В математике сумм степеней открытой проблемой является характеристика чисел, которые могут быть выражены как сумма трех кубов целых чисел, допускающая как положительные, так и отрицательные кубы в сумме. Необходимым условием для того, чтобы целое число равнялось такой сумме, является то, что оно не может быть равно 4 или 5 по модулю 9, потому что кубы по модулю 9 равны 0, 1 и −1, и никакие три из этих чисел не могут быть в сумме равны 4 или 5 по модулю 9. [1] Неизвестно, является ли это необходимое условие достаточным.
Вариации задачи включают суммы неотрицательных кубов и суммы рациональных кубов. Все целые числа имеют представление в виде суммы рациональных кубов, но неизвестно, образуют ли суммы неотрицательных кубов множество с ненулевой натуральной плотностью .
Небольшие случаи
Нетривиальное представление 0 в виде суммы трех кубов дало бы контрпример к Великой теореме Ферма для показателя три, так как один из трех кубов имел бы противоположный знак, как и два других, и его отрицание равнялось бы сумме двух других. Следовательно, согласно доказательству Леонарда Эйлера этого случая Великой теоремы Ферма [2] , существуют только тривиальные решения
Для представлений 1 и 2 существуют бесконечные семейства решений
(открыт [3] К. Малером в 1936 году)
и
(открыт [4] А.С. Веребрусовым в 1908 г., цитируется Л.Дж. Морделлом [5] ).
Их можно масштабировать, чтобы получить представления для любого куба или любого числа, которое является двойным кубом. [5] Существуют также другие известные представления числа 2, которые не даются этими бесконечными семействами: [6]
Однако 1 и 2 являются единственными числами с представлениями, которые могут быть параметризованы четвертыми полиномами , как указано выше. [5]
Даже в случае представлений 3 Луис Дж. Морделл написал в 1953 году: «Я не знаю ничего» больше, чем его малые решения
и тот факт, что каждое из трех кубических чисел должно быть равно по модулю 9. [7] [8]
Результаты вычислений
Начиная с 1955 года, и начиная с инициативы Морделла, многие авторы реализовали вычислительный поиск для этих представлений. [9] [10] [6] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]
Элзенханс и Джанель (2009) использовали метод Ноама Элкиса (2000), включающий редукцию решетки , для поиска всех решений диофантова уравнения.
для положительных не более 1000 и для , [16] оставляя только 33, 42, 74, 114, 165, 390, 579, 627, 633, 732, 795, 906, 921 и 975 как открытые проблемы в 2009 году для , и 192, 375 и 600 остаются без примитивных решений (т.е. ). После того, как Тимоти Браунинг осветил проблему на Numberphile в 2016 году, Хейсман (2016) расширил эти поиски до решения случая 74, с решением
В ходе этих поисков было обнаружено, что все числа, не равные 4 или 5 по модулю 9, имеют решение, за исключением максимум двух чисел: 33 и 42. [17]
Однако в 2019 году Эндрю Букер урегулировал дело, обнаружив, что
Чтобы добиться этого, Букер использовал альтернативную стратегию поиска, в которой время выполнения было пропорционально, а не их максимуму, [18] подход, первоначально предложенный Хит-Брауном и др. [19] Он также обнаружил, что
и установили, что не существует решений для или любых других нерешенных с .
Вскоре после этого, в сентябре 2019 года, Букер и Эндрю Сазерленд наконец урегулировали дело, используя 1,3 миллиона часов вычислений в глобальной сети Charity Engine, чтобы обнаружить, что
а также решения для нескольких других ранее неизвестных случаев, включая и для . [20]
Букер и Сазерленд также нашли третье представление числа 3, используя еще 4 миллиона часов работы компьютера на Charity Engine:
[20] [21]
Это открытие решило 65-летний вопрос Луиса Дж. Морделла , который стимулировал многие исследования этой проблемы. [7]
Представляя третье представление числа 3 во время своего появления в видео на канале Youtube Numberphile , Букер также представил представление числа 906:
[22]
Единственными оставшимися нерешенными случаями до 1000 являются семь чисел 114, 390, 627, 633, 732, 921 и 975, и нет известных примитивных решений (т. е. ) для 192, 375 и 600. [20] [23]
Популярный интерес
Задача о сумме трёх кубов была популяризирована в последние годы Брэди Хараном , создателем канала YouTube Numberphile , начиная с видео 2015 года «The Uncracked Problem with 33», в котором было представлено интервью с Тимоти Браунингом . [24] За этим последовало шесть месяцев спустя видео «74 is Cracked» с Браунингом, в котором обсуждалось открытие Хейсманом в 2016 году решения для 74. [25] В 2019 году Numberphile опубликовал три связанных видео: «42 is the new 33», «The mystery of 42 is solved» и «3 as the sum of 3 cubes», в ознаменование открытия решений для 33, 42 и нового решения для 3. [26] [27] [22]
Решение Букера для числа 33 было представлено в статьях, опубликованных в Quanta Magazine [28] и New Scientist [29] , а также в статье в Newsweek , в которой было объявлено о сотрудничестве Букера с Сазерлендом: «...математик теперь работает с Эндрю Сазерлендом из Массачусетского технологического института, пытаясь найти решение для последнего нерешённого числа меньше сотни: 42». [30] Число 42 имеет дополнительный общественный интерес из-за его появления в научно-фантастическом романе Дугласа Адамса 1979 года «Автостопом по Галактике» в качестве ответа на Главный вопрос жизни, Вселенной и всего такого .
Разрешение вопроса Морделла Букером и Сазерлендом несколько недель спустя вызвало новый виток освещения в новостях. [21] [49] [50] [51] [52] [53] [54]
В приглашенном докладе Букера на четырнадцатом симпозиуме по алгоритмической теории чисел он обсуждает некоторые аспекты общественного интереса к этой проблеме и реакцию общественности на объявление решений для 33 и 42. [55]
Разрешимость и разрешимость
В 1992 году Роджер Хит-Браун предположил, что каждое число, не равное 4 или 5 по модулю 9, имеет бесконечно много представлений в виде сумм трех кубов. [56]
Случай этой проблемы был использован Бьорном Пуненом в качестве вводного примера в обзоре неразрешимых проблем в теории чисел , из которых десятая проблема Гильберта является самым известным примером. [57] Хотя этот конкретный случай с тех пор был решен, неизвестно, разрешимо ли представление чисел в виде сумм кубов. То есть неизвестно, может ли алгоритм для каждого ввода проверить за конечное время, имеет ли заданное число такое представление. Если гипотеза Хит-Брауна верна, проблема разрешима. В этом случае алгоритм мог бы правильно решить проблему, вычислив модуль 9, возвращая false, когда это 4 или 5, и в противном случае возвращая true. Исследование Хит-Брауна также включает в себя более точные предположения о том, насколько далеко алгоритм должен будет зайти, чтобы найти явное представление, а не просто определить, существует ли оно. [56]
Вариации
Вариант этой задачи, связанный с задачей Варинга, требует представления в виде сумм трех кубов неотрицательных целых чисел. В 19 веке Карл Густав Якоб Якоби и его коллеги составили таблицы решений этой задачи. [58] Предполагается, что представимые числа имеют положительную натуральную плотность . [59] [60] Это остается неизвестным, но Тревор Вули показал, что числа из имеют такие представления. [61] [62] [63] Плотность не превышает . [1]
Каждое целое число можно представить в виде суммы трех кубов рациональных чисел (а не в виде суммы кубов целых чисел). [64] [65]
^ ab Heath-Brown, DR ; Lioen, WM; te Riele, HJJ (1993), "О решении диофантова уравнения x 3 + y 3 + z 3 = k {\displaystyle x^{3}+y^{3}+z^{3}=k} на векторном компьютере", Mathematics of Computation , 61 (203): 235–244, Bibcode : 1993MaCom..61..235H, doi : 10.2307/2152950, JSTOR 2152950, MR 1202610
↑ Равенство по модулю 9 чисел, кубы которых в сумме дают 3, было приписано Дж. В. С. Касселсу Морделлом (1953), но его доказательство было опубликовано только в работе Касселса, Дж. В. С. Касселса (1985), «Заметка о диофантовом уравнении », Математика вычислений , 44 (169): 265–266, doi :10.2307/2007811, JSTOR 2007811, MR 0771049, S2CID 121727002.
^ Гардинер, В. Л.; Лазарус, Р. Б.; Стайн, П. Р. (1964), «Решения диофантова уравнения », Математика вычислений , 18 (87): 408–413, doi :10.2307/2003763, JSTOR 2003763, MR 0175843
^ Конн, В.; Васерштейн, Л.Н. (1994), «О суммах трех целых кубов», Наследие Радемахера в математике (Университетский парк, Пенсильвания, 1992) , Contemporary Mathematics, т. 166, Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество, стр. 285–294, doi : 10.1090/conm/166/01628, MR 1284068
^ Бремнер, Эндрю (1995), «О суммах трех кубов», Теория чисел (Галифакс, Новая Шотландия, 1994) , Труды конференции CMS, т. 15, Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество, стр. 87–91, MR 1353923
^ Кояма, Кэндзи; Цуруока, Юкио; Сэкигава, Хироси (1997), «О поиске решений диофантова уравнения », Математика вычислений , 66 (218): 841–851, doi : 10.1090/S0025-5718-97-00830-2 , MR 1401942
^ Элкис, Ноам Д. (2000), «Рациональные точки вблизи кривых и малые ненулевые через редукцию решетки», Алгоритмическая теория чисел (Лейден, 2000) , Lecture Notes in Computer Science, т. 1838, Springer, Берлин, стр. 33–63, arXiv : math/0005139 , doi :10.1007/10722028_2, ISBN978-3-540-67695-9, MR 1850598, S2CID 40620586
^ Бек, Майкл; Пайн, Эрик; Таррант, Уэйн; Ярбро Дженсен, Ким (2007), «Новые представления целых чисел в виде суммы трех кубов», Математика вычислений , 76 (259): 1683–1690, doi : 10.1090/S0025-5718-07-01947-3 , MR 2299795
^ ab Elsenhans, Andreas-Stephan; Jahnel, Jörg (2009), «Новые суммы трех кубов», Mathematics of Computation , 78 (266): 1227–1230, doi : 10.1090/S0025-5718-08-02168-6 , MR 2476583
^ ab Huisman, Sander G. (2016), Новые суммы трех кубов , arXiv : 1604.07746
^ Букер, Эндрю Р. (2019), «Решение проблемы с 33», Исследования по теории чисел , 5 (26), doi : 10.1007/s40993-019-0162-1 , hdl : 1983/b29fce73-2c20-4c07-9daf-afc04bf269b1 , MR 3983550
^ Хит-Браун, DR ; Лиоен, WM; те Риеле, HJJ (1993), «О решении диофантова уравнения x 3 + y 3 + z 3 = k {\displaystyle x^{3}+y^{3}+z^{3}=k} на векторном компьютере», Математика вычислений , 61 (203): 235–244, Bibcode : 1993MaCom..61..235H, doi : 10.2307/2152950, JSTOR 2152950, MR 1202610
^ abc Букер, Эндрю Р.; Сазерленд, Эндрю В. (2021), «К вопросу о Морделле», Труды Национальной академии наук , 118 (11), arXiv : 2007.01209 , doi : 10.1073/pnas.2022377118 , PMC 7980389 , PMID 33692126
^ ab Lu, Donna (18 сентября 2019 г.), «Математики нашли совершенно новый способ записи числа 3», New Scientist
^ ab Haran, Brady (24 сентября 2019 г.), 3 как сумма 3 кубов, Numberphile
^ Хьюстон, Робин (6 сентября 2019 г.), «42 — это ответ на вопрос «чему равно (-80538738812075974)3 + 804357581458175153 + 126021232973356313?»», The Aperiodical
↑ Харан, Брэди (6 ноября 2015 г.), Неразрешимая проблема с 33, Numberphile
↑ Харан, Брэди (31 мая 2016 г.), 74 взломан, Numberphile
↑ Харан, Брэди (12 марта 2019 г.), 42 — это новое 33, Numberphile
^ Харан, Брэди (6 сентября 2019 г.), Тайна числа 42 раскрыта, Numberphile
^ Павлус, Джон (10 марта 2019 г.), «Задача о сумме трех кубов решена для «упрямого» числа 33», Quanta Magazine
^ Лу, Донна (14 марта 2019 г.), «Математик решает многовековую задачу о числе 33», New Scientist
^ Георгиу, Аристос (3 апреля 2019 г.), «Неразрешимая проблема с 33: математик решает 64-летнюю «диофантову головоломку»», Newsweek
^ Сумма трех кубов для 42 наконец решена – с использованием реального планетарного компьютера, Университет Бристоля, 6 сентября 2019 г.
^ Миллер, Сэнди (10 сентября 2019 г.), «Ответ на вопрос жизни, вселенной и всего остального: исследователь-математик Дрю Сазерленд помогает решить головоломку о сумме трех кубов, которой уже несколько десятилетий, с помощью «Автостопом по Галактике».», MIT News , Массачусетский технологический институт
^ Лу, Донна (6 сентября 2019 г.), «Математики разгадали неуловимую головоломку с числом 42», New Scientist
^ Делаэ, Жан-Поль (20 сентября 2020 г.), «Для любителей математики: Автостопом по числу 42», Scientific American
^ Гроссман, Дэвид (6 сентября 2019 г.), «Спустя 65 лет суперкомпьютеры наконец решили эту неразрешимую математическую задачу», Popular Mechanics
^ Куах, Катянна (7 сентября 2019 г.), «Наконец-то! Решение 42 — Ответ на Главный Вопрос Жизни, Вселенной и Всего остального», The Register
^ "Matheproblem um die Zahl 42 geknackt", Die Zeit , 16 сентября 2019 г.
^ "Das Matheproblem um die Zahl 42 ist geknackt", Der Tagesspiegel , 16 сентября 2019 г.
↑ Кивимяки, Антти (18 сентября 2019 г.), «Matemaatikkojen vaikea laskelma tuotti vihdoin kaivatun luvun 42», Helsingin Sanomat
^ «Matheproblem um die 42 geknackt», Der Spiegel , 16 сентября 2019 г.
^ «Почему число 42 — это ответ на жизнь, вселенную и все такое», New Zealand Herald , 9 сентября 2019 г.
^ Фирак, Кабир (20 сентября 2019 г.), «Объяснение: как была решена математическая задача 65-летней давности», Indian Express
↑ Ташвер, Клаус (15 сентября 2019 г.), «Endlich: Das Rätsel um die Zahl 42 ist gelöst», Der Standard
^ "Matemáticos resuelven el enigma del número 42 planteado hace 65 años", Las Provincias , 18 сентября 2019 г.
↑ Верстад, Ларс (10 октября 2019 г.), «Супермаска для людей старше 60 лет», Nettavisen
^ "A fost rezolvată проблема ухода за le-a dat bătăi de cap matematicienilor timp de 6 decenii. A fost nevoie de 1 million de ore de procesare", Digi24 , 16 сентября 2019 г.
↑ Пол, Фернанда (12 сентября 2019 г.), «Загадка суммы трех кубиков: математические решения, окончательные после 65 лет», BBC News Mundo
^ Линклеттер, Дэйв (27 декабря 2019 г.), «10 крупнейших математических прорывов 2019 года», Popular Mechanics
^ Мандельбаум, Райан Ф. (18 сентября 2019 г.), «Математики больше не озадачены числом 3», Gizmodo
^ "42:n ongelman ratkaisijat löysivät ratkaisun myös 3:lle", Tiede , 23 сентября 2019 г.
↑ Кивимяки, Антти (22 сентября 2019 г.), «Numeron 42 ratkaisseet matemaatikot yllättivät: Löysivät myös luvulle 3 kauan odotetun ratkaisun», Helsingin Sanomat
↑ Хесус Побласьон, Альфонсо (3 октября 2019 г.), «Matemáticos encuentran una nueva forma de llegar al número 3», El Diario Vasco
↑ Хоннер, Патрик (5 ноября 2019 г.), «Почему сумма трех кубов — сложная математическая задача», Quanta Magazine
^ Д'Соуза, Дилип (28 ноября 2019 г.), «Не тратьте впустую, есть третий способ сделать кубики», LiveMint
^ Букер, Эндрю Р. (4 июля 2020 г.), 33 и все такое, Симпозиум по алгоритмической теории чисел
^ ab Heath-Brown, DR (1992), "Плотность нулей форм, для которых слабая аппроксимация невозможна", Mathematics of Computation , 59 (200): 613–623, doi : 10.1090/s0025-5718-1992-1146835-5 , JSTOR 2153078, MR 1146835
^ Диксон, Леонард Юджин (1920), История теории чисел, т. II: Диофантов анализ, Институт Карнеги в Вашингтоне, стр. 717
^ Балог, Антал; Брюдерн, Йорг (1995), «Суммы трех кубов в трех связанных трехпрогрессиях», Journal für die Reine und Angewandte Mathematik , 1995 (466): 45–85, doi : 10.1515/crll.1995.466.45, MR 1353314, S2CID 118818354
^ Deshouillers, Jean-Marc ; Hennecart, François; Landreau, Bernard (2006), "On the density of sums of three cubes", in Hess, Florian; Pauli, Sebastian; Pohst, Michael (ред.), Algorithmic Number Theory: 7th International Symposium, ANTS-VII, Berlin, Germany, July 23-28, 2006, Proceedings , Lecture Notes in Computer Science, vol. 4076, Berlin: Springer, стр. 141–155, doi :10.1007/11792086_11, ISBN978-3-540-36075-9, г-н 2282921
^ Вули, Тревор Д. (1995), «Нарушение классической выпуклости в проблеме Варинга: суммы кубов и квазидиагональное поведение» (PDF) , Inventiones Mathematicae , 122 (3): 421–451, doi :10.1007/BF01231451, hdl : 2027.42/46588 , MR 1359599
^ Вули, Тревор Д. (2000), «Суммы трех кубов», Mathematika , 47 (1–2): 53–61 (2002), doi : 10.1112/S0025579300015710, hdl : 2027.42/152941 , MR 1924487
^ Дэвенпорт, Х.; Ландау , Э. (1969), «О представлении положительных целых чисел в виде сумм трех кубов положительных рациональных чисел», Теория чисел и анализ (Доклады в честь Эдмунда Ландау) , Нью-Йорк: Пленум, стр. 49–53, MR 0262198
Внешние ссылки
Решения n = x3 + y3 + z3 для 0 ≤ n ≤ 99, Хисанори Мисима