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Catalansche Vermutung

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die catalansche Vermutung ist eine Aussage aus dem mathematischen Teilgebiet der Zahlentheorie. Sie geht von der Beobachtung aus, dass man außer den Potenzen und 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; m. a. W.:

Die einzige ganzzahlige Lösung der Gleichung mit lautet , , und .

Erst Anfang der 2000er Jahre, also nach über 150 Jahren, wurde von Preda Mihăilescu bewiesen, dass diese Vermutung richtig ist.

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 nur die Lösung und 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 und erfüllen gewisse Teilbarkeitsbedingungen (class number condition) oder und sind doppelte Wieferich-Primzahlen, d. h., sie genügen der Bedingung

und

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

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

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

mit natürlichen

betrachtet. Es wird vermutet, dass auch diese Gleichung für jede gegebene natürliche Zahl nur endlich viele Lösungen mit hat, das heißt, dass es nur endlich viele Paare ganzzahliger Potenzen gibt, deren Differenz jeweils ist.

Die folgende Liste gibt bis alle Lösungen dieser Gleichung an, wobei ist. Der größte dabei auftretende Wert für ist in , im Bereich von bis sind für keine weiteren Lösungen zu finden.

Hinweis zur Anzahl der Lösungen

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

  • Die fünf Lösungen haben Primfaktoren als Exponenten, damit sind das fünf Einfachlösungen.
  • Die Lösung hat als Exponenten, das erlaubt verschiedene Darstellungen für . Daher ist dies eine Doppellösung, bezogen auf die Werte von .
  • Die Lösung hat und als Exponenten, das erlaubt verschiedene Darstellungen für und verschiedene Darstellungen für . Daher ist dies eine Sechsfachlösung, bezogen auf die Werte von .
  • Insgesamt sind dies dann fünf Einfachlösungen, eine Doppellösung und eine Sechsfachlösung, insgesamt zwölf Lösungen bezogen auf die Werte von :
, und
Liste aller Lösungen der Gleichung für mit und
Anz.
der
Lsg.

(als Potenz)

(als Zahl)
1 1


2 1


3 2




4 3






5 2




6 Es existiert keine Lösung.
7 5










8 3






9 4








10 1


11 4








12 2




13 3






14 Es existiert keine Lösung.
15 3






16 3






17 7














18 3






19 5










20 2




Anz.
der
Lsg.

(als Potenz)

(als Zahl)
21 2




22 2




23 4








24 5










25 2




26 3






27 3






28 7














29 1


30 1


31 2




32 4








33 2




34 Es existiert keine Lösung.
35 3






36 2




37 3






38 1


39 4








40 4








Anz.
der
Lsg.

(als Potenz)

(als Zahl)
41 3






42 Es existiert keine Lösung.
43 1


44 3






45 4








46 1


47 6












48 4








49 3






50 Es existiert keine Lösung.
51 2




52 1


53 2




54 2




55 3






56 4








57 3






58 Es existiert keine Lösung.
59 1


60 4








61 2




62 Es existiert keine Lösung.
Anz.
der
Lsg.

(als Potenz)

(als Zahl)
63 4








64 4








65 4








66 Es existiert keine Lösung.
67 2




68 5










69 2




70 Es existiert keine Lösung.
71 4








72 4








73 6












74 2




75 3






76 3






77 2




78 Es existiert keine Lösung.
79 4








80 4








Anz.
der
Lsg.

(als Potenz)

(als Zahl)
81 4








82 Es existiert keine Lösung.
83 2




84 2




85 2




86 Es existiert keine Lösung.
87 3






88 3






89 6












90 Es existiert keine Lösung.
91 3






92 4








93 4








94 2




95 4








96 5










97 3






98 2




99 4








Anz.
der
Lsg.

(als Potenz)

(als Zahl)
100 10




















101 3






102 Es existiert keine Lösung.
103 2




104 4








105 4








106 2




107 3






108 4








109 3






110 Es existiert keine Lösung.
111 2




112 8
















113 6












114 Es existiert keine Lösung.
115 3






Anzahl der Lösungen

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

nLsg. nLsg. nLsg.
11177179214
3210010216015
4320712288016
7522513403217
Anzahl der Lösungen für mit und
0102030405060708091011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950
1…50 1123253414233373522245233711242323144313416430
51…100 2122343142444252446233244422233634424532410
101…150 324423432863563453124213622227321324145515321
151…200 35313323462244125514313432251252223514631432345
201…250 223212532321576223212613222425143246234432432
251…300 362462234214222314645234441144236323222410133
301…350 3332532244691126224332421623621333172421312
351…400 445135448123422211413225251431174146245224244
401…450 22361244232336214265431497741226623231030
451…500 33254383125413442245419441412331132774123
501…550 219753451466383134513637142252435226313541
551…600 444424364222158113214102232132613432351433228
601…650 2234415425154331343365422423333176115421060
651…700 4213653415251322383267113552521252126126423
701…750 23374222114344332410522312651251174424425414320
751…800 253554452236248323111344243247311237342227
801…850 4226413421331264172223611024661264118322329342
851…900 22166322428223522311731136131263732772147446
901…950 4422112316324233532535521642158213512891230
951…1000 343221431121382354144518432841163442362242105
  • Preda Mihăilescu: Primary cyclotomic units and a proof of Catalan’s conjecture. In: Journal für die Reine und Angewandte Mathematik. Band 572, 2004, S. 167195 (Eintrag zbMATH Open).
  • Preda Mihăilescu: On the class groups of cyclotomic extensions in presence of a solution to Catalan’s equation. In: Journal of Number Theory. Band 118, 2006, S. 123144 (Eintrag zbMATH Open).
  • Gerhard Frey: Der Satz von Preda Mihăilescu: Die Vermutung von Catalan ist richtig! In: Internationale Mathematische Nachrichten, Wien. Band 192, 2003, S. 111 (Eintrag zbMATH Open).
  • 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).
  • René Schoof: Catalan's Conjecture (= Universitext). Springer-Verlag, London 2008, ISBN 978-1-84800-184-8 (Eintrag zbMATH Open).

Einzelnachweise

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  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).