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卡塔兰–迪克森猜想(真因子链)

《数论中的 50 个公开问题》 · 问题 31 专题综述

题面每个正整数的「真因子和」迭代链要么终止于 1 或完全数,要么进入周期轨道——不会发散到无穷。

本页为 VIP 专阅综述:主要概念的详细介绍与主要命题的细致证明,全文见下方专阅区。

问题

对正整数 n,真因子和 s(n) = σ(n) − n 是除 n 自身外全部正因子之和。迭代 n → s(n) → s(s(n)) → ⋯ 得到 aliquot 链。终止于 1 的链称为「终结链」;固定点是完全数(s(n) = n),二循环是相亲数对(如 220 ↔ 284),更长周期是社交数链。卡塔兰(1888)与迪克森(1913)猜想:每条 aliquot 链都有界——从而按抽屉原理必然终止、进入完全数或落入周期轨道。

现状:276 的链已计算超过两千项仍未闭合(也没有发散的迹象);这个「难缠者」与 552、564、660、966 并称五大开链。而李伦斯特拉(Lenstra 1977)在多项式环的类比中构造了确会发散的链,说明猜想在一般框架下并非当然。

主要概念

σ 函数的乘法结构

σ 是积性的:(m, n) 互素时 σ(mn) = σ(m)σ(n),且 σ(pe) = (pe+1−1)/(p−1)。aliquot 链的整个动力学都建立在这条公式上:把 n 分解成素数幂,就能机械地算出下一项。

奇偶性与「偶性陷阱」

链的动力学的第一道闸门是奇偶:一条链若长期保持偶性,就与「终止于奇数 1」背道而驰。欧拉的奇偶引理(命题 1)说明偶性远比奇性普遍——这正是偶链难以闭合的根源。

主要命题与证明

命题 1(完整证明) σ(m) 为奇数,当且仅当 m 是平方数或两倍平方数。等价地:对偶数 m 而言,s(m) 为奇数当且仅当 m 是平方数或两倍平方数。

证明 写 m = 2a·∏piei(pi 为奇素数)。σ(pe) = 1 + p + ⋯ + pe 共 e+1 项、每项为奇数,故其奇偶由 e+1 决定:e 偶时为奇数,e 奇时为偶数。而 σ(2a) = 2a+1−1 恒为奇数。σ 是积性函数,其奇偶 = 各因子奇偶之积,故

σ(m) 奇 ⇔ 所有奇素数指数 ei 均为偶 ⇔ m 的奇部是完全平方。

奇部为完全平方的整数恰是 m = t²(当 a 偶)或 m = 2t²(当 a 奇)。对 s(m) = σ(m) − m:当 m 为偶数时 m 是偶数,故 s(m) 的奇偶与 σ(m) 相反当且仅当……精确地:s(m) 奇 ⇔ σ(m) 与 m 奇偶不同 ⇔ σ(m) 奇(因 m 偶)。□

推论 2 若偶数 m 既非平方数也非两倍平方数,则 s(m) 仍为偶数。于是 aliquot 链一旦进入偶数、且从此不再踩到「平方或两倍平方」的点,就永远保持偶性——这正是绝大多数偶链的实际行为(276 的链两千多项全是偶数)。

命题 3(276 链前六步的完整演算) 276 → 396 → 696 → 1104 → 1872 → 3770。

演算 276 = 2²·3·23,σ = (2³−1)(1+3)(1+23) = 7·4·24 = 672,s = 672−276 = 396。396 = 2²·3²·11,σ = 7·13·12 = 1092,s = 696。696 = 2³·3·29,σ = 15·4·30 = 1800,s = 1104。1104 = 2⁴·3·23,σ = 31·4·24 = 2976,s = 1872。1872 = 2⁴·3²·13,σ = 31·13·14 = 5642,s = 3770。链继续增长:3770 → 3790 → 3050 → 2716 → 2772 → …,两千余项后仍在攀升,从未重复、从未闭合。□

命题 4(Lenstra 发散现象,严格梗概) 在多项式环 𝔽[t] 中定义类比函数 S(f) = 「f 的全部首一真因子(陪集代表元)之和」,则存在多项式使迭代序列严格增长(按次数)——即卡塔兰–迪克森猜想的直接类比不成立。这解释了为何整数情形的证明无法通过任何「一般原则」自动获得:同一公理框架下两种世界给出相反答案。

命题 5(Bosma–Kane 2012,严格梗概) 正比例的偶数 n,其 aliquot 链的每一项都被 2 整除(因而永不终止于 1)。证明的核心是把命题 1 的奇偶判别细化为 2-adic 赋值 v₂(s(m)) 的显式公式,再证明:对正比例的 n,链中每一步的赋值都不落回 −∞(终止)条件。这是「许多链可能发散」的第一个严格证据,与盖伊–塞尔弗里奇的反启发式(期望正比例的链发散)相容。

进展与文献

计算方面:Lehmer 五十年代的台式机计算、te Riele 的 1980 年代程序到当代的 aliquot 项目(FactoringDB),开链名单稳定在 90 余条(万以下 11 条)。理论方面:Erdős 关于 σ(n)/n 分布的工作控制了链的「统计漂移方向」——对固定链,σ(n)/n 的累积漂移由素因子结构决定,发散与闭合之争即此漂移是否总有界。Lenstra 的发散构造见 Proc. Kon. Ned. Akad. 1977;Bosma–Kane 见 Math. Comp. 2012。Guy 与 Selfridge 1978 年的《The aliquot sequence problem》仍是最佳综述,其结论是诚实的:「两种直觉都自洽,我们不知道哪种对。」

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