i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 211 — #1 i i i i i i KONGRUI VEČKOTNIŠKIH ŠTEVIL MARKO RAZPET Pedagoška fakulteta Univerza v Ljubljani Math. Subj. Class. (2010): 11D09 Kongruum je tako naravno število N , za katerega obstajajo naravna števila x, y in z, za katera velja y2 − x2 = z2 − y2 = N . Pokazali bomo, da lahko pojem kongrua posplošimo, če kvadrate v definiciji ustrezno zamenjamo z večkotnǐskimi števili. CONGRUA OF POLYGONAL NUMBERS Congruum is a positive integer N , for which there exist positive integers x, y, and z such that y2 − x2 = z2 − y2 = N . We will show that the concept of congruum can be generalized by replacing squares in the definition by the corresponding polygonal numbers. Uvod Besedo kongruum je v matematiko vpeljal Leonardo iz Pise (1170–1250) v svoji knjigi Liber quadratorum, ki jo je dokončal leta 1225 in je prevedena tudi v angleščino. Njen prevod [2] je opremljen s številnimi opombami in komentarji. Latinska beseda congruus pomeni soglasen, skladen, primeren, prikladen. V Liber quadratorum obravnava Leonardo nekatere probleme, ki so povezani s kvadrati naravnih in racionalnih števil. Eden od teh je tudi problem kongrua, ki je bil v Leonardovem času že zelo star, saj je že antični matematik Diofant v 3. stoletju v svoji knjigi Aritmetika obravnaval podobne probleme, kasneje pa tudi perzijska matematika Al Hazin (900– 971) in Al Karadži (953–1029). Po Leonardu so se s problemom spopadali še drugi, na primer Pierre de Fermat (1607–1665) in Leonhard Euler (1707– 1783). Problem še do danes ni v celoti rešen. Naravno število N je kongruum, če obstajajo naravna števila x, y in z, pri čemer je x < y < z, tako da veljata relaciji x2 +N = y2, y2 +N = z2. (1) Če iz zgornjih enačb izločimo N , dobimo enačbo x2 +z2 = 2y2, iz katere sklepamo, da sta x in z iste parnosti. Pri tem se poraja glavno vprašanje. Ali pri danem N naravna števila x, y in z, ki zadoščajo enačbama v (1), sploh obstajajo in kako jih učinko- vito najti? Izkaže se, da ni vsako naravno število kongruum. Že Leonardo Obzornik mat. fiz. 66 (2019) 6 211 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 212 — #2 i i i i i i Marko Razpet iz Pise je v [2] dokazal, da nobeno kvadratno število ni kongruum. Dokaz ni ravno preprost. Najdemo ga na primer v [3] pod iztočnico Kongruenčna šte- vila. Slovenski avtorji si pri tem niso enotni: nekateri uporabljajo pridevnik kongruenčen, nekateri pa kongruenten. Do kongruov hitro pridemo s pitagorejskimi trojicami (a, b, c), kjer so a, b in c naravna števila, a < b in a2 + b2 = c2. Števili a in b sta kateti, c pa hipotenuza ustreznega pravokotnega trikotnika. Uporabimo enakosti, ki sledita iz zadnje relacije: (b− a)2 + 2ab = c2, c2 + 2ab = (b+ a)2. (2) Za x = b− a, y = c, z = b+ a in N = 2ab sta izpolnjeni relaciji (1). Na ta način dobimo vse kongrue. Če je namreč N kongruum, obstajajo naravna števila x, y, z, pri čemer je x < y < z, tako da veljata enačbi (1). Trojica (a, b, c) = ((z − x)/2, (z + x)/2, y) je pitagorejska, ker velja a2 + b2 = 1 2 (z2 + x2) = 1 2 (y2 +N + y2 −N) = y2 = c2. Za pitagorejsko trojico (a, b, c) pa očitno veljata enačbi (2). Za najmanǰso pitagorejsko trojico (a, b, c) = (3, 4, 5) dobimo x = 1, y = 5, z = 7 in N = 24. Res veljata enakosti 12 + 24 = 52 in 52 + 24 = 72. Pitagorejska trojica (a, b, c) je primitivna, če števila a, b in c nimajo skupnega faktorja. V primitivni pitagorejski trojici (a, b, c) je eno od števil a in b liho, eno sodo, število c pa je vedno liho. Primitivne pitagorejske trojice (a, b, c) generiramo z dvema naravnima številoma p in q s formulami a = p2 − q2, b = 2pq, c = p2 + q2, kjer sta si p in q tuji števili različnih parnosti ter p > q. Če se pri tem zgodi, da je a > b, števili a in b med seboj preprosto zamenjamo. Vsaka pitagorejska trojica je produkt neke primitivne z nekim naravnim številom (glej na primer [4]). Hitro pa vidimo, da je za vsako naravno število λ število λ2N kongruum, če je le N kongruum. Že Leonardo iz Pise pa je v [2] dokazal, da je število 24 najmanǰsi kongruum in da je vsak kongruum deljiv s 24. Slednje je ugotovil z obravnavo števila N = 2ab v (2), ki ga je vzel v razstavljeni obliki N = 4pq(p− q)(p+ q). Neskončno zaporedje kongruov se začne s 24, 96, 120, 216, 240, 336, 384, 480, 600, 720, 840, 864. Kongrue dobimo s formuloN = 2λ2ab z vstavljanjem katet a in b primitivnih pitagorejskih trojic (a, b, c) in naravnimi števili λ. Kot smo že videli, je 24 kongruum, zato je kongruum tudi 96 = 22 · 24. 212 Obzornik mat. fiz. 66 (2019) 6 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 213 — #3 i i i i i i Kongrui večkotniških števil Primer 1. Pitagorejska trojica (5, 12, 13) nam zaradi enakosti (2) da kon- gruum 2 · 5 · 12 = 120, in sicer za x = 7, y = 13 in z = 17, kar nam prinese 72 + 120 = 132 in 132 + 120 = 172. Omenimo še kongruentna števila. Naravno število M je kongruentno, če obstajajo pozitivna racionalna števila x, y in z, pri čemer je x < y < z, tako da veljata relaciji x2 +M = y2, y2 +M = z2. Enakovredna definicija sloni na relacijah (2). Naravno število M je kongru- entno, če obstaja pravokotni trikotnik z racionalnimi stranicami in ploščino M . Kongruentna števila so v tesni zvezi z eliptičnimi krivuljami. Več o tem lahko preberemo na primer v [5]. Vsak kongruum je kongruentno število, vsako kongruentno število pa ni kongruum, pač pa je produkt nekega kongruuma s kvadratom nekega pozitivnega racionalnega števila. Neskončno zaporedje kongruentnih števil se začne s 5, 6, 7, 13, 14, 15, 20, 21, 22, 23, 24, 28. Kongruentna števila dobimo prav tako kot kongrue N , ki jih delimo z nji- hovimi največjimi možnimi kvadratnimi faktorji. Primer 2. Pitagorejska trojica (9, 40, 41) nam da kongruum N = 2·9·40 = 720 = 122 · 5, zato je M = 5 kongruentno število. Za x = 31, y = 41 in z = 49 veljata po (2) enakosti 312 + 720 = 412 in 412 + 720 = 492. Če ju delimo z 122, dobimo( 31 12 )2 + 5 = ( 41 12 )2 in ( 41 12 )2 + 5 = ( 49 12 )2 . To je neposredni dokaz, da je 5 kongruentno število. Rezultat je poznal že Leonardo iz Pise in ga uporabil na matematičnem tekmovanju leta 1225 v prisotnosti cesarja Friderika II. Večkotnǐska števila Večkotnǐska (mnogokotnǐska, poligonalna) števila V (k) n so povezana s pravil- nimi k-kotniki in sestavljajo pri izbranem k neskončno številsko zaporedje, ko n teče po naravnih številih. Zato številom V (k) n pravimo k-kotnǐska šte- vila. Uvedemo jih kot n-te delne vsote aritmetičnega zaporedja s prvim členom 1 in diferenco d = k − 2 (glej na primer ([1, 3])). Kot je znano, je 211–220 213 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 214 — #4 i i i i i i Marko Razpet n-ti člen takega zaporedja enak 1 + (n− 1)(k− 2). Vsota prvih n členov pa je enaka produktu aritmetične sredine prvega in zadnjega člena s številom členov, torej V (k)n = n 2 (2 + (n− 1)(k − 2)). (3) V posebnih primerih dobimo za k = 3 trikotnǐska števila Tn, za k = 4 kvadratna Qn in za k = 5 petkotnǐska Pn: Tn = V (3) n = n(n+ 1) 2 , Qn = V (4) n = n 2, Pn = V (5) n = n(3n− 1) 2 . Večkotnǐska števila V (k) n za n > 1 klasično ponazorimo kot število točk v oglǐsčih in na stranicah n−1 pravilnih k-kotnikov v skupni ravnini. Pri tem njihove stranice naraščajo v aritmetičnem zaporedju. Vsi k-kotniki imajo skupno oglǐsče A, iz A izhajajoči stranici pa ležita na skupnih poltrakih s krajǐsčem v A. Oglǐsča mnogokotnikov označimo z debeleǰso točko, nato na stranice znotraj kota med poltrakoma dodamo toliko takih točk, da bo število točk na vseh stranicah posameznih k-kotnikov enako. Število vseh točk take figure je V (k) n . Pri tem je V (k) 1 = 1 in V (k) 2 = n za vsak k ≥ 3. Na sliki 1 levo je predstavljeno četrto petkotnǐsko število. Številke na sliki pomenijo, do kod je treba prešteti točke, da dobimo ustrezno petkotnǐsko število. Prva štiri petkotnǐska števila so 1, 5, 12, 22. Večkotnǐska števila lahko ponazorimo tudi pahljačasto. Vzamemo pol- traka s skupnim krajǐsčem A. Poltraka naj oklepata primerno velik kot. Nato v tem kotu med poltrakoma načrtamo krožne loke s sredǐsčem v A, njihove polmere pa izberemo v aritmetičnem zaporedju. Na prvi lok in na poltraka v enakih razdaljah nanesemo 1+(k−2) točk, na drugega 1+2(k−2), . . . , na n-tega 1 + n(k − 2) točk. Vseh točk, skupaj z A, na taki figuri je ravno V (k) n . Na sliki 1 desno je pahljačasto predstavljeno četrto petkotnǐsko število. Z večkotnǐskimi števili so se ukvarjali že pitagorejci, v 1. in 2. stoletju Nikomah iz Gerase, v 3. stoletju Diofant iz Aleksandrije, kasneje pa tudi Fermat, Euler, Lagrange, Cauchy in drugi. V nadaljevanju članka uporabljamo pahljačasto predstavitev večkotni- ških števil, ki jo je za večje k laže izdelati z računalnikom kot klasično, v kateri uporabimo pravilne k-kotnike. Kvadratna števila x2, y2 in z2 nastopajo v (1), to je v definiciji kongrua. Sedaj pa v relacijah (1) nadomestimo kvadratna števila u2 z večkotnǐskimi V (k) u za u ∈ {x, y, z} in k ≥ 3, pri čemer so x, y in z naravna števila, za katera je x < y < z. Število N pa nadomestimo z nekim naravnim številom N (k). Dobimo relaciji V (k)x +N (k) = V (k)y , V (k) y +N (k) = V (k)z . (4) 214 Obzornik mat. fiz. 66 (2019) 6 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 215 — #5 i i i i i i Kongrui večkotniških števil Slika 1. Klasična in pahljačasta predstavitev števila P4 = 22. Če taka naravna števila x, y, z in N (k) obstajajo, bomo število N (k) ime- novali k-kongruum. Običajni kongrui so 4-kongrui, ki smo jih definirali v Uvodu. Videli smo, da le-ti obstajajo. Zastavlja se seveda vprašanje, ali ob- stajajo k-kongrui za vse k ≥ 3. Za 3 ≤ k ≤ 12 se da ob pomoči računalnika neposredno ugotoviti, da obstajajo. Predpostavimo, da naravna števila x, y, z in N (k) v (4) obstajajo. Potem se relaciji (4) z upoštevanjem formule (3) izražata takole: x 2 (2 + (k − 2)(x− 1)) +N (k) = y 2 (2 + (k − 2)(y − 1)), y 2 (2 + (k − 2)(y − 1)) +N (k) = z 2 (2 + (k − 2)(z − 1)). Če ju preuredimo in odpravimo ulomke, dobimo enakovredni relaciji (2(k − 2)x− (k − 4))2 + 8(k − 2)N (k) = (2(k − 2)y − (k − 4))2, (2(k − 2)y − (k − 4))2 + 8(k − 2)N (k) = (2(k − 2)z − (k − 4))2. Ker je k ≥ 3 in x ≥ 1, so števila X = 2(k− 2)x− (k− 4), Y = 2(k− 2)y− (k− 4), Z = 2(k− 2)z− (k− 4) in M (k) = 8(k − 2)N (k) naravna in zadoščajo sistemu diofantskih enačb X2 +M (k) = Y 2, Y 2 +M (k) = Z2. 211–220 215 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 216 — #6 i i i i i i Marko Razpet Pri tem je X < Y < Z in M (k) običajni kongruum. Če izločimo M (k) iz zgornjih enačb, dobimo diofantsko enačbo X2 + Z2 = 2Y 2. Enačba ima trivialno rešitev X = Y = Z = n za vsako celo število n. Ta ne pride v poštev. Vemo pa tudi, da morata biti X in Z iste parnosti. Enačbo pomnožimo na obeh straneh z 2 in jo zapǐsemo v obliki (Z −X)2 + (Z +X)2 = (2Y )2. To pa pomeni, da morajo števila Z −X,Z +X, 2Y sestavljati pitagorejsko trojico. Zato obstaja primitivna pitagorejska trojica (a, b, c), kjer je a < b in a2 + b2 = c2, in naravno število λ, tako da veljajo zveze Z −X = λa, Z +X = λb, 2Y = λc. Ker je v primitivni pitagorejski trojici (a, b, c) število c vedno liho število, mora biti λ sodo število: λ = 2µ. Število µ je naravno. Potemtakem lahko zapǐsemo Z −X = 2µa, Z +X = 2µb, Y = µc. Iz prvih dveh enačb izrazimo X in Z. Zapǐsimo po vrsti: X = µ(b− a), Y = µc, Z = µ(b+ a). To so naravna števila. Ustrezni kongruum je M (k) = Y 2 −X2 = µ2(c2 − (b− a)2) = 2µ2ab, ki je tudi naravno število. Nazadnje imamo x = µ(b− a) + k − 4 2(k − 2) , y = µc+ k − 4 2(k − 2) , z = µ(b+ a) + k − 4 2(k − 2) . (5) Tu pa nastane težava, ker števila x, y in z niso vedno naravna. Da dobimo rešitev problema, je treba izbrati primitivno pitagorejsko trojico (a, b, c) in naravno število µ tako, da bodo x, y in z naravna števila. Pripomnimo, da so b−a, b+a in c liha števila. Za k-kongruum N (k) dobimo preprost izraz N (k) = µ2ab 4(k − 2) . (6) Število M (k) = 8(k − 2)N (k) = 2µ2ab je običajni kongruum. Pogoj, da je 8(k−2)N kongruum, je zato potreben pogoj, da je naravno število N k-kongruum. Pogoj pa ni zadosten. Število 12 ni 3-kongruum, 216 Obzornik mat. fiz. 66 (2019) 6 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 217 — #7 i i i i i i Kongrui večkotniških števil čeprav je 8 ·12 = 96 kongruum, saj je 22 +96 = 102 in 102 +96 = 142. Če bi število 12 bilo 3-kongruum, bi morala veljati relacija (6), to je µ2ab/4 = 12 oziroma µ2 = 48/(ab), pri čemer je µ naravno število, a in b pa tuji si kateti primitivnega pitagorejskega trikotnika. To pomeni a ≥ 3, b ≥ 4 in ab ≤ 48. V poštev pride samo a = 3 in b = 4, kar nam da µ = 2 in po (5) necele x, y in z. Zato 12 ni 3-kongruum. Primeri Iskanja k-kongruov si ne moremo zamisliti brez uporabe ustreznih računalni- ških programov. Napisati je treba program, ki nam bo iskal pri danem k naravna števila x, y in z po zgoraj razvitih formulah. Generiranje primi- tivnih pitagorejskih trojic (a, b, c) s parametroma p in q ne dela težav. V program vključimo tudi parameter µ. Vse tri parametre spreminjamo do neke, morda precej visoke vrednosti, in prej ali slej nam le uspe najti na- ravna števila x, y in z. To je sicer groba metoda, ki pa nam za manǰse k le da rezultate. Oglejmo si nekaj izbranih primerov. 1. Za trikotnǐska števila Tn je 3-kongruum T = N (3) = µ2ab/4 in pri naravnih številih x, y, z, kjer je x < y < z, mora veljati Tx + T = Ty, Ty + T = Tz. Za neko primitivno pitagorejsko trojico (a, b, c) in naravno število µ morajo biti števila x = µ(b− a)− 1 2 , y = µc− 1 2 , z = µ(b+ a)− 1 2 , ki jih dobimo iz (5), naravna. Faktor µ mora biti liho število. Za primitivno pitagorejsko trojico (a, b, c) = (8, 15, 17) in µ = 1 dobimo x = 3, y = 8, z = 11 in T = 30. Število 8T = 240 je običajni kongruum. Grafično ponazo- ritev predstavlja slika 2. Slika tudi ponazarja, kako bi v grškem antičnem gledalǐsču lahko posedli 30 v rdeče in 30 v modro oblečenih oseb, pri čemer število sedežev z vǐsino narašča za 1, pri tem pa v rdeče oblečene osebe polno zasedajo nekaj zaporednih vrst, takoj za njimi pa v modro oblečene osebe polno zasedajo nekaj nadaljnjih zaporednih vrst. Do takega problema pridemo tudi, če v zaporedju naravnih števil ǐsčemo števila x+ 1, x+ 2, . . . , y; y + 1, y + 2, . . . , z, za katera velja (x+ 1) + (x+ 2) + · · ·+ y = (y + 1) + (y + 2) + · · ·+ z. 211–220 217 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 218 — #8 i i i i i i Marko Razpet Slika 2. T3 + 30 = T8, T8 + 30 = T11. Najmanǰsi tak primer je 1, 2; 3 za x = 0, y = 2 in z = 3, ker je 1 + 2 = 3. Ta izjema je v skladu s 3-kongruum, če privzamemo, da je T0 = 0. Za pitagorejsko trojico (a, b, c), v kateri je b−a = 1, je lahko x katerokoli naravno število ali 0. Za (a, b, c) = (3, 4, 5) vzamemo µ = 2x+ 1 in dobimo y = 5x+2 in z = 7x+3. Ustrezni 3-kongruum je T = 3(2x+1)2. Prav tako z (a, b, c) = (20, 21, 29) za µ = 2x+ 1 dobimo 3-kongruum T = 105(2x+ 1)2 in y = 29x+ 14 ter z = 41x+ 20. Števila 8T so, kot smo že videli, običajni kongrui. To se pravi, da so števila 24(2x + 1)2 in 840(2x + 1)2 običajni kongrui. Opazimo, da je v teh primerh 3-kongruum T deljiv s 3. Ni pa težko dokazati, da je vsak 3-kongruum deljiv s 3. Neskončno zaporedje 3-kongruov se začne s 3, 15, 27, 30, 42, 75, 90, 105, 135, 147, 165, 243, 252. 2. Za kvadratna števila Qn je 4-kongruum Q = N (4) = µ2ab/8 in pri naravnih številih x, y, z, kjer je x < y < z, mora veljati Qx +Q = Qy, Qy +Q = Qz. Za neko primitivno pitagorejsko trojico (a, b, c) in naravno število µ morajo biti števila x = µ(b− a) 4 , y = µc 4 , z = µ(b+ a) 4 , ki jih dobimo iz (5), naravna. Faktor µ mora biti deljiv s 4. Za primitivno pitagorejsko trojico (a, b, c) = (3, 4, 5) in µ = 8 dobimo x = 2, y = 10, z = 14 in Q = 96. Grafično ponazoritev predstavlja slika 3. 3. Za petkotnǐska ali pentagonalna števila Pn je 5-kongruum P = N (5) = µ2ab/12 in pri naravnih številih x, y, z, kjer je x < y < z, mora veljati Px + P = Py, Py + P = Pz. 218 Obzornik mat. fiz. 66 (2019) 6 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 219 — #9 i i i i i i Kongrui večkotniških števil Slika 3. Q2 + 96 = Q10, Q10 + 96 = Q14. Za neko primitivno pitagorejsko trojico (a, b, c) in naravno število µ morajo biti števila x = µ(b− a) + 1 6 , y = µc+ 1 6 , z = µ(b+ a) + 1 6 , ki jih dobimo iz (5), naravna. Faktor µ mora biti liho število. Za primitivno pitagorejsko trojico (a, b, c) = (33, 56, 65) in µ = 1 dobimo x = 4, y = 11, z = 15 in P = 154, ki je najmanǰsi 5-kongruum. Običajni kongruum je število 24P = 3696. Grafično ponazoritev predstavlja slika 4. Slika 4. P4 + 154 = P11, P11 + 154 = P15. 211–220 219 i i “Razpet” — 2020/3/12 — 8:12 — page 220 — #10 i i i i i i Marko Razpet 4. Tako lahko nadaljujemo s kongrui v nedogled. Za primere vze- mimo šestkotnǐska ali heksagonalna števila V (6) n = n(2n − 1), sedemko- tnǐska ali heptagonalna števila V (7) n = n(5n − 3)/2, osemkotnǐska ali ok- tagonalna števila V (8) n = n(3n − 2), devetkotnǐska ali eneagonalna števila V (9) n = n(7n−5)/2, desetkotnǐska ali dekagonalna števila V (10)n = n(4n−3), enajstkotnǐska ali hendekagonalna števila V (11) n = n(9n− 7)/2 in dvanajst- kotnǐska ali dodekagonalna števila V (12) n = n(5n−4). V tabeli navajamo po en primer za 4 ≤ k ≤ 12. Dobljeni so ob pomoči računalnika. Več primerov bi zahtevalo veliko dalǰsi članek. k (a, b, c) (x, y, z) µ N (k) 4 (3,4,5) (1,5,7) 4 24 5 (33,56,65) (4,11,15) 1 154 6 (20,21,29) (1,22,31) 6 945 7 (65,72,97) (1,10,14) 1 234 8 (33,56,65) (8,22,30) 4 1232 9 (133,156,205) (2,15,21) 1 741 10 (88,105,137) (11,86,121) 10 28875 11 (279,440,521) (63,203,280) 7 167090 12 (95,168,193) (15,39,53) 4 6384 Za konec Problemi v zvezi s k-kongrui so približno enaki kot s klasičnimi kongrui. Ali obstajajo k-kongrui za vsa naravna števila od 3 naprej? Katera števila so k-kongrui? Kako jih učinkovito najti? Kako poiskati ustrezna števila x, y in z? Ali imajo k-kongrui neko uporabnost? Za najvztrajneǰse pa še splošna naloga. Za naraščajoče aritmetično za- poredje (ak) ∞ k=1 z diferenco d, kjer so ak naravna števila, izdelajte metodo za iskanje indeksov x, y in z (x < y < z), za katere velja enakost ax+1 + ax+2 + · · ·+ ay = ay+1 + ay+2 + · · ·+ az. LITERATURA [1] E. Deza in M. Deza, Figurate numbers, World Scientific, Hackensack (NJ) 2012. [2] L. P. Fibonacci, The book of squares, Academic Press, Boston in drugje 1987. Prevod L. E. Sigler. [3] J. Grasselli, Enciklopedija števil, DMFA – založnǐstvo, Ljubljana 2008. [4] I. Vidav, Algebra, Mladinska knjiga, Ljubljana 1972. [5] I. Vidav, Eliptične krivulje in eliptične funkcije, DMFA – založnǐstvo, Ljubljana 1991. 220 Obzornik mat. fiz. 66 (2019) 6