Summe von drei Kubikzahlen

Einfach-logarithmischer Graph der Lösungen der Gleichung x3 + y3 + z3 = n mit ganzzahligen x, y und z, und n aus [0, 100]. Grüne Balken bedeuten, dass es für diese n nachweislich keine Lösungen gibt.

Welche Eigenschaft muss eine ganze Zahl n Z {\displaystyle n\in \mathbb {Z} } haben, damit sie als Summe dreier Kubikzahlen x 3 ,   y 3 {\displaystyle x^{3},\ y^{3}} und z 3 {\displaystyle z^{3}} mit ganzzahligen Basen x , y , z Z {\displaystyle x,y,z\in \mathbb {Z} } darstellbar ist?
Wie lauten zu einer gegebenen Zahl n {\displaystyle n} mögliche Zahlentripel x ,   y {\displaystyle x,\ y} und z {\displaystyle z} , so dass n = x 3 + y 3 + z 3 {\displaystyle n=x^{3}+y^{3}+z^{3}} erfüllt ist? Wie viele Lösungen gibt es für eine gegebene Zahl n {\displaystyle n} ?

Die Lösungen dieser diophantischen Gleichung für gegebene n {\displaystyle n} ist ein seit 160 Jahren ungelöstes Problem der Zahlentheorie.[1]

Lösungen der Gleichung

Darstellungen für n = 0

Die einfachste triviale Darstellung für n = 0 {\displaystyle n=0} als Summe dreier Kubikzahlen lautet:

0 = 0 3 + 0 3 + 0 3 {\displaystyle 0=0^{3}+0^{3}+0^{3}} .

Weitere triviale Darstellungen lauten:

0 = 0 3 + a 3 + ( a ) 3 {\displaystyle 0=0^{3}+a^{3}+(-a)^{3}}  mit  a Z {\displaystyle a\in \mathbb {Z} } .

Nichttriviale Darstellungen existieren nicht.

Beweis:
Angenommen, es existiert eine nichttriviale Darstellung der Form 0 = x 3 + y 3 + z 3 {\displaystyle 0=x^{3}+y^{3}+z^{3}} mit x , y , z 0 {\displaystyle x,y,z\not =0} . Genau eine oder zwei der Variablen x , y , z {\displaystyle x,y,z} müssen negativ sein, denn sie können nicht alle drei gleichzeitig positiv oder negativ sein. Ohne Bedingung der Allgemeinheit kann angenommen werden, dass x > 0 , y > 0 , z < 0 {\displaystyle x>0,y>0,z<0} (Im Fall von zwei negativen Variablen, betrachtet man die Lösung x , y , z {\displaystyle -x,-y,-z} ). Bringt man z 3 {\displaystyle z^{3}} auf die rechte Seite, erhält man mit x 3 + y 3 = z 3 {\displaystyle x^{3}+y^{3}=-z^{3}} eine ganzzahlige Lösung für die Gleichung x 3 + y 3 = z 3 {\displaystyle x^{3}+y^{3}=z'^{3}} mit z = z > 0 {\displaystyle z'=-z>0} . Dies steht aber im Widerspruch zum auf Kubikzahlen angewendeten Großen Fermatscher Satz, der besagt, dass die Gleichung x 3 + y 3 = z 3 {\displaystyle x^{3}+y^{3}=z^{3}} für positive ganze Zahlen x , y , z N {\displaystyle x,y,z\in \mathbb {N} } keine Lösungen besitzt. Somit muss die Annahme fallengelassen werden, was bedeutet, dass es keine nichttriviale Darstellung der Form x 3 + y 3 + z 3 = 0 {\displaystyle x^{3}+y^{3}+z^{3}=0} geben kann.  ∎ 

Darstellungen für n = 1

Die triviale Darstellung für n = 1 {\displaystyle n=1} als Summe dreier Kubikzahlen lautet:

1 = 0 3 + 0 3 + 1 3 {\displaystyle 1=0^{3}+0^{3}+1^{3}} .

Neben dieser existieren aber auch weitere Darstellungen, wie z. B.:

1 = ( 6 ) 3 + ( 8 ) 3 + 9 3 {\displaystyle 1=(-6)^{3}+(-8)^{3}+9^{3}}
. . . {\displaystyle ...}
1 = 131769 3 + ( 131802 ) 3 + 11980 3 {\displaystyle 1=131769^{3}+(-131802)^{3}+11980^{3}} .

Neben diesen Einzellösungen existieren aber auch ganze Familien von Darstellungen. Die einfachste lautet:

1 = c 3 + ( c ) 3 + 1 3 {\displaystyle 1=c^{3}+(-c)^{3}+1^{3}}  mit  c Z {\displaystyle c\in \mathbb {Z} } .

Zwei kompliziertere Lösungsfamilien wurden im Jahr 1936 vom Mathematiker Kurt Mahler entdeckt:[1]

1 = ( 9 c 4 ) 3 + ( ± 3 c 9 c 4 ) 3 + ( 1 9 c 3 ) 3 {\displaystyle 1=(9c^{4})^{3}+(\pm 3c-9c^{4})^{3}+(1\mp 9c^{3})^{3}}  mit  c Z {\displaystyle c\in \mathbb {Z} }
    = 729 c 12 4 ± 27 c 3 1 243 c 6 2 ± 729 c 9 3 729 c 12 4 + 1 27 c 3 1 + 243 c 6 2 729 c 9 3 = 1 {\displaystyle \ \ =\underbrace {\bcancel {729c^{12}}} _{4}\quad \pm \underbrace {\bcancel {27c^{3}}} _{1}-\underbrace {\bcancel {243c^{6}}} _{2}\pm \underbrace {\bcancel {729c^{9}}} _{3}-\underbrace {\bcancel {729c^{12}}} _{4}\quad +1\mp \underbrace {\bcancel {27c^{3}}} _{1}+\underbrace {\bcancel {243c^{6}}} _{2}\mp \underbrace {\bcancel {729c^{9}}} _{3}=1}

wie auch folgende:[1]

1 = ( 135 c 4 + 3888 c 10 ) 3 + ( 3 c 81 c 4 1296 c 7 3888 c 10 ) 3 + ( 1 9 c 3 + 648 c 6 + 3888 c 9 ) 3 {\displaystyle 1=(-135c^{4}+3888c^{10})^{3}+(3c-81c^{4}-1296c^{7}-3888c^{10})^{3}+(1-9c^{3}+648c^{6}+3888c^{9})^{3}}  mit  c Z {\displaystyle c\in \mathbb {Z} } .

Für n = 1 {\displaystyle n=1} lieferte Lehmer unendlich viele polynomische Lösungsfamilien[2]. Neben

( x c , 0 , y c , 0 , z c , 0 ) = ( 9 c 4 , + 3 c 9 c 4 , 1 9 c 3 ) {\displaystyle (x_{c,0},y_{c,0},z_{c,0})=(9c^{4},+3c-9c^{4},1-9c^{3})} ,
( x c , 1 , y c , 1 , z c , 1 ) = ( 9 c 4 , 3 c 9 c 4 , 1 + 9 c 3 ) {\displaystyle (x_{c,1},y_{c,1},z_{c,1})=(9c^{4},-3c-9c^{4},1+9c^{3})}

lassen sich für jedes einzelne c Z {\displaystyle c\in \mathbb {Z} } unendlich viele weitere Tripel ( x c , k , y c , k , z c , k ) {\displaystyle (x_{c,k},y_{c,k},z_{c,k})} mit k 2 {\displaystyle k\geq 2} rekursiv mittels

x c , k = 2 ( 216 c 6 1 ) x c , k 1 x c , k 2 108 c 4 {\displaystyle x_{c,k}=2\,(216c^{6}-1)x_{c,k-1}-x_{c,k-2}-108c^{4}} ,
y c , k = 2 ( 216 c 6 1 ) y c , k 1 y c , k 2 108 c 4 {\displaystyle y_{c,k}=2\,(216c^{6}-1)y_{c,k-1}-y_{c,k-2}-108c^{4}} und
z c , k = 2 ( 216 c 6 1 ) z c , k 1 z c , k 2 + 216 c 6 + 4 {\displaystyle z_{c,k}=2\,(216c^{6}-1)z_{c,k-1}-z_{c,k-2}+216c^{6}+4}

konstruieren.[2] Für k = 0 {\displaystyle k=0} und 1 {\displaystyle 1} erhält man die einfachen Lösungen von Kurt Mahler, für k = 2 {\displaystyle k=2} die kompliziertere.

Darstellungen für n = 2

Die triviale Darstellung für n = 2 {\displaystyle n=2} als Summe dreier Kubikzahlen lautet:

2 = 0 3 + 1 3 + 1 3 {\displaystyle 2=0^{3}+1^{3}+1^{3}} .

Eine im Jahr 1908 entdeckte nichttriviale Darstellungs-Familie lautet[1]

2 = ( 1 + 6 c 3 ) 3 + ( 1 6 c 3 ) 3 + ( 6 c 2 ) 3 {\displaystyle 2=(1+6c^{3})^{3}+(1-6c^{3})^{3}+(-6c^{2})^{3}}  mit  c Z {\displaystyle c\in \mathbb {Z} } .

Weitere bekannte Darstellungen, die nicht der obigen Familie angehören, sind:

2 = 1214928 3 + 3480205 3 + ( 3528875 ) 3 2 = 37404275617 3 + ( 25282289375 ) 3 + ( 33071554596 ) 3 2 = 3737830626090 3 + 1490220318001 3 + ( 3815176160999 ) 3 {\displaystyle {\begin{array}{lrcrcr}2=&1214928^{3}&+&3480205^{3}&+&(-3528875)^{3}\\2=&37404275617^{3}&+&(-25282289375)^{3}&+&(-33071554596)^{3}\\2=&3737830626090^{3}&+&1490220318001^{3}&+&(-3815176160999)^{3}\end{array}}}

Darstellungen für n = 3

Bis September 2019 waren die einzigen bekannten Darstellungen für n = 3 {\displaystyle n=3} als Summe dreier Kubikzahlen folgende:

3 = 1 3 + 1 3 + 1 3 {\displaystyle 3=1^{3}+1^{3}+1^{3}}  und
3 = 4 3 + 4 3 + ( 5 ) 3 {\displaystyle 3=4^{3}+4^{3}+(-5)^{3}}

Überraschenderweise wurde im September 2019 eine weitere Darstellung entdeckt:[3]

3 = 569936821221962380720 3 + ( 569936821113563493509 ) 3 + ( 472715493453327032 ) 3 {\displaystyle 3=569936821221962380720^{3}+(-569936821113563493509)^{3}+(-472715493453327032)^{3}}

Man weiß nicht, ob es nur diese drei, endlich viele oder unendlich viele Darstellungen für n = 3 {\displaystyle n=3} gibt.

Darstellungen für n = 4 und 5

Für n = 4 {\displaystyle n=4} und 5 {\displaystyle 5} gibt es keine Lösungen.

Darstellungen für n = 6

Es gibt mehrere Darstellungen; die für | x | | y | | z | 1000 {\displaystyle |x|\leq |y|\leq |z|\leq 1000} lauten:

6 = ( 1 ) 3 + ( 1 ) 3 + 2 3 {\displaystyle 6=(-1)^{3}+(-1)^{3}+2^{3}}
6 = ( 43 ) 3 + ( 58 ) 3 + 65 3 {\displaystyle 6=(-43)^{3}+(-58)^{3}+65^{3}}
6 = ( 55 ) 3 + ( 235 ) 3 + 236 3 {\displaystyle 6=(-55)^{3}+(-235)^{3}+236^{3}}
6 = ( 205 ) 3 + ( 637 ) 3 + 644 3 {\displaystyle 6=(-205)^{3}+(-637)^{3}+644^{3}}

Darstellungen für n = 7

Es gibt mehrere Darstellungen; die für | x | | y | | z | 1000 {\displaystyle |x|\leq |y|\leq |z|\leq 1000} lauten:

7 = 0 3 + ( 1 ) 3 + 2 3 {\displaystyle 7=0^{3}+(-1)^{3}+2^{3}}
7 = 32 3 + 104 3 + ( 105 ) 3 {\displaystyle 7=32^{3}+104^{3}+(-105)^{3}}
7 = 44 3 + 168 3 + ( 169 ) 3 {\displaystyle 7=44^{3}+168^{3}+(-169)^{3}}

Konstruierbare Lösungen für n = k3m

Lässt sich n {\displaystyle n} als Produkt einer Kubikzahl k 3 {\displaystyle k^{3}} und einer Zahl m {\displaystyle m} darstellen, erbt diese Zahl n {\displaystyle n} alle Lösungen der Zahl m {\displaystyle m} auf folgende Weise:

m = x 3 + y 3 + z 3 n = k 3 m = k 3 ( x 3 + y 3 + z 3 ) n = k 3 m = ( k x ) 3 + ( k y ) 3 + ( k z ) 3 {\displaystyle m=x^{3}+y^{3}+z^{3}\quad \longrightarrow \quad n=k^{3}m=k^{3}(x^{3}+y^{3}+z^{3})\quad \longrightarrow \quad n=k^{3}m=(kx)^{3}+(ky)^{3}+(kz)^{3}}
Beispiel
1 = ( 6 ) 3 + ( 8 ) 3 + 9 3 8 = ( 12 ) 3 + ( 16 ) 3 + 18 3 {\displaystyle 1=(-6)^{3}+(-8)^{3}+9^{3}\quad \longrightarrow \quad 8=(-12)^{3}+(-16)^{3}+18^{3}}

Jeweils kleinste Darstellungen für n = 0 bis 107

Folgende Tabelle enthält für 0 n 107 ,   n N 0 {\displaystyle 0\leq n\leq 107,\ n\in \mathbb {N} _{0}} die jeweils kleinsten Lösungen der Gleichung n = x 3 + y 3 + z 3 {\displaystyle n=x^{3}+y^{3}+z^{3}} mit | x | | y | | z | {\displaystyle |x|\leq |y|\leq |z|} ,   x , y , z Z {\displaystyle \ x,y,z\in \mathbb {Z} } :[4]

  Tabelle für 0 n 107 ,   n N 0 {\displaystyle 0\leq n\leq 107,\ n\in \mathbb {N} _{0}} der jeweils kleinsten Lösungen der Gleichung n = x 3 + y 3 + z 3 {\displaystyle n=x^{3}+y^{3}+z^{3}} mit | x | | y | | z | {\displaystyle |x|\leq |y|\leq |z|} ,   x , y , z Z {\displaystyle \ x,y,z\in \mathbb {Z} }
für 0 n 26 {\displaystyle 0\leq n\leq 26}
n {\displaystyle n} x {\displaystyle x} y {\displaystyle y} z {\displaystyle z}
0 0 0 0
1 0 0 1
2 0 1 1
3 1 1 1
4 keine Lösung
5
6 −1 −1 2
7 0 −1 2
8 0 0 2
9 0 1 2
10 1 1 2
11 −2 −2 3
12 7 10 −11
13 keine Lösung
14
15 −1 2 2
16 0 2 2
17 1 2 2
18 −1 −2 3
19 0 −2 3
20 1 −2 3
21 −11 −14 16
22 keine Lösung
23
24 2 2 2
25 −1 −1 3
26 0 −1 3
für 27 n 53 {\displaystyle 27\leq n\leq 53}
n {\displaystyle n} x {\displaystyle x} y {\displaystyle y} z {\displaystyle z}
27 0 0 3
28 0 1 3
29 1 1 3
30 −283059965 −2218888517 2220422932
31 Es existiert keine Lösung.
32
33 −2736111468807040 −8778405442862239 8866128975287528
34 −1 2 3
35 0 2 3
36 1 2 3
37 0 −3 4
38 1 −3 4
39 117367 134476 −159380
40 Es existiert keine Lösung.
41
42 12602123297335631 80435758145817515 −80538738812075974
43 2 2 3
44 −5 −7 8
45 2 −3 4
46 −2 3 3
47 6 7 −8
48 −2 −2 4
49 Es existiert keine Lösung.
50
51 602 659 −796
52 23961292454 60702901317 −61922712865
53 −1 3 3
für 54 n 80 {\displaystyle 54\leq n\leq 80}
n {\displaystyle n} x {\displaystyle x} y {\displaystyle y} z {\displaystyle z}
54 0 3 3
55 1 3 3
56 0 −2 4
57 1 −2 4
58 Es existiert keine Lösung.
59
60 −1 −4 5
61 0 −4 5
62 2 3 3
63 0 −1 4
64 0 0 4
65 0 1 4
66 1 1 4
67 Es existiert keine Lösung.
68
69 2 −4 5
70 11 20 −21
71 −1 2 4
72 7 9 −10
73 1 2 4
74 66229832190556 283450105697727 −284650292555885
75 4381159 435203083 −435203231
76 Es existiert keine Lösung.
77
78 26 53 −55
79 −19 −33 35
80 −6 −6 8
für 81 n 107 {\displaystyle 81\leq n\leq 107}
n {\displaystyle n} x {\displaystyle x} y {\displaystyle y} z {\displaystyle z}
81 3 3 3
82 −11 −11 14
83 −2 3 4
84 −8241191 −41531726 41639611
85 Es existiert keine Lösung.
86
87 −1972 −4126 4271
88 3 −4 5
89 6 6 −7
90 −1 3 4
91 0 3 4
92 1 3 4
93 −5 −5 7
94 Es existiert keine Lösung.
95
96 14 20 −22
97 −1 −3 5
98 0 −3 5
99 2 3 4
100 −3 −6 7
101 −3 4 4
102 118 229 −239
103 Es existiert keine Lösung.
104
105 −4 −7 8
106 2 −3 5
107 −28 −48 51


[5][6][7][8][9]

Chronologie der Entdeckungen

1954
Miller und Woolet fanden 69 der 78 möglichen Lösungen für 1 n 100 {\displaystyle 1\leq n\leq 100} per Brute-Force-Suche aller Kombinationen | x | | y | | z | 2164 {\displaystyle |x|\leq |y|\leq |z|\leq 2164} .[1]
Unbekannt blieben die Lösungen der neun Zahlen 30 ,   33 ,   39 ,   42 ,   52 ,   74 ,   75 ,   84 {\displaystyle 30,\ 33,\ 39,\ 42,\ 52,\ 74,\ 75,\ 84} und 87 {\displaystyle 87} .
Die letzten 5 der 69 gefundenen Zerlegungen lauten:
70 = 11 3 + 20 3 + ( 21 ) 3 {\displaystyle 70=11^{3}+20^{3}+(-21)^{3}}
96 = 14 3 + 20 3 + ( 22 ) 3 {\displaystyle 96=14^{3}+20^{3}+(-22)^{3}}
79 = ( 19 ) 3 + ( 33 ) 3 + 35 3 {\displaystyle 79=(-19)^{3}+(-33)^{3}+35^{3}}
78 = 26 3 + 53 3 + ( 55 ) 3 {\displaystyle 78=26^{3}+53^{3}+(-55)^{3}}
51 = 602 3 + 659 3 + ( 796 ) 3 {\displaystyle 51=602^{3}+659^{3}+(-796)^{3}}
1963
Gardiner, Lazarus und Stein suchten weiter mit | x | | y | 2 16 {\displaystyle |x|\leq |y|\leq 2^{16}} und 0 z x 2 16 {\displaystyle 0\leq z-x\leq 2^{16}} für 1 n 1000 {\displaystyle 1\leq n\leq 1000} .[1]
Für n 100 {\displaystyle n\leq 100} fanden sie folgende weitere Lösung:
87 = ( 1972 ) 3 + ( 4126 ) 3 + 4271 3 {\displaystyle 87=(-1972)^{3}+(-4126)^{3}+4271^{3}}
Für n 1000 {\displaystyle n\leq 1000} fanden sie 708 der 778 Lösungen.
Die letzten 5 der 708 gefundenen Zerlegungen lauten:
978 = 8666 3 + 40169 3 + ( 40303 ) 3 {\displaystyle 978=8666^{3}+40169^{3}+(-40303)^{3}}
402 = 37685 3 + 41378 3 + ( 49915 ) 3 {\displaystyle 402=37685^{3}+41378^{3}+(-49915)^{3}}
583 = ( 17419 ) 3 + ( 48223 ) 3 + ( 48969 ) 3 {\displaystyle 583=(-17419)^{3}+(-48223)^{3}+(48969)^{3}}
227 = 24579 3 + 51748 3 + ( 53534 ) 3 {\displaystyle 227=24579^{3}+51748^{3}+(-53534)^{3}}
971 = 7423 3 + 55643 3 + ( 55687 ) 3 {\displaystyle 971=7423^{3}+55643^{3}+(-55687)^{3}}
1992
Heath-Brown, Lioen und te Riele fanden folgende weitere Lösung:
39 = 117367 3 + 134476 3 + ( 159380 ) 3 {\displaystyle 39=117367^{3}+134476^{3}+(-159380)^{3}}
1994
Conn und Vaseršteĭn fanden folgende weitere Lösung:
84 = ( 8241191 ) 3 + ( 41531726 ) 3 + 41639611 3 {\displaystyle 84=(-8241191)^{3}+(-41531726)^{3}+41639611^{3}}
1999
Für n 100 {\displaystyle n\leq 100} waren bereits für 75 verschiedene n {\displaystyle n} Lösungen bekannt.
Es kamen hinzu:
75 = 4381159 3 + 435203083 3 + ( 435203231 ) 3 {\displaystyle 75=4381159^{3}+435203083^{3}+(-435203231)^{3}}
30 = ( 283059965 ) 3 + ( 2218888517 ) 3 + 2220422932 3 {\displaystyle 30=(-283059965)^{3}+(-2218888517)^{3}+2220422932^{3}}
52 = 23961292454 3 + 60702901317 3 + ( 61922712865 ) 3 {\displaystyle 52=23961292454^{3}+60702901317^{3}+(-61922712865)^{3}}
Damit fehlten nur noch die Lösungen für n = 33 ,   42 {\displaystyle n=33,\ 42} und 74 {\displaystyle 74} .
Für n 1000 {\displaystyle n\leq 1000} fanden sie 751 der 778 Lösungen.[1]
2007
fehlten nur noch für folgende n {\displaystyle n} zwischen 1 {\displaystyle 1} und 1000 {\displaystyle 1000} obige Darstellungen:[1]
33 ,   42 ,   74 ,   114 ,   165 ,   390 ,   579 ,   627 ,   633 ,   732 ,   795 ,   906 ,   921 {\displaystyle 33,\ 42,\ 74,\ 114,\ 165,\ 390,\ 579,\ 627,\ 633,\ 732,\ 795,\ 906,\ 921} und 975 {\displaystyle 975}
2016
wurde das Problem für n = 74 {\displaystyle n=74} von Sander Huisman gelöst:[6]
74 = ( 284650292555885 ) 3 + 66229832190556 3 + 283450105697727 3 {\displaystyle 74=(-284650292555885)^{3}+66229832190556^{3}+283450105697727^{3}}
2019
wurde das Problem für n = 33 {\displaystyle n=33} vom Mathematiker Andrew Booker mittels massivem Computer-Einsatz gelöst:[10][11]
33 = 8866128975287528 3 + ( 8778405442862239 ) 3 + ( 2736111468807040 ) 3 {\displaystyle 33=8866128975287528^{3}+(-8778405442862239)^{3}+(-2736111468807040)^{3}}
September 2019
wurde das Problem für die letzte verbliebene Zahl n 100 {\displaystyle n\leq 100} , nämlich für n = 42 {\displaystyle n=42} ebenfalls von Andrew Booker und dem Mathematiker Andrew Sutherland gelöst:[12][13]
42 = ( 80538738812075974 ) 3 + 80435758145817515 3 + 12602123297335631 3 {\displaystyle 42=(-80538738812075974)^{3}+80435758145817515^{3}+12602123297335631^{3}}
Da n = 42 {\displaystyle n=42} das letzte ungelöste Problem bis n 100 {\displaystyle n\leq 100} für diese Art von Gleichung war, wurde spaßeshalber ein Zusammenhang mit der Antwort 42 aus der mehrfach verfilmten Roman- und Hörspielreihe Per Anhalter durch die Galaxis des englischen Autors Douglas Adams hergestellt.[14]
bis Mitte 2020
wurden, ebenfalls von Andrew Booker und Andrew Sutherland, drei weitere Fälle gelöst:
165 = ( 385495523231271884 ) 3 + 383344975542639445 3 + 98422560467622814 3 {\displaystyle 165=(-385495523231271884)^{3}+383344975542639445^{3}+98422560467622814^{3}}
795 = ( 14219049725358227 ) 3 + 14197965759741571 3 + 2337348783323923 3 {\displaystyle 795=(-14219049725358227)^{3}+14197965759741571^{3}+2337348783323923^{3}}
906 = ( 74924259395610397 ) 3 + 72054089679353378 3 + 35961979615356503 3 {\displaystyle 906=(-74924259395610397)^{3}+72054089679353378^{3}+35961979615356503^{3}}
Eine Darstellung als Summe von drei Kubikzahlen ist somit nur noch für die folgenden acht Werte für n 1000 {\displaystyle n\leq 1000} unbekannt (Stand: 1. Juni 2020):[12]
114 ,   390 ,   579 ,   627 ,   633 ,   732 ,   921 {\displaystyle 114,\ 390,\ 579,\ 627,\ 633,\ 732,\ 921} und 975 {\displaystyle 975}
Momentan ist also die Gleichung 114 = x 3 + y 3 + z 3 {\displaystyle 114=x^{3}+y^{3}+z^{3}} diejenige mit dem kleinsten natürlichen n N 0 {\displaystyle n\in \mathbb {N} _{0}} , für die noch keine ganzzahlige Lösung bekannt ist.

Eigenschaften

  • Sei n = x 3 + y 3 + z 3 {\displaystyle n=x^{3}+y^{3}+z^{3}} ganzzahlig lösbar. Dann ist eine notwendige Bedingung für n {\displaystyle n} die folgende:
n ± 4 ( mod 9 ) {\displaystyle n\not \equiv \pm 4{\pmod {9}}}
  Ausführlicher Beweis dieses Satzes

Für den Beweis benötigen wir zuerst folgenden Hilfssatz:

Für jede Kubikzahl x 3 {\displaystyle x^{3}} mit x Z {\displaystyle x\in \mathbb {Z} } gilt:
x 3 1 ,   0    oder  + 1 ( mod 9 ) {\displaystyle x^{3}\equiv -1,\ 0\ {\text{ oder }}+1{\pmod {9}}}
Beweis dieses Hilfssatzes:
Wir testen alle neun möglichen Varianten x 0 8 ( mod 9 ) {\displaystyle x\equiv 0\ldots 8{\pmod {9}}} durch:
Für  x 0 ( mod 9 )  gilt:  x 3 0 3 = 0 0 ( mod 9 ) Für  x 1 ( mod 9 )  gilt:  x 3 1 3 = 1 + 1 ( mod 9 ) Für  x 2 ( mod 9 )  gilt:  x 3 2 3 = 8 1 ( mod 9 ) Für  x 3 ( mod 9 )  gilt:  x 3 3 3 = 27   0 ( mod 9 ) Für  x 4 ( mod 9 )  gilt:  x 3 4 3 = 64 + 1 ( mod 9 ) Für  x 5 ( mod 9 )  gilt:  x 3 5 3 = 125 1 ( mod 9 ) Für  x 6 ( mod 9 )  gilt:  x 3 6 3 = 216   0 ( mod 9 ) Für  x 7 ( mod 9 )  gilt:  x 3 7 3 = 343 + 1 ( mod 9 ) Für  x 8 ( mod 9 )  gilt:  x 3 8 3 = 512 1 ( mod 9 ) {\displaystyle {\begin{array}{rlr}{\text{Für }}x\equiv 0{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 0^{3}=0&0{\pmod {9}}\\{\text{Für }}x\equiv 1{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 1^{3}=1&+1{\pmod {9}}\\{\text{Für }}x\equiv 2{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 2^{3}=8&-1{\pmod {9}}\\{\text{Für }}x\equiv 3{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 3^{3}=27\equiv &\ 0{\pmod {9}}\\{\text{Für }}x\equiv 4{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 4^{3}=64\equiv &+1{\pmod {9}}\\{\text{Für }}x\equiv 5{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 5^{3}=125\equiv &-1{\pmod {9}}\\{\text{Für }}x\equiv 6{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 6^{3}=216\equiv &\ 0{\pmod {9}}\\{\text{Für }}x\equiv 7{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 7^{3}=343\equiv &+1{\pmod {9}}\\{\text{Für }}x\equiv 8{\pmod {9}}{\text{ gilt: }}&x^{3}\equiv 8^{3}=512\equiv &-1{\pmod {9}}\end{array}}}
Somit gilt für alle x Z {\displaystyle x\in \mathbb {Z} } , dass nur x 3 1 ,   0    oder  + 1 ( mod 9 ) {\displaystyle x^{3}\equiv -1,\ 0\ {\text{ oder }}+1{\pmod {9}}} sein kann,
womit dieser Hilfssatz bewiesen ist.

Beweis des Hauptsatzes:

Nun muss bewiesen werden, dass die Summe n {\displaystyle n} dreier Kubikzahlen nie n 4  oder  5 ( mod 9 ) {\displaystyle n\equiv 4{\text{ oder }}5{\pmod {9}}} sein kann.
Dazu addieren wir drei Zahlen x 3 , y 3  und  z 3 {\displaystyle x^{3},y^{3}{\text{ und }}z^{3}} mit jeweils der Eigenschaft
x 3 , y 3 , z 3 1 ,   0    oder  + 1 ( mod 9 ) {\displaystyle x^{3},y^{3},z^{3}\equiv -1,\ 0\ {\text{ oder }}{+1}{\pmod {9}}} .
Dabei sind für n = x 3 + y 3 + z 3 3 ,   , + 3 {\displaystyle n=x^{3}+y^{3}+z^{3}\equiv -3,\ \ldots ,+3} erreichbar, da
maximal drei positive Gewichte + 1 {\displaystyle +1} (ergibt dann + 3 {\displaystyle +3} ) oder
maximal drei negative Gewichte 1 {\displaystyle -1} (ergibt dann 3 {\displaystyle -3} ) addiert werden können.
Da n ± 4 5 ( mod 9 ) {\displaystyle n\equiv \pm 4\equiv -5{\pmod {9}}}
nicht n 3 ,   , + 3 ( mod 9 ) {\displaystyle n\equiv -3,\ \ldots ,+3{\pmod {9}}} erfüllen, sind sie durch keine der möglichen Summen erreichbar.
Somit ist immer n ± 4 ( mod 9 ) {\displaystyle n\not \equiv \pm 4{\pmod {9}}} , was zu zeigen war.  ∎ 
Es ist nicht bekannt, ob diese Eigenschaft für n {\displaystyle n} auch hinreichend ist (dann wäre nämlich das bis dato ungelöste Problem der Zahlentheorie, dem dieser Artikel gewidmet ist, gelöst). Es wurde jedoch von Heath-Brown vermutet, dass die diophantische Gleichung n = x 3 + y 3 + z 3 {\displaystyle n=x^{3}+y^{3}+z^{3}} für alle n ± 4 ( mod 9 ) {\displaystyle n\not \equiv \pm 4{\pmod {9}}} unendlich viele ganzzahlige Lösungen hat.[15]
  • Es gibt einige spezielle Beziehungen zwischen x {\displaystyle x} und n {\displaystyle n} , wie zum Beispiel die folgenden:[16]
Sei n = x 3 + y 3 + z 3 {\displaystyle n=x^{3}+y^{3}+z^{3}} ganzzahlig lösbar. Bei gegebenem n {\displaystyle n} gelten die folgenden Bedingungen für x {\displaystyle x} :
Wenn n + 2 ( mod 7 ) {\displaystyle n\equiv +2{\pmod {7}}} ist, muss gelten: x 0 , + 1 , + 2 {\displaystyle x\equiv 0,+1,+2} oder + 4 ( mod 7 ) {\displaystyle +4{\pmod {7}}} .
Wenn n 2 ( mod 7 ) {\displaystyle n\equiv -2{\pmod {7}}} ist, muss gelten: x 0 , 1 , 2 {\displaystyle x\equiv 0,-1,-2} oder 4 ( mod 7 ) {\displaystyle -4{\pmod {7}}} .
Wenn n + 3 ( mod 7 ) {\displaystyle n\equiv +3{\pmod {7}}} ist, muss gelten: x + 1 , + 2 {\displaystyle x\equiv +1,+2} oder + 4 ( mod 7 ) {\displaystyle +4{\pmod {7}}} .
Wenn n 3 ( mod 7 ) {\displaystyle n\equiv -3{\pmod {7}}} ist, muss gelten: x 1 , 2 {\displaystyle x\equiv -1,-2} oder 4 ( mod 7 ) {\displaystyle -4{\pmod {7}}} .

Wenn n + 2 ( mod 9 ) {\displaystyle n\equiv +2{\pmod {9}}} ist, muss gelten: x , y , z + 2 ( mod 3 ) {\displaystyle x,y,z\not \equiv +2{\pmod {3}}} .
Wenn n 2 ( mod 9 ) {\displaystyle n\equiv -2{\pmod {9}}} ist, muss gelten: x , y , z 2 ( mod 3 ) {\displaystyle x,y,z\not \equiv -2{\pmod {3}}} .
Wenn n + 3 ( mod 9 ) {\displaystyle n\equiv +3{\pmod {9}}} ist, muss gelten: x , y , z + 1 ( mod 3 ) {\displaystyle x,y,z\equiv +1{\pmod {3}}} .
Wenn n 3 ( mod 9 ) {\displaystyle n\equiv -3{\pmod {9}}} ist, muss gelten: x , y , z 1 ( mod 3 ) {\displaystyle x,y,z\equiv -1{\pmod {3}}} .

Jeweils kleinste Darstellungen für n = 0 bis 91 der OEIS entnehmen

Im Folgenden wird beschrieben, wie die kleinsten Lösungen für größere n den Listen Folge A060464 in OEIS ... Folge A060467 in OEIS zu entnehmen sind. Die vier Listen enthalten jeweils in gleicher Abfolge die Werte für n, x, y und z für Werte von n, für die eine Lösung existiert und bekannt ist. Es ist jeweils die Lösung mit | x | | y | | z | {\displaystyle |x|\leq |y|\leq |z|} enthalten.

Folge A060464 in OEIS enthält die n {\displaystyle n} :

00, 01, 02, 03,  06, 07, 08,
09, 10, 11, 12,  15, 16, 17,
18, 19, 20, 21,  24, 25, 26,
27, 28, 29, 30,  33, 34, 35,
36, 37, 38, 39,  42, 43, 44, …

Folge A060465 in OEIS enthält die x {\displaystyle x} :

0, 0, 0, 1, −1, 0, 0,
0, 1, −2, 7, −1, −511, 1,
−1, 0, 1, −11, −2901096694, −1, 0,
0, 0, 1, −283059965, −2736111468807040, −1, 0,
1, 0, 1, 117367, 12602123297335631, 2, −5, …

Folge A060466 in OEIS enthält die y {\displaystyle y} :

0, 0, 1, 1, −1, −1, 0,
1, 1, −2, 10, 2, −1609, 2,
−2, −2, −2, −14, −15550555555, −1, −1,
0, 1, 1, −2218888517, −8778405442862239, 2, 2,
2, −3, −3, 134476, 80435758145817515, 2, −7,

Folge A060467 in OEIS enthält die z {\displaystyle z} :

0, 1, 1, 1, 2, 2, 2,
2, 2, 3, −11, 2, 1626, 2,
3, 3, 3, 16, 15584139827, 3, 3,
3, 3, 3, 2220422932, 8866128975287528, 3, 3,
3, 4, 4, −159380, −80538738812075974, 3, 8, …

Beispiel für n = 24, dem 19. Eintrag

In obigen vier Listen wurde jeweils der 19. Eintrag fett markiert. Die Werte lauten:

n = 24
x = −2901096694
y = −15550555555
z = 15584139827

Die kleinstmögliche Darstellung für n = 24 lautet damit:

24 = ( 2901096694 ) 3 + ( 15550555555 ) 3 + 15584139827 3 {\displaystyle 24=(-2901096694)^{3}+(-15550555555)^{3}+15584139827^{3}}

Trivia

  • Für x , y , z Q {\displaystyle x,y,z\in \mathbb {Q} } existieren immer Lösungen. Für eine gegebene Zahl n > 0 {\displaystyle n>0} und einen frei wählbaren Parameter b = Z { 0 } {\displaystyle b=\mathbb {Z} \setminus \{0\}} erhält man Lösungen z. B. durch:
x = ( 9 b 6 30 n 2 b 3 + n 4 ) ( 3 b 3 + n 2 ) + 72 n 4 b 3 6 b n   ( 3 b 3 + n 2 ) 2 {\displaystyle x={\frac {(9b^{6}-30n^{2}b^{3}+n^{4})(3b^{3}+n^{2})+72n^{4}b^{3}}{6bn\ (3b^{3}+n^{2})^{2}}}}
y = 30 n 2 b 3 9 b 6 n 4 6 b n   ( 3 b 3 + n 2 ) {\displaystyle y={\frac {30n^{2}b^{3}-9b^{6}-n^{4}}{6bn\ (3b^{3}+n^{2})}}}
z = 18 n b 5 6 n 3 b 2 ( 3 b 3 + n 2 ) 2 {\displaystyle z={\frac {18nb^{5}-6n^{3}b^{2}}{(3b^{3}+n^{2})^{2}}}}
  • Sobald eine der Basen x , y , z {\displaystyle x,y,z} R {\displaystyle \in \mathbb {R} } sein darf, sind beliebige Lösungen direkt ohne Umwege konstruierbar:
x 3 + y 3 + z 3 = n     x = n y 3 z 3 3 {\displaystyle x^{3}+y^{3}+z^{3}=n\ \longrightarrow \ x={\sqrt[{3}]{n-y^{3}-z^{3}}}} ,   n {\displaystyle n} gegeben, y , z {\displaystyle y,z} beliebig

Weblinks

  • W. Conn, L. N. Vaseršteĭn: On Sums of Three Integral Cubes. Contemporary Mathematics 166, März 1992, S. 1–11, abgerufen am 19. September 2019. 
  • Roger Heath-Brown, Herman te Riele, Walter M. Lioen: On solving the Diophantine equation x³+y³+z³=k on a vector computer. Mathematics of Computation 61 (203), Juli 1993, S. 235–244, abgerufen am 19. September 2019. 
  • Kenji Koyama: Tables of solutions of the Diophantine equation x³+y³+z³=n. Mathematics of Computation 62 (206), April 1994, S. 941–942, abgerufen am 24. September 2019. 
  • Eric Rowland: Koyama's table of integer solutions of n=x³+y³+z³. Abgerufen am 24. September 2019 (5417 Lösungen von n=2 bis 999, davon 521 Lösungen von n=2 bis 100). 
  • Erik Dofs: Solution of x³+y³+z³=nxyz. Acta Arithmetica LXXIII.3, 1995, S. 201–213, abgerufen am 19. September 2019. 
  • Kenji Koyama, Yukio Tsuruoka, Hiroshi Sekigawa: On searching for solutions of the diophantine equation x³+y³+z³=n. Mathematics of Computation 66 (218), April 1997, S. 841–851, abgerufen am 19. September 2019. 
  • Eric Rowland: Known families of integer solutions of x³+y³+z³=n. 28. Februar 2005, S. 1–6, abgerufen am 19. September 2019. 
  • Michael Beck, Eric Pine, Wayne Tarrant, Kin Yarbrough Jensen: New Integer Representations as the Sum of three Cubes. Mathematics of Computation 76 (259), Juli 2007, S. 1683–1690, abgerufen am 19. September 2019. 
  • Sander G. Huisman: Newer Sums of three Cubes. 26. April 2016, S. 1–3, abgerufen am 19. September 2019. 
  • Armen Avagyan, Gurgen Dallakyan: A new method in the problem of three cubes. Armenian State Pedagogical University after Khachatur Abovyan, 21. Februar 2018, S. 1–23, abgerufen am 19. September 2019. 

Einzelnachweise

  1. a b c d e f g h Armen Avagyan, Gurgen Dallakyan: A new method in the problem of three cubes. Armenian State Pedagogical University after Khachatur Abovyan, 21. Februar 2018, S. 1–23, abgerufen am 18. September 2019. 
  2. a b Eric S. Rowland: Known families of integer solutions of x^3+y^3+z^3=n. (psu.edu [PDF]). 
  3. Mark McAndrew: Insanely huge Sum-Of-Three-Cubes für 3 discovered – After 66 year search. Twitter, 16. September 2018, abgerufen am 18. September 2019. 
  4. Hisanori Mishima: Solutions of n=x³+y³+z³, 0 <= n <= 99. Abgerufen am 18. September 2019. 
  5. Tito Piezas III: Integer solutions to the equation a³+b³+c³=30. Abgerufen am 18. September 2019. 
  6. a b Sander G. Huisman: Newer Sums of three Cubes. 26. April 2016, S. 1–3, abgerufen am 19. September 2019. 
  7. W. Conn, L. N. Vaseršteĭn: On Sums of Three Integral Cubes. Contemporary Mathematics 166, März 1992, S. 1–11, abgerufen am 19. September 2019. 
  8. Eric Rowland: Koyama's table of integer solutions of n=x³+y³+z³. Abgerufen am 24. September 2019 (5417 Lösungen von n=2 bis 999, davon 521 Lösungen von n=2 bis 100). 
  9. D. J. Bernstein: threecubes. Abgerufen am 29. September 2019 (weitere Lösungen). 
  10. Andrew R. Booker: Cracking the problem with 33. University of Bristol, 2019, S. 1–6, abgerufen am 18. September 2019. 
  11. Lance Fortnow, Bill Gasarch: x³ + y³ + z³ = 33 has a solution in Z. And its big! Computational Complexity.org, 28. April 2019, abgerufen am 18. September 2019. 
  12. a b Robin Houston: 42 is the answer to the question “what is (-80538738812075974)³ + 80435758145817515³ + 12602123297335631³?” The Aperiodical, 6. September 2019, abgerufen am 18. September 2019. 
  13. Michelle Starr: Mathematicians Solve '42' Problem With Planetary Supercomputer. science alert, 9. September 2019, abgerufen am 18. September 2019. 
  14. Mathematiker knacken Rätsel um die Zahl 42
  15. D. R. Heath-Brown: The Density of Zeros of formsfor which weak Approximation fails. Band 59, Nr. 200. mathematics of computation, Oktober 1992, S. 613–623 (ams.org [PDF]). 
  16. Kenji Koyama, Yukio Tsuruoka, Hiroshi Sekigawa: On searching for solutions of the diophantine equation x³+y³+z³=n, Property 1 und 2. Mathematics of Computation 66 (218), April 1997, S. 843–844, abgerufen am 28. September 2019.