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五大蒙蔽你的数学假象,我最佩服第三个!

超级数学建模  · 公众号  · 数学  · 2017-07-18 22:28

正文

来呀!

互相伤害啊!


01

上的因式分解


注意到







似乎有这种可能,对于所有的正整数n, 的因式分解成不可约多项式的乘积后各项系数都为 1或者-1 ,不难验证对n在 1-20 之间都是正确的。


据说有人曾经算到了 ,均没有发现反例,终于放心大胆地 猜想:


对于所有的正整数 n, 上因式分解后各项系数都为1或者-1!

反例:


在 n = 105 时, 的分解式为


出现了两个 -2


注:


在数学中,n次分圆多项式是指唯一的n次整系数 不可约 多项式 使得其为 的因子,不为 的因子,k为任意比n小的正整数。可以证明:


然后对 有因式分解:



也就是最后因式分解得到的因子均为分圆多项式。


为什么会出现n=105的反例呢?


来看一些 分圆多项式




他们的系数都是-1,1,这种情况一直持续到n=104。


n=105 时:




所以我们分解 时,因子中的 导致了反例。


关于怎么计算n次分圆多项式的中 系数,目前还没有一目了然的公式,但是有定理:


若n的质因数分解中奇素数个数不超过2,那么
的系数只能为1或-1(或0),从而

上因式分解后各项系数都为1或者-1(或0),猜想成立


举个例子,由于2016只有素因子2,3,7, 上因式分解后各项系数都为1或者-1。可以验证 小于10 5 的所有数定理条件均满足。但是对于105=3×5×7,不好意思,定理条件失效了。 (105有三个奇素数因子,我们在n=105有了反例)


02

Pólya conjecture

这是一个常用的 经典超大数产生的反例


考虑对自然数列的质因数分解

2 = 2
3 = 3
4 = 2 × 2
5 = 5
6 = 2 × 3
7 = 7
8 = 2 × 2 × 2
9 = 3 × 3
10 = 2 × 5
11=11
12=2 x 2 x 3
13=13
14=2x7
15=3x5
16=2x2x2x2
17=17
……

在写出的数种可以看到, 4、6、9、10、14、16 这6个数


包含 偶数个质因子 ,其余11个数都含 奇数个质因子 (不区分相同的质因子) 可以感觉到包含 偶数个质因子的数 要明显小一些。也就是对每一个给定 不小于2 的正整数2,3,……,n这n-1个数中 含偶数个质因数的数的个数小于一半


严格来说,n有质因数分解 ,令 f(n)取0或1

Pólya猜想:


对每一个给定不小于2的正整数2,3,……,n这n-1个数中 含偶数个质因数的数的个数小于一半

这个猜想对 1亿之内 的数都成立!


反例:


不幸的是……


来自Matrix67博客的一段话 (加了补充)

Pólya 猜想看上去非常合理——每个有偶数个质因子的数,必然都已经提前经历过了“有奇数个质因子”这一步。不过,这个猜想却一直未能得到一个严格的数学证明。


到了 1958 年,英国数学家 C. B. Haselgrove 发现, Pólya 猜想竟然是错误的。他证明了 Pólya 猜想存在反例,从而推翻了这个猜想。


不过,Haselgrove 仅仅是证明了反例的存在性,并没有算出这个反例的具体值。


Haselgrove 估计,这个 反例 至少 也是一个 361 位数( )。


1960 年,R. Sherman Lehman 给出了一个确凿的反例:n = 906 180 359。而 Pólya 猜想的最小反例则是到了 1980 年才发现的:n = 906 150 257。


注:


这个反例充分说明,不能随便假定某个猜想是正确的,哪怕它对于很小的数再怎么正确。

03

数列递推公式


数列 a(1) = 8,a(2) = 55,并且 a(n) 定义为最小的使得




正整数

来求一求a(n):

8, 55, 379, 2612, 18002, 124071, 855106, 5893451, 40618081, 279942687, 1929384798, 13297456486, 91647010581, 631637678776, 4353291555505, 30003193292641, 206784130187015, 1425170850320396, 9822378297435246,……


定义数列


b n = 6k n-1 + 7b n-2 - 5b n-3 - 6b n-4

b 1 =8, b 2 =55, b 3 =379, b 4 =2612


猜想:


对n为正整数,a(n)=b(n),这个对 n<1000 可以验证均成立

反例:


当你在OEIS上搜索8, 55, 379, 2612, 18002, 124071, 855106, 5893451, 40618081时,
会蹦出两个结果:


n不超过11056 时,a(n)=b(n)
n=11057 时,a(n)!=b(n)

注:


本来想给出两个数列的值,但是发现太大了…
不过可以证明

只要注意到a(n)定义中的最小性即可,另外b(n)的递推公式可由 特征方程 给出。

之所以会出现不等是因为k太大时,a(k)太大,造成了
中分母过大。


04

Perrin素数

尝试寻找到一个简单而高效的素数生成公式一直是人们的理想之一,而素数之类的公式如果要能用简单的数列定义该多好啊。

来看Perrin发现的一个 数列


a n = a n-2







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