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未解決問題、算術と数論、100年に提起

奇数の完全数

未解決

自分自身を除く正の約数の和に等しい奇数の正の整数 NN ——同値な言い換えとして、約数関数 σ(N)=∑d∣Nd\sigma(N) = \sum_{d \mid N} d に対して σ(N)=2N\sigma(N) = 2N を満たす奇数 N≥1N \ge 1 ——は存在するか。

研究の最前線 2026年時点

2026年現在、奇数の完全数は1つも見つかっておらず、存在しうるかどうかは未解決のままである。非存在の直接証明の代わりに、仮に奇数の完全数 NN が存在した場合に満たすべき膨大な必要条件の網が築かれてきた。オイラーの定理により N=qkm2N = q^k m^2 (qq は q≡k≡1(mod4)q \equiv k \equiv 1 \pmod{4} かつ gcd⁡(q,m)=1\gcd(q, m) = 1 を満たす素数)の形をとり、N>101500N > 10^{1500} かつ重複度を込めた素因数の総数は Ω(N)≥101\Omega(N) \ge 101 であり(オシェム–ラオ、2012年)、NN は少なくとも ω(N)≥10\omega(N) \ge 10 個(3∤N3 \nmid N なら ω(N)≥15\omega(N) \ge 15 個)の相異なる素因数を持つ(ニールセン、2015年)。また最大素因数は 10810^8 を超え(後藤–大野、2008年)、2番目に大きい素因数は 10410^4 を超え、最大の素数べき成分は 106210^{62} を超える。しかし、σ(pa)=∏d∣(a+1),d>1Φd(p)\sigma(p^a) = \prod_{d \mid (a+1), d>1} \Phi_d(p) の円分多項式による因数分解は、素因数を合成数の擬似素数に置き換えた「擬似(スプーフ)」分解にも同じように通用してしまい、実際にデカルトの擬似例 198585576189198585576189 が存在するため、素数のより深い大域的性質を用いない限り、純粋に局所的な整除関係の連鎖だけではスプーフの壁を越えられない。

既知の最良の結果

  • オイラーの構造定理:いかなる奇数の完全数も、素数 qq (gcd⁡(q,m)=1\gcd(q, m) = 1, q≡k≡1(mod4)q \equiv k \equiv 1 \pmod{4})を用いて N=qkm2N = q^k m^2 の形をとる(オイラー、1747年)。
  • いかなる奇数の完全数も N>101500N > 10^{1500} を満たし、重複度を込めて Ω(N)≥101\Omega(N) \ge 101 個の素因数を持ち、かつ >1062> 10^{62} となる素数べき成分を持つ(オシェム–ラオ、2012年)。
  • いかなる奇数の完全数も少なくとも ω(N)≥10\omega(N) \ge 10 個(3∤N3 \nmid N ならば ω(N)≥15\omega(N) \ge 15 個)の相異なる素因数を持つ(ニールセン、2015年)。

使われた手法と限界

手法達成したこと限界
円分因数分解の連鎖と分枝限定探索(ブレント–コーエン–オシェム–ラオ)円分多項式の因数分解表を用いて σ(pa)=∏d∣(a+1),d>1Φd(p)\sigma(p^a) = \prod_{d \mid (a+1), d>1} \Phi_d(p) の素因数を σ(N)=2N\sigma(N) = 2N に沿って伝播させ、10150010^{1500} までのすべての候補を排除する。いかなる有限の探索木も NN の下界を押し上げることしかできず、深い枝では数百桁の未分解合成数に突き当たる。
過剰度不等式と ω(N)\omega(N) に対するディオファントス評価(シルヴェスター、ニールセン)不等式 ∏i=1ω(N)σ(piai)piai=2<∏i=1ω(N)pipi−1\prod_{i=1}^{\omega(N)} \frac{\sigma(p_i^{a_i})}{p_i^{a_i}} = 2 < \prod_{i=1}^{\omega(N)} \frac{p_i}{p_i - 1} を用いて ω(N)\omega(N) を固定したときの最小素因数を上から抑え、ω(N)≤9\omega(N) \le 9 を排除する。ω(N)\omega(N) を1つ増やすごとに場合分けが組合せ論的に爆発するうえ、純粋に局所的な乗法的関係式は実際に存在するデカルト型の「擬似」奇数完全数に対しても成り立ってしまう。

未解決の問い

  • 33, 55, 77 で割り切れる奇数の完全数は存在しないことを証明できるか——あるいはより一般に、ω(N)\omega(N) から強制される上界よりも速く増大するような最小素因数の下界を確立できるか。
  • σ(N)=2N\sigma(N) = 2N におけるスプーフの壁を突破できるほど、真の素因数分解とデカルト型の擬似分解とを明確に区別する不変量は存在するか。

参考文献

  1. Leonard Eugene Dickson (1919). History of the Theory of Numbers, Volume I: Divisibility and Primality
  2. Pascal Ochem, Michaël Rao (2012). Odd perfect numbers are greater than 10150010^{1500} · DOI:10.1090/s0025-5718-2012-02563-4
  3. Pace P. Nielsen (2015). Odd perfect numbers, Diophantine equations, and upper bounds · DOI:10.1090/s0025-5718-2015-02941-x
  4. Takeshi Goto, Yasuo Ohno (2008). Odd perfect numbers have a prime factor exceeding 10810^8 · DOI:10.1090/s0025-5718-08-02050-4