梅森数可能是素数,也可能是合数。下面我们要讨论的是梅森素数与完全数的关系。那么需要先说一说什么是完全数。
先说前几个比较小的完全数。“6”是第一个完全数,因为6除自身以外的因数1,2,3的和仍然等于6。第二个完全数是28,因为28除自身以外的其他因数之和为1+2+4+7+14=28,即等于自身。下一个完全数是496,请您自行验证。
那么,完全数的定义就是:除自身以外的其他因数之和等于自身的数称为 完全数。
人们对一个新定义的数总是要去找一找它自身的规律。人们发现:
这是前三个完全数。从这三个数可以发现什么规律呢?我们试着归纳一下,应该是下面这个规律:
(注意,用P表示完全数是因为完全数的英文是Perfect Number。) 上式中小写p分别取前三个素数2,3,5时,上式的第二个因数分别是(2^2-1),(2^3-1),(2^5-1),它们分别等于3,7,31,正好就是前三个梅森素数。那么,我们试着看一看p取素数7时情况。这时P的表达式中第二个因数为(2^7-1)=127,是第四个梅森素数。而这时的P可以通过上面公式计算出来:
我们来看一看这个8128是不是完全数。把这个数除自身以外的因数加起来:
1+2+4+8+16+32+64
+127+254+508+1016+2032+4064
=8128
所以,我们又发现了一个完全数,即8128。
梅森素数与完全数有了很紧密的联系。那么,是不是只要给定一个梅森素数,按照下面这个公式
就可以得到一个完全数呢?答案是肯定的。也就是说,上式中右侧的(2^p-1)若是梅森素数,则按上式得到的P就一定是完全数。我们下面就来证明。
上式是两个数的乘积,其中第一个数是“2^(p -1)”,另一个数是梅森素数 (2^p-1)。寻找P的不同的因数并不困难。我们来看一看具体怎么做。
设上式中的第二个数即梅森素数 (2^p-1)=q。于是, P的所有因数为:
注意,上式中最后一个因数是P本身。
我们把除自身以外的一切其他因数加起来,就相当于把一切因数加起来再减去自身。于是得到
即P除自身以外的因数相加,结果等于P。这说明P是完全数。
我们前面的证明是说,只要P的表达式中“第二个因数”(暂且把2^(p-1)当成第一个因数)是梅森素数,则P就是完全数(当然是偶完全数)。其实,现在也已经证明了,若一个数是偶完全数,则它一定可以写成下面这个形式:
其中的“第二个因数”是一个素数。而“第二个因数”是梅森数的形式,所以,第二个因数一定是梅森素数。也就是说,一个偶完全数一定可以写成一个梅森素数与2的方幂乘积的形式。或者说,梅森素数与偶完全数是一一对应的。这个公式是欧几里得发现的,多少个世纪过去了,才被后来的欧拉证明是偶完全数的唯一的公式,即任何偶完全数都具有这个形式。
上面我们只说是“偶完全数”公式。那么,是不是存在奇数的完全数呢?目前这是一个世界级的难题,可能还没有被解决。谁能解决它,谁就了不起。解决它是说,或者找到一个奇完全数,或都证明不存在奇完全数。这个难题可能很难很难!查看