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]
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. ∎
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.
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}}}
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.
Für
n
=
4
{\displaystyle n=4}
und
5
{\displaystyle 5}
gibt es keine Lösungen.
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}}
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}}
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}}
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]
[ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9]
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.
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}}}
.
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}
:
0 0, 0 1, 0 2, 0 3, 0 6, 0 7, 0 8,
0 9, 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, …
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}}
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
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 .
↑ 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 .
↑ a b Eric S. Rowland: Known families of integer solutions of x^3+y^3+z^3=n . (psu.edu [PDF]).
↑ Mark McAndrew: Insanely huge Sum-Of-Three-Cubes für 3 discovered – After 66 year search. Twitter, 16. September 2018, abgerufen am 18. September 2019 .
↑ Hisanori Mishima: Solutions of n=x³+y³+z³, 0 <= n <= 99. Abgerufen am 18. September 2019 .
↑ Tito Piezas III: Integer solutions to the equation a³+b³+c³=30. Abgerufen am 18. September 2019 .
↑ a b Sander G. Huisman: Newer Sums of three Cubes. 26. April 2016, S. 1–3 , abgerufen am 19. September 2019 .
↑ W. Conn, L. N. Vaseršteĭn : On Sums of Three Integral Cubes. Contemporary Mathematics 166 , März 1992, S. 1–11 , abgerufen am 19. 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 ).
↑ D. J. Bernstein: threecubes. Abgerufen am 29. September 2019 (weitere Lösungen).
↑ Andrew R. Booker: Cracking the problem with 33. University of Bristol , 2019, S. 1–6 , abgerufen am 18. September 2019 .
↑ 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 .
↑ 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 .
↑ Michelle Starr: Mathematicians Solve '42' Problem With Planetary Supercomputer. science alert, 9. September 2019, abgerufen am 18. September 2019 .
↑ Mathematiker knacken Rätsel um die Zahl 42
↑ 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]).
↑ 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 .