Совершенные числа

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя школа №19с углубленным изучением

 отдельных предметов»

Научное общество учащихся «Умники и умницы»

Реферативная работа с элементами

самостоятельного исследования

«Совершенные числа»

Выполнила:

 ученица 7класса «А»

Каратецкая  Мария    

Руководитель:

учитель математики  

Колина Наталья Константиновна

                                                                                               Адрес ОУ:

                                     606523, Нижегородская область, Городецкий          

                                                       район, г.Заволжье, ул.Молодежная, 1

                                        МБОУ  СШ №19 с УИОП

                                                                           e-mail:  sc19zav@mail.ru

                                                             2015 г.        

                                                  Содержание                                                          стр

1.Введение……………………………………………………………………………3

2.Что такое совершенное число?……...........................…………............................4

3.История появления совершенных чисел………………………………………....4

4.Свойства совершенных чисел…………………………….……………………....8

5.Интересные факты…………………………………..……………….....................8

6.Примеры задач…………………………………………………………………….9

7.Заключение…………………………………………………………………..........11

8.Список используемой литературы………………………….…………...............12

"Всё прекрасно благодаря числу»  Пифагор.

1.Введение

Число является одним из основных понятий математики. Существует большое количество определений понятию "число". О числах первым начал рассуждать Пифагор. По его учению число 2 означало гармонию, 5 – цвет, 6 –холод, 7–разум, здоровье, 8 –любовь и дружбу. Первое научное определение числа дал Евклид в труде "Начала": "Единица есть то, в соответствии, с чем каждая из существующих вещей называется одной. Число есть множество, сложенное из единиц".

Есть множества чисел, их  подмножества, группы, и  одна  из необычных групп - это совершенные числа. В этой группе известно всего лишь 48 чисел, но не смотря на это, они образуют одно из наиболее интересных подмножеств множества натуральных чисел.

Проблема: Я люблю решать нестандартные задачки. Однажды  мне попалась задача, в которой говорилось о совершенных числах, я испытала трудности при решении, поэтому заинтересовалась этой темой и   решила подробнее изучить эти числа.

Цель исследования: познакомиться с понятием совершенного числа, исследовать свойства совершенных чисел, привлечь внимание учащихся к данной теме.

Задачи:

-Изучить и проанализировать литературу по теме исследования.

-Изучить историю появления  совершенных чисел.

-«Открыть» свойства совершенных чисел и области их применения

-Расширить свой умственный кругозор.

Методы исследования: изучение литературы, сравнение, наблюдение,

теоретический анализ, обобщение.

2.Что такое совершенное число?

Совершенное число— натуральное число, равное сумме всех своих собственных делителей (т. е. всех положительных делителей, включая 1,но отличных от самого числа,).

Первое совершенное число 6 имеет следующие собственные делители: 1, 2, 3; их сумма 1 + 2 + 3 равна 6.

Второе совершенное число  28 имеет следующие собственные делители: 1, 2, 4, 7, 14; их сумма 1 + 2 + 4 + 7 + 14 равна 28.

Третье совершенное число  496 имеет следующие собственные делители: 1, 2, 4, 8, 16, 31, 62, 124, 248; их сумма 1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 31 + 62 + 124 + 248 равна 496.

Четвертое совершенное число — 8128 имеет следующие собственные делители: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 127, 254, 508, 1016, 2032, 4064; их сумма 1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 64 + 127 + 254 + 508 + 1016 + 2032 + 4064 равна 8128.

По мере того, как натуральные числа возрастают, совершенные числа встречаются всё реже.

3. История появления совершенных чисел

Древнегреческий  математик и философ Пифагор, он же  создатель религиозно-философской школы пифагорейцев (570—490 гг. до н. э), ввел понятия избыточные и недостаточные числа.

Если сумма делителей числа больше самого числа, то такое число называется «избыточным». Например, 12 – избыточное число, так как сумма его делителей равна 16. Если сумма делителей числа меньше самого числа, то такое число называется «недостаточным».

Например, 10 – недостаточное число, так как сумма его делителей (1, 2 и 5) равна лишь 8.

Пифагорейцы развивали свою философию из науки о числах. Совершенные числа, считали они, есть прекрасные образы добродетелей. Они представляют собой середину между излишеством и недостатком. Они очень редки и порождаются совершенным порядком. В противоположность этому сверхизобильные и несовершенные числа, которых сколь угодно много, не расположены в порядке и не порождаются с некоторой определенной целью. И поэтому они имеют большое сходство с пороками, которые многочисленны, не упорядочены и не определены.

«Совершенное число есть равное своим долям». Эти слова принадлежат  Евклиду, древнегреческому математику, автору первого из дошедших до нас теоретических трактатов по математике «Начала»(3 век до н.э.). До Евклида были известны только два совершенных числа, и никто не знал, существуют ли другие совершенные числа и сколько таких чисел вообще может быть. Благодаря своей формуле  2p-1*(2p-1)- совершенное число, если        (2p-1)- простое число , Так  Евклид сумел найти еще два совершенных числа: 496 и 8128.  Способ нахождения совершенных чисел описан в IX книге «Начал».

Никомах  Геразский, греческий философ и математик (1-я пол. 2 в. н. э.), в  своем сочинении «Введение в арифметику» писал: «…Прекрасные и благородные вещи обычно редки  и легко пересчитываемы, тогда как безобразные и плохие  - многочисленны; вот и избыточные и недостаточные числа отыскиваются в большом количестве и беспорядочно,  так что способ их нахождения не упорядочен , в то время как совершенные числа легко перечислимы и расположены в надлежащем порядке. Ведь среди однозначных чисел находится одно такое число 6,  второе число 28 –единственное среди десятков, третье число 496 – единственное среди сотен,  а четвёртое число 8128 –среди тысяч, если ограничиться десятью тысячами. И присущее им свойство состоит в том, что они  попеременно оканчиваются то на шестёрку, то на восьмёрку, и  все являются чётными .Изящный и надёжный способ их получения, не пропускающий ни одного совершенного числа и дающий одни только совершенные числа, состоит в следующем. Расположи все чётно-чётные числа, начиная с единицы, в один ряд ,  продолжая его так далеко , насколько пожелаешь: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096.

Затем складывай их последовательно, прибавляя каждый раз по одному,

и после каждого прибавления смотри на результат; и когда он будет

первичным и несоставным ,  умножь его на последнее прибавленное

число, в результате чего ты всегда будешь получать совершенное число.

Если же он  будет вторичным и составным ,умножать не надо ,  но надо

прибавить следующее число и посмотреть на результат ;  если он снова

окажется вторичным и составным , снова пропусти его и не умножай, но

прибавь следующее ; но если он будет первичным и несоставным, то

умножив  его на последнее прибавленное число , ты снова получишь

совершенное число, и так до бесконечности. И таким способом ты

получишь все совершенные числа по порядку , не пропустив ни одного

из них. К примеру, к 1 я прибавляю 2 и смотрю, какое число получилось

в сумме, и нахожу , что это число 3, первичное и несоставное в согласии

с тем , что говорилось выше , поскольку оно не имеет разноимённых

с ним долей , но только названную по нему долю ; теперь я умножаю

его на последнее прибавленное число, которое есть 2, и получаю 6; и я

объявляю его первым настоящим совершенным числом , имеющим

такие доли, что они, будучи составленными вместе, укладываются  в

самом числе: ведь единица является его названной по нему, о есть

шестой, долей , и 3 является половиной в соответствии с числом 2,и

обратно , двойка является третью. Число 28  получается этим же способом, когда следующее число 4 прибавляется к уже сложенным

выше . Ведь три числа 1, 2, 4 в сумме дают число 7, которое оказывается

первичным и несоставным , поскольку оно имеет только названную по

нему седьмую долю; а потому я умножаю его на последнее количество,

прибавленное к  сумме , и мой результат составляет 28, равное своим

долям, и имеющее доли , названные по уже упомянутым числам:

половинную для четырнадцати, четвёртую для семёрки, седьмую для

4, четырнадцатую в противоположность  половине , двадцать восьмую

в соответствии с собственным названием , а такая доля для всех чисел равна единице.  И когда уже открыты в единицах  6  и в десятках  28,  ты

можешь проделать то же самое и далее .  Вновь прибавь следующее число

 8, и получишь 15; рассматривая его, я выясняю, что оно не является

первичным и несоставным ,  потому что в дополнение к названной по нему

доле оно имеет разноимённые с ним доли, пятую и третью ; поэтому я не

умножаю его на  8,  но прибавляю следующее число  16  и получаю число

 31. Оно является первичным и несоставным ,  а потому его нужно ,  в

соответствии с общим правилом , умножить на последнее добавленное число  16, в результате чего получится 496 в сотнях ; а затем получится 8128 в тысячах; и так далее , насколько будет желание продолжать…»

Следует сказать, что под вторичным числом Никомах понимает число, кратное данному, то есть то, которое можно получить, домножением  на натуральные числа; долями он называет множители, входящие в разложение числа.

Если Никомах  Геразский нашел лишь 4  первых совершенных числа ,то Региомонтан( подлинное имя — Йоганн Мюллер), немецкий математик, живший  в 15 веке ,нашел пятое совершенное число  - 33550336.

В XVI веке немецкий ученый Иоганн Эфраим  Шейбель нашел ещё два совершенных числа- 8589869056 (8 миллиардов, 589 миллионов, 869 тысяч,  56), 137438691328 (137 миллиардов, 438 миллионов, 691 тысяча, 328).

Катальди Пьетро Антонио (1548-1626), бывший профессором математики во Флоренции и Болонье, который первый дал способ извлечения квадратных корней, тоже занимался поисками совершенных чисел. В его записках были указаны значения шестого и седьмого совершенных чисел.   8 589 869 056 (шестое число), 137 438 691 328 (седьмое число) для р=17 и 19)

 Французский математик XVII века Марен Мерсенн предсказал, что многие числа, описываемые формулой  , где p - простое число, также являются простыми.  Ему удалось доказать, что для p=17, p=19, p=31 числа  8589869056,   137438691328, 2305843008139952128  являются  совершенными.

Швейцарский, немецкий и российский математик и механик, внёсший фундаментальный вклад в развитие этих наук, Леонард Эйлер ( начало 18в.) доказал, что все чётные совершенные числа соответствуют  алгоритму построения чётных совершенных чисел, который описан в IX книге Начал Евклида. Также он доказал, что каждое чётное совершенное число имеет вид  Mp, где число Мерсенна Mp является простым.

Девятое совершенное число было вычислено только в 1883 году. В нем оказалось тридцать семь знаков. Этот вычислительный подвиг совершил сельский священник из-под Перми Иван Михеевич Первушин. Первушин считал без всяких вычислительных приборов.

В начале XX века были найдены ещё три совершенных числа (для р = 89, 107 и 127).

На февраль 2013 года известно 48 простых чисел Мерсенна и соответствующих им чётных совершенных чисел, поиском новых простых чисел Мерсенна занимаются проекты распределённых вычислений GIMPS и OddPerfect.org.

4. Свойства совершенных чисел

1.Все чётные совершенные числа (кроме 6) являются суммой кубов последовательных нечётных натуральных чисел.

2.Все чётные совершенные числа являются треугольными числами ; кроме того, они являются шестиугольными числами, то есть, могут быть представлены в виде n(2n−1) для некоторого натурального числа n.

3.Сумма всех чисел, обратных делителям совершенного числа (включая его само), равна 2,то есть

4.Все чётные совершенные числа, кроме 6 и 496, заканчиваются в десятичной записи на 16, 28, 36, 56 или 76.

  5.Все чётные совершенные числа в двоичной записи содержат сначала p единиц, за которыми следует p—1 нулей (следствие из их общего представления).

6. Доказано, что нечётное совершенное число, если оно существует, имеет не менее 9 различных простых делителей и не менее 75 простых делителей с учетом кратности.

5. Интересные факты

 Из-за трудности нахождения и таинственной непостижимости совершенные числа в старину считались божественными. Так, средневековая церковь полагала, что изучение совершенных чисел ведет к спасению души, что нашедшему новое совершенное число гарантировано вечное блаженство. В XII веке церковь утверждала, что для спасения души необходимо найти пятое совершенное число .Существовало также убеждение, что мир потому прекрасен, что сотворен создателем за 6 дней. А вот род человеческий, дескать, несовершенен, ибо произошел от несовершенного числа 8. Ведь именно 8 людей спаслось от всемирного потопа в Ноевом ковчеге. Можно добавить, что в том же ковчеге спаслись еще семь пар чистых и семь пар нечистых животных, что в сумме составляет совершенное число 28. Да и вообще легко обнаружить множество подобных совпадений. Например, руки человеческие можно объявить совершенным орудием по той причине, что в десяти пальцах насчитывается 28 фаланг… 

Египетская мера длины "локоть" содержала 28 пальцев.

На шестом месте на званом пиру возлежал самый уважаемый, самый почетный гость.

В 1917 году при подземных работах было открыто странное сооружение: вокруг большого центрального зала расположены двадцать восемь келий. Позже узнали, что это было здание неопифагорейской академии наук. В ней было двадцать восемь членов.

Даже сейчас, следуя древней традиции, некоторые академии по уставу состоят из 28 действительных членов. Несмотря на то, что совершенным числам приписывается мистический смысл,числа Мерсенна долгое время были абсолютно бесполезными, как, впрочем, и совершенные числа. Но в настоящее время на простых числах Мерсенна основана защита электронной информации, а также они используются в криптографии и других приложениях математики.

 Лев Николаевич Толстой шутливо "хвастался" тем, что дата его рождения (28 августа по календарю того времени) является совершенным числом. Год рождения Л.Н.Толстого (1828) - тоже интересное число: последние две цифры (28) образуют совершенное число; а если переставить местами первые две цифры, то получится 8128 - четвертое            совершенное число.

6. Примеры задач

1.Найдите все совершенные числа до 1000.

Ответ: 6 ( 1+2+3=6), 28 (1+2+4+7+14=28),  496 (1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 31 + 62 +

124 + 248=496). Всего чисел-3.

2.Найдите совершенное число которое больше 496, но меньше 33550336.

Ответ: 8128.

3.Совершенное число, большее 6, делится на 3. Докажите, что оно делится на 9.

 Решение: метод от противного. Предположим, что совершенное число, делящееся на 3,не кратно 9. Тогда оно  равно 3n, где n не кратно 3. При этом все натуральные делители числа 3n (включая его самого) можно

разбить на пары d и 3d, где d не делится на 3. Следовательно, сумма всех

делителей числа 3n (она равна 6n) делится на 4. Отсюда n кратно 2. Далее

заметим, что числа 3n /2 , n, n/2 и 1 будут различными делителями числа 3n,

их сумма равна 3n + 1 > 3n, откуда следует, что число 3n не может быть

совершенным. Противоречие. Значит, наше предположение неверно ,и утверждение доказано.

4. Совершенное число, большее 28, делится на 7. Докажите, что оно делится на 49.

7.Заключение

Пифагор обожествлял числа. Он учил: числа управляют миром. Всемогущество чисел проявляется в том, что всё в мире подчиняется числовым отношениям. Пифагорейцы искали в этих отношениях и закономерности реального мира, и пути к мистическим тайнам и откровениям. Числам, учили они, свойственно всё – совершенство и несовершенство, конечность и бесконечность.

Рассмотрев одну из групп натуральных чисел - совершенные числа, я сделала вывод, что разнообразие натуральных чисел является бесконечным. Что касается утверждения о том, что среди совершенных чисел встречаются как чётные, так и нечетные числа ,то оно не может  считаться верным, так как  все обнаруженные до сих пор совершенные числа являются чётными. Никто не знает, существует ли хоть одно нечётное совершенное число как и то, что множество совершенных чисел бесконечно.

В дальнейшем я хочу исследовать дружественные числа.

Дружественные числа — два различных натуральных числа, для которых сумма всех собственных делителей первого числа равна второму числу и наоборот, сумма всех собственных делителей второго числа равна первому числу. Примером  такой пары чисел является пара 220 и 284 .Частным случаем дружественных чисел считаются совершенные числа: каждое совершенное число дружественно себе. Хотя большого значения для теории чисел эти пары не имеют, но являются любопытным элементом занимательной математики.

8.Список использованной литературы

1. Волина В. В. Занимательная математика для детей./Ред. В. В. Фёдоров; Худ. Т. Фёдорова. – С.-Пб.: Лев и К°, 1996. – 320 с.
2. Универсальная школьная энциклопедия. Т. 1. А – Л/Глав. ред. Е. Хлебалина, вед. ред. Д. Володихин. – М.: Аванта+, 2003. – 528с.
3. Универсальная школьная энциклопедия. Т. 2. А – Л/Глав. ред. Е. Хлебалина, вед. ред. Д. Володихин. – М.: Аванта+, 2003. – 528с.
4. Электронная детская энциклопедия Кирилл и Мефодий (версия 2007 год).
5. Электронный сайт WikipediA/ http://www.wikipedia.org/
6. http://eschool.karelia.ru/petrozavodsk/projects/zpivkoren/Lists/List/DispForm.aspx?ID=18
7. http://www.ngpedia.ru/id598396p3.html
8. http://www.ngpedia.ru/id598396p1.html
9. http://academic.ru/dic.nsf/bse/133758/%D0%A1%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5
10. http://arbuz.narod.ru/z_sov1.htm