曾經由其他的數學家們予以詳細驗證,確定其過程是無誤的,所以,我們可以知道在1050以下,沒有奇完全數的存在!從1973年以來,其他的數學家依然透過電腦宣布在10200以下,沒有奇完全數的存在!(這並未經過數學家的詳細驗證!) 
        完全數如何求出?是否有無限多個?這兩個問題是數學家們在幾千年前就提出來了,然而,直到今日,這仍然沒有完整的答案,我們只能提出一部分的解答,更確切的說,我們只能說明那一種偶數是完美數,至於這種偶數是否有無限多個,及有無奇完美數的存在,這就有待後世的努力! 

吵架的獨門解藥-220 vs.284親和數

        跟好朋友吵架了,吵完後想要想要回復到以前那樣有說有笑的卻不知如何開始,教人十分苦惱!試試偉大的畢達哥拉斯的獨門解藥吧!拿出兩張薄薄的紙,一張寫上220,另一張寫上284,再揉成小丸子,兩人各吞一粒,之後就會雨過天青了! 
         你知道這獨門解藥的祕密嗎?讓我們用數學來一窺究竟吧! 
        220和284我們稱之為親和數(或稱為親和數偶、友誼數、友善數),所謂的親和數偶就是其中的每一個數的真因數(真因數就是不包括本身的所有正因數)加起來等於另一個數,以220,284為例: 

220=2^2×5×11, 
真因數:1,2,4,5,10,11,20,22,44,55,110,其和為284 
284=2^2×71 
真因數:1,2,4,71,142,其和為220

如此〝你中有我,我中有你〞,難怪畢達哥拉斯會拿它們來做為治療友誼創傷的妙藥了!還有其他的親和數偶嗎? 
        其實親和數鍊也稱為交連數(sociable number),1970年,美國的Steve Root也從自然數1到六十六億中去找到好幾組交連數,其中大多都為四環親和鍊,所以數學家就推測可能有無限多組的四環親和鍊存在於自然數中,但僅止於推論,而沒有證明可以讓人信服這樣的猜測,現在大概只發現了四環親和鍊、五環親和鍊、28環親和鍊,及一組兩個數的親和數!並沒有發現三環親和鍊,那到底有沒有三環親和鍊呢?如果有,是那組數呢?如果沒有,又怎麼證明呢?這是個至今仍未解出的一大難題!