Catalansche Vermutung

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Die catalansche Vermutung ist ein Satz aus dem mathematischen Teilgebiet der Zahlentheorie. Sie geht von der Beobachtung aus, dass man außer den Potenzen 23=8 und 32=9 keine weiteren ganzzahligen Potenzen kennt, die sich um genau 1 unterscheiden. Eugène Charles Catalan stellte 1844 die nach ihm benannte catalansche Vermutung auf, wonach es keine weiteren echten Potenzen mit dieser Eigenschaft gibt:

Die einzige ganzzahlige Lösung der Gleichung xpyq=1 mit x,p,y,q>1 lautet x=3, p=2, y=2 und q=3.

Erst nach über 150 Jahren wurde diese Vermutung 2002 von Preda Mihăilescu bewiesen.

Geschichte

Schon vor Catalan beschäftigte man sich mit verwandten Problemen. Um 1320 bewies Levi ben Gershon:

Wenn Potenzen von 2 und 3 sich um 1 unterscheiden, dann sind 8 und 9 die einzigen Lösungen.

Leonhard Euler (1707–1783) zeigte, dass es für a2b3=1 nur die Lösung a=3 und b=2 gibt.

Catalans Vermutung verallgemeinert Eulers Gleichung auf allgemeine Potenzen. Seine Vermutung wurde 1844 im Journal für die reine und angewandte Mathematik als Leserbrief veröffentlicht.[1]

Später fand man einige Teilergebnisse für den Fall, dass Catalans Behauptung nicht zutrifft, d. h., dass es weitere nichttriviale Lösungen der Gleichung gibt.

So bewies 1976 Robert Tijdeman den Satz von Tijdeman, demzufolge höchstens endlich viele ganzzahlige Lösungen der catalanschen Gleichung existieren können.

1998 zeigte Ray Steiner folgende Eigenschaft für eine mögliche Lösung: Entweder p und q erfüllen gewisse Teilbarkeitsbedingungen (class number condition) oder p und q sind doppelte Wieferich-Primzahlen, d. h., sie genügen der Bedingung

pq11 mod q2 und qp11 mod p2

Maurice Mignotte gab im Jahr 2000 eine obere Grenze für Lösungen q und p an:

q<7,151011, p<7,781016

Im April 2002 gelang dem damals an der Universität Paderborn beschäftigten Preda Mihăilescu schließlich der Beweis der catalanschen Vermutung, womit diese den Status eines mathematischen Satzes erhielt.

Verallgemeinerung

Man kann die mittlerweile bewiesene catalansche Vermutung erweitern, indem man die Gleichung

xpyq=n  mit natürlichen x,y>0,p,q,n>1

betrachtet. Es wird vermutet, dass auch diese Gleichung für jede gegebene natürliche Zahl n+ nur endlich viele Lösungen mit x,y>0,p,q>1 hat, das heißt, dass es nur endlich viele Paare ganzzahliger Potenzen gibt, deren Differenz jeweils n ist.

Die folgende Liste gibt bis n115 alle Lösungen dieser Gleichung an, wobei xp,yq<2641,841019 ist. Der größte dabei auftretende Wert für yq ist 542939080312(5,431011) in 736844281583=24, im Bereich von 5,431011 bis 26411,841019 sind für n206 keine weiteren Lösungen zu finden.

Hinweis zur Anzahl der Lösungen

Angegeben ist die Anzahl der Lösungen xp,yq, d. h. der Werte der Potenzen. Wenn p und/oder q keine Primzahlen sind, sind für die Werte xp,yq verschiedene Potenz-Zerlegungen möglich, z. B. für n=17:

  • Die fünf Lösungen 5223=17,7225=17,2822433=17,3752523=17,378661252343=17 haben Primfaktoren als Exponenten, damit sind das fünf Einfachlösungen.
  • Die Lösung 23229=17 hat q=33 als Exponenten, das erlaubt σ0(q)1=2 verschiedene Darstellungen für 512=29=83. Daher ist dies eine Doppellösung, bezogen auf die Werte von x,y,p,q.
  • Die Lösung 3426=17 hat p=22 und q=23 als Exponenten, das erlaubt σ0(p)1=2 verschiedene Darstellungen für 81=34=92 und σ0(q)1=3 verschiedene Darstellungen für 64=26=43=82. Daher ist dies eine Sechsfachlösung, bezogen auf die Werte von x,y,p,q.
  • Insgesamt sind dies dann fünf Einfachlösungen, eine Doppellösung und eine Sechsfachlösung, insgesamt zwölf Lösungen bezogen auf die Werte von x,y,p,q:
(5,2,2,3), (7,2,2,5), (282,43,2,3), (375,52,2,3), (378661,5234,2,2), (23,2,2,9), (32,8,2,3) und (3,2,4,6), (3,4,4,3), (3,8,4,2), (9,2,2,6), (9,4,2,3), (9,8,2,2)
Anzahl der Lösungen

Jeweils größte Anzahl von Lösungen (bei der Suche bis 264):

n Lsg. n Lsg. n Lsg.
1 1 17 7 1792 14
3 2 100 10 2160 15
4 3 207 12 2880 16
7 5 225 13 4032 17

Siehe auch

Literatur

  • Preda Mihailescu: Primary cyclotomic units and a proof of Catalan’s conjecture. J. Reine Angew. Math. 572 (2004), 167–195.
  • Christoph Pöppe: Der Beweis der Catalan’schen Vermutung. In: Omega. Das Magazin für Mathematik, Logik und Computer. (Spektrum der Wissenschaft Spezial 4/2003) Spektrumverlag, Heidelberg 2003, S. 64–67.
  • Yuri Bilu: Catalan’s Conjecture (after Mihailescu). Seminaire Bourbaki, Nr. 909, 2002, (PDF).
  • Jeanine Daems: A Cyclotomic Proof of Catalan’s Conjecture. Diplomarbeit, Universität Leiden 2003, (PDF).
  • Maurice Mischler, Jacques Boéchat zur Catalan-Vermutung, französisch (Arxiv).
  • Henri Cohen zum Beweis der Catalan-Vermutung, französisch (online).

Einzelnachweise

  1. Eugène Charles Catalan: Note extraite d’une lettre adressée à l’éditeur par Mr. E. Catalan, Répétiteur à l’école polytechnique de Paris. Journal für die reine und angewandte Mathematik 27, 192. 1844 (Scan des Originals online, abgerufen am 16. April 2019).

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