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未解决问题,算术与数论,100年提出

奇完全数

未解决

是否存在一个等于其所有真因数之和的奇正整数 NN——等价地,是否存在满足 σ(N)=2N\sigma(N) = 2N(其中 σ(N)=∑d∣Nd\sigma(N) = \sum_{d \mid N} d 为除数和函数)的奇整数 N≥1N \ge 1?

研究前沿 截至2026年

截至2026年,人们尚未发现任何奇完全数,它是否可能存在依然悬而未决。尽管尚无不存在性的直接证明,数学家已建立起任何假想奇完全数 NN 都必须满足的严密必要条件网:由欧拉定理,N=qkm2N = q^k m^2,其中 qq 是满足 q≡k≡1(mod4)q \equiv k \equiv 1 \pmod{4} 且 gcd⁡(q,m)=1\gcd(q, m) = 1 的素数;N>101500N > 10^{1500},且计入重数的素因子总数满足 Ω(N)≥101\Omega(N) \ge 101(奥谢姆–拉奥,2012年);NN 至少有 ω(N)≥10\omega(N) \ge 10 个不同素因子,若 3∤N3 \nmid N 则 ω(N)≥15\omega(N) \ge 15(尼尔森,2015年);其最大素因子超过 10810^8(后藤–大野,2008年),第二大素因子超过 10410^4,最大素数幂分量超过 106210^{62}。然而,σ(pa)=∏d∣(a+1),d>1Φd(p)\sigma(p^a) = \prod_{d \mid (a+1), d>1} \Phi_d(p) 的分圆多项式分解同样适用于将某个素因子替换为合数拟素数的「伪奇完全数」(spoof)分解;既然笛卡尔的伪完全数 198585576189198585576189 确实存在,如果不能动用素数更深刻的整体性质,纯粹局部的整除链推理就会受阻于这一「伪完全数壁垒」。

已知最佳结果

  • 欧拉结构定理:任何奇完全数都具有形式 N=qkm2N = q^k m^2,其中 qq 为素数,gcd⁡(q,m)=1\gcd(q, m) = 1,且 q≡k≡1(mod4)q \equiv k \equiv 1 \pmod{4}(欧拉,1747年)。
  • 任何奇完全数都满足 N>101500N > 10^{1500},计入重数有 Ω(N)≥101\Omega(N) \ge 101 个素因子,且含有一个 >1062> 10^{62} 的素数幂分量(奥谢姆–拉奥,2012年)。
  • 任何奇完全数至少有 ω(N)≥10\omega(N) \ge 10 个不同素因子,若 3∤N3 \nmid N 则满足 ω(N)≥15\omega(N) \ge 15(尼尔森,2015年)。

使用的方法及其局限

方法取得的结果局限所在
分圆因式分解链与分支定界搜索(布伦特–科恩–奥谢姆–拉奥)借助分圆多项式因式分解表,将 σ(pa)=∏d∣(a+1),d>1Φd(p)\sigma(p^a) = \prod_{d \mid (a+1), d>1} \Phi_d(p) 的素因子沿方程 σ(N)=2N\sigma(N) = 2N 传递,从而排除了 10150010^{1500} 以内的所有候选者。任何有限搜索树都只能把 NN 的下界推高,并在深层分支处遇到数百位尚未分解的合数。
丰度不等式与关于 ω(N)\omega(N) 的丢番图界(西尔维斯特、尼尔森)利用不等式 ∏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} 在固定 ω(N)\omega(N) 时界定最小素因子,从而排除 ω(N)≤9\omega(N) \le 9。ω(N)\omega(N) 每增加1都会引起情形数量的组合爆炸,而且纯局部的乘法关系对确实存在的笛卡尔型「伪奇完全数」也同样成立。

尚未解决的问题

  • 能否证明不存在被 33、55 或 77 整除的奇完全数——或者更一般地,为最小素因子建立一个比 ω(N)\omega(N) 所迫使的上界增长更快的下界?
  • 是否存在某种不变量,能够充分区分真正的素因数分解与笛卡尔型伪分解,从而在 σ(N)=2N\sigma(N) = 2N 中绕过伪完全数壁垒?

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