完全数

完全数（かんぜんすう、）とは、自分自身を除く正の約数の和が自分自身に等しくなる自然数のことである。完全数は素数ではあり得ず、合成数に限られる。完全数の最初の4個は、、、。

「完全数」は「万物は数なり」と考えたピタゴラスが名付けた数の一つであることに由来する「高数・数学者列伝」吉永良正『高校への数学』vol.20、1995年8月号が、彼がなぜ「完全」と考えたのかについては何も書き残されていないようである。紀元1世紀ごろは、全ての数は過剰数と不足数と完全数の3種類に分けられて、道徳的な意味付けが真剣に考えられた『ゼロから無限へ』芹沢正三訳　講談社ブルーバックス 1971年 ISBN 978-4061177772 p133。中世の『聖書』の研究者は、「は『神が世界を創造した（天地創造）6日間』、は『月の公転周期』で、これら2つの数は地上と天界における神の完全性を象徴している」と考えたとされる淡中忠郎「メルセンヌ数物語」『数学セミナー』、1973年9月号。数学セミナー編集部(1982)、65-67頁に再録されている。。古代ギリシアの数学者は他にもあと2つの完全数 () を知っていた。以来、完全数はどれだけあるのかの探求が2500年以上のちの現在まで続けられている。

完全数の定義は、正の約数の総和が自分自身の2倍に等しいことと同値である。すなわち、が完全数であるとは、約数関数に対してが成り立つことであると表現できる。また、正の約数の逆数和がであると表現することもできる。

歴史完全数に関する数学上の最初の成果は紀元前3世紀ごろのユークリッドによってもたらされた。彼は『原論』（第9巻、命題36）で、「が素数ならば、は完全数である」ということを証明した。で表される数をメルセンヌ数といい、それが素数である場合をメルセンヌ素数という。

古代から、6、28、496、8128の4つの数が完全数であることは知られており、ゲラサのニコマコスの『算術入門』には4つの完全数に関する記述が存在する。

ユークリッドの公式は2以上のに対して偶数の完全数しか生成しない（1のときは唯一の1倍完全数である1になる）が、逆に偶数の完全数が全ての形で書けるかどうかは18世紀までは未解決であった。レオンハルト・オイラーは偶数の完全数がこの形に限ることを証明した。

メルセンヌ素数の探索は、エドゥアール・リュカとによってメルセンヌ数が素数であるかどうかの効率的な判定法が考案され、1950年代からコンピュータが使われるようになる。現在では分散コンピューティング GIMPS による探求が行われていて、で判明している最大のメルセンヌ素数は4102万4320桁の数である。発見されている完全数はメルセンヌ素数と同じく52個である。紀元前より考察されている対象であるにもかかわらず、「偶数の完全数は無数に存在するか？」「奇数の完全数は存在するか？」という問題は未解決である。

概要完全数は、小さい順に（）である。

各完全数の正の約数の総和は（）隣り合う完全数の差は（）完全数の総和の列は（）である。

とがなぜ「完全」であるかは中世の学者の議論の対象になり、は神が創造した1週間（日曜日は神が天地創造を終えて休んだ安息日で、キリスト教ではこれを除外する）、は「月の公転周期」とされた。聖アウグスティヌス（? - 604年）はこれとは一線を画し、「はそれ自体完全な数である。神が万物を6日間で創造したからが完全なのでなく、むしろ逆が真である」としている。

偶数の完全数は番目の三角数であり、番目の六角数でもある。

完全数の分類

偶数の完全数偶数の完全数は、が素数のときのに限る（ユークリッド、オイラー）。

ユークリッドの証明が完全数であることの証明：

オイラーの証明偶数の完全数はの形に限ることの証明：

偶数の完全数の性質偶数の完全数を（は素数）とする。の正の約数の個数はである（は約数の個数を表す約数関数）。このうち半数はの累乗であり、残り半数はこれにメルセンヌ素数を乗じた数である。の正の約数の調和平均は、ゆえには調和数である。以外の偶数の完全数は、から連続する正の奇数の立方和で表せる。式で表すと

例：

から連続する正の奇数の立方和で表せる数の列は（）（は自然数）の列は（）この数列で完全数にならない数の数列はを参照はのとき偶数の完全数になる。ただしは約数関数である。この数列は（）偶数の完全数は、からメルセンヌ素数まで連続する正の整数の和で表せる。式で表すと

例：言い換えると、は番目の三角数である。偶数の三角数の列は（）偶数の完全数は全て奇数番目の三角数でもあるので、知られている完全数は全て六角数でもある。

例：言い換えると、は番目の六角数である。六角数の列は（）知られている完全数は全て 4n − 1 番目の三角数でもあるので偶数の六角数であり、偶数番目の六角数である。番目の六角数はなので、偶数の六角数はで表される。偶数の六角数の列は（）以外の完全数は中心つき九角数に含まれる。この数の列は（）を十進法表示したとき、一の位はまたはである。さらに、一の位がのとき、の下二桁はに限る。これは、以上のに対してがの累乗数（下二桁が）かつが素数（下二桁が）となる組み合わせのうち、両者をかけて一の位がになる組み合わせ（）はすべて下二桁がになっていることから明らかである。

偶数の完全数の未解決問題偶数の完全数は無数に存在するか、つまりが素数となる素数は無数に存在するかどうかは未解決である。

奇数の完全数奇数の完全数が存在するか否かは未解決であるが、約数関数は乗法的 () であることから、二平方数の和であることが古くから知られていた。もし奇数の完全数が存在すれば、は以下の各条件を満たさなければならないことが知られている。

の素因数分解はの形である。ここでは相異なる素数でを満たす。である。である。またのときであるM. Kishore, "On odd perfect, quasiperfect, and odd almost perfect numbers", Math. Comp. 36 (1981), 583-586.。ではないW. L. McDaniel, "The non-existence of odd perfect numbers of a certain form", Arch. Math. (Basel) 21 (1970), 52-53.。ではない. とすると、はではないW. L. McDaniel and P. Hagis Jr., "Some results concerning the non-existence of odd perfect numbers of the form pM", Fibonacci Quart. 13 (1975), 25-28.G. L. Cohen, R. J. Williams, "Extensions of some results concerning odd perfect numbers", Fibonacci Quart. 23 (1985), 70-76.。さらにである。またはであるJ. Touchard, "On prime numbers and perfect numbers", Scripta Math. 19 (1953), 53-59.M. Satyanarayana, "Odd perfect numbers", Math. Student 27 (1959), 17-18.J. A. Holdener, "A theorem of Touchard on the form of odd perfect numbers". Amer. Math. Monthly, 109 (2002), 661-663. T. Roberts, "On the Form of an Odd Perfect Number", Australian Mathematical Gazette, 35:4 (2008), 244。である。これは1991年に示されたR. P. Brent, Graeme L. Cohen, H. J. J. te Riele, "Improved techniques for lower bounds for odd perfect numbers", Math. Comp. 57 (1991), 857-868を約20年ぶりに改良したものである。は少なくとも10個の相異なる素因数を持つ。これは2015年に発表されたものであるが、「9個以上」を示した2006年の結果を改良したものである。「7個」の場合は1972年までにカール・ポメランスによって示され、「8個」の場合は1980年ごろに CheinJ. E. Z. Chein, "An odd perfect number has at least 8 prime factors", Doctoral Thesis, Pennsylvania State University, 1979.と HagisP. Hagis Jr., "Outline of a proof that every odd perfect number has at least eight prime factors", Math. Comp. 35 (1980) 1027-1032.によってほぼ同時に示されており、その後多くの数学者の努力G. L. Cohen, R. M. Sorli, "On the number of distinct prime factors of an odd perfect number", J. Discrete Algorithms 1 (2003), 21-35.にもかかわらず、26年もの間「9個」の場合は示されなかった。がで割り切れない場合は、少なくとも12個の素因数を持つ。でもでも割り切れない場合は15個以上の、でもでもでも割り切れない場合は27個以上の相異なる素因数を持つK. K. Norton, "Remarks on the number of factors of an odd perfect number", Acta Arith., 6 (1960/1961), 365-374.。は重複も数えて少なくとも101個の素因数を持つ75個以上であることを示した、以前の結果は K. G. Hare, "New techniques for bounds on the total number of prime factors of an odd perfect number", Math. Comp. 76. (2007), 2241-2248. preprint。はより大きい素因数を持つT. Goto and Y. Ohno, "Odd perfect numbers have a prime factor exceeding 10", Math. Comp. 77 (2008), 1859-1868. "奇数の完全数の最大素因子について" - preprint を入手可能。。これは2006年に発表されたものであるが、より古い下界としては2003年の P. M. Jenkins, "Odd perfect numbers have a prime factor exceeding 10", Math. Comp. 72 (2003), 1549-1554.や、1998年の P. Hagis, Jr. and G. L. Cohen, "Every odd perfect number has a prime factor which exceeds 10", Math. Comp. 67 (1998), 1323-1330.などがある。の2番目に大きな素因数はより大きいD. E. Iannucci, "The second largest prime divisor of an odd perfect number exceeds ten thousand", Math. Comp. 68 (1999), 1749-1760.。の3番目に大きな素因数はより大きいD. E. Iannucci, "The third largest prime divisor of an odd perfect number exceeds one hundred", Math. Comp. 69 (2000), 867-879.。はより大きい素数冪因数を持つ。（の約数の和）は単偶数の3倍完全数となる（未発見。倍積完全数を参照。）。

2006年にカール・ポメランスは、1以外の奇数の調和数が発見されていないという事実から、ヒューリスティクスな議論ではあるが、奇数の完全数は存在しないだろうとする論を発表しているが、予想の域を出ないPomerance's Heuristic that Odd Perfect Numbers are Unlikely。

その他の性質完全数は、正の約数の個数が偶数、正の約数の逆数和がなので、調和数である。この数の列は（）

完全数は素数ではないが、約数の和が自分自身（の1倍）に等しい唯一の数であるとの関係において、2個の約数を持つ素数が1個の約数を持つ唯一の数であるに対するのと似た関係を持つ。

関連する数約数の和や積を考えることで特徴付けられる数の種類には他にも次のようなものがある。完全数と併せて、これらの名称には古代ギリシアの数秘学の影響が見られる。

完全数の拡張倍積完全数 (multiperfect number) 正の約数の和が自分自身の倍数である自然数を倍積完全数という。特に、それが倍に等しいものを倍完全数という。は唯一の倍完全数であり、完全数とは倍完全数のことである。（）ハイパー完全数 (hyperperfect number) が -ハイパー完全数であるとは、（ただしは自然数）（は約数関数）を満たすことと定義される。完全数は -ハイパー完全数である。 -ハイパー完全数の列は（）超完全数 (superperfect number) が -完全数であるとは、（ただしは自然数）（は約数関数）を満たすときと定義される。完全数は -完全数、倍積完全数は -完全数、超完全数は -完全数である。擬似完全数 (semiperfect number) 自分自身を除くいくつかの約数の総和が元の数に等しい自然数を擬似完全数という。

不完全数完全数でない自然数を不完全数 (imperfect number) という。不足数 (deficient number) 自分自身以外の正の約数の和より大きい自然数過剰数 (abundant number) 自分自身以外の正の約数の和より小さい自然数。過剰数であって擬似完全数でない数を不思議数という。友愛数 (amicable pair) 自分自身以外の正の約数の和が互いに他方に等しい2つの自然数の組。社交数 (sociable numbers) 友愛数と同様の関係が成立する3個以上の自然数の組。 (quasiperfect number) が準完全数であるとは、正の約数の和がに等しいことと定義される。過剰数の一種。そのような数はいまだに見つかっていないが、存在するならばそれは奇数の平方数でより大きく、少なくとも7つの約数を持つということが示されている。 (almost perfect number) が概完全数であるとは、正の約数の和がに等しいことと定義される。不足数の一種。の形の自然数はこの条件を満たしているが、この形の自然数以外の概完全数が存在するのかどうかは知られていない。

その他

基準完全数 (unitary perfect number) 基準約数の総和が自分自身の2倍であるような数を基準完全数という。基準完全数は現時点で、の5つが知られている。

乗法的完全数 (multiplicative perfect number) 正の約数の積が自分自身の自乗（2乗）に等しい数を乗法的完全数という。乗法的完全数の列は、（）

エピソード小川洋子の小説『博士の愛した数式』（2003年）では登場人物の「博士」が阪神タイガースの江夏豊投手のファンであったことの理由として江夏の背番号が28であったことを挙げ、その際に完全数の説明がなされている。

江夏ではないが、日本のプロ野球で初めて完全試合が達成されたのは月・日とも完全数の1950年6月28日だった。6月28日は「完全」の意味を持つ食べ物「パフェの日」にもなっている。

脚注

注釈

出典

参考文献

（ハードカバー）1971年7月。ISBN 4-320-01072-8 （縮刷版）1996年6月。ISBN 4-320-01513-4 （追補版）2011年5月。ISBN 978-4-320-01965-2

() - 原タイトル：Unsolved problems in number theory. - 原タイトル：Unsolved problems in number theory. 3rd ed. ()

高木貞治：「初等整数論講義」第2版、（1971）。

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