Catalansche Vermutung

mathematischer Satz
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Die catalansche Vermutung ist ein Satz 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:

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

Erst nach über 150 Jahren wurde diese Vermutung 2002 von Preda Mihăilescu bewiesen.

Geschichte

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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  ):

n Lsg. n Lsg. n Lsg.
1 1 17 7 1792 14
3 2 100 10 2160 15
4 3 207 12 2880 16
7 5 225 13 4032 17
Anzahl der Lösungen   für   mit   und  
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
1…50 1 1 2 3 2 5 3 4 1 4 2 3 3 3 7 3 5 2 2 2 4 5 2 3 3 7 1 1 2 4 2 3 2 3 1 4 4 3 1 3 4 1 6 4 3 0
51…100 2 1 2 2 3 4 3 1 4 2 4 4 4 2 5 2 4 4 6 2 3 3 2 4 4 4 2 2 2 3 3 6 3 4 4 2 4 5 3 2 4 10
101…150 3 2 4 4 2 3 4 3 2 8 6 3 5 6 3 4 5 3 1 2 4 2 1 3 6 2 2 2 2 7 3 2 1 3 2 4 1 4 5 5 1 5 3 2 1
151…200 3 5 3 1 3 3 2 3 4 6 2 2 4 4 1 2 5 5 1 4 3 1 3 4 3 2 2 5 1 2 5 2 2 2 3 5 1 4 6 3 1 4 3 2 3 4 5
201…250 2 2 3 2 12 5 3 2 3 2 1 5 7 6 2 2 3 2 1 2 6 13 2 2 2 4 2 5 1 4 3 2 4 6 2 3 4 4 3 2 4 3 2
251…300 3 6 2 4 6 2 2 3 4 2 1 4 2 2 2 3 1 4 6 4 5 2 3 4 4 4 1 1 4 4 2 3 6 3 2 3 2 2 2 4 10 1 3 3
301…350 3 3 3 2 5 3 2 2 4 4 6 9 1 1 2 6 2 2 4 3 3 2 4 2 1 6 2 3 6 2 1 3 3 3 1 7 2 4 2 1 3 1 2
351…400 4 4 5 1 3 5 4 4 8 1 2 3 4 2 2 2 11 4 1 3 2 2 5 2 5 1 4 3 1 1 7 4 1 4 6 2 4 5 2 2 4 2 4 4
401…450 2 2 3 6 1 2 4 4 2 3 2 3 3 6 2 1 4 2 6 5 4 3 1 4 9 7 7 4 1 2 2 6 6 2 3 2 3 10 3 0
451…500 3 3 2 5 4 3 8 3 1 2 5 4 1 3 4 4 2 2 4 5 4 1 9 4 4 1 4 1 2 3 3 1 1 3 2 7 7 4 1 2 3
501…550 2 1 9 7 5 3 4 5 1 4 6 6 3 8 3 1 3 4 5 1 3 6 3 7 1 4 2 2 5 2 4 3 5 2 2 6 3 1 3 5 4 1
551…600 4 4 4 4 2 4 3 6 4 2 2 2 1 5 8 1 1 3 2 1 4 10 2 2 3 2 1 3 2 6 1 3 4 3 2 3 5 1 4 3 3 2 2 8
601…650 2 2 3 4 4 1 5 4 2 5 1 5 4 3 3 1 3 4 3 3 6 5 4 2 2 4 2 3 3 3 3 1 7 6 1 1 5 4 2 10 6 0
651…700 4 2 1 3 6 5 3 4 1 5 2 5 1 3 2 2 3 8 3 2 6 7 1 1 3 5 5 2 5 2 1 2 5 2 1 2 6 1 2 6 4 2 3
701…750 2 3 3 7 4 2 2 2 1 1 4 3 4 4 3 3 2 4 10 5 2 2 3 1 2 6 5 1 2 5 1 1 7 4 4 2 4 4 2 5 4 1 4 3 2 0
751…800 2 5 3 5 5 4 4 5 2 2 3 6 2 4 8 3 2 3 1 1 13 4 4 2 4 3 2 4 7 3 1 1 2 3 7 3 4 2 2 2 7
801…850 4 2 2 6 4 1 3 4 2 1 3 3 1 2 6 4 1 7 2 2 2 3 6 1 10 2 4 6 6 1 2 6 4 1 1 8 3 2 2 3 2 9 3 4 2
851…900 2 2 1 6 6 3 2 2 4 2 8 2 2 3 5 2 2 3 11 7 3 1 1 3 6 1 3 1 2 6 3 7 3 2 7 7 2 1 4 7 4 4 6
901…950 4 4 2 2 1 1 2 3 1 6 3 2 4 2 3 3 5 3 2 5 3 5 5 2 1 6 4 2 1 5 8 2 1 3 5 1 2 8 9 1 2 3 0
951…1000 3 4 3 2 2 1 4 3 11 2 1 3 8 2 3 5 4 1 4 4 5 1 8 4 3 2 8 4 1 1 6 3 4 4 2 3 6 2 2 4 2 10 5

Siehe auch

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Literatur

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  • Preda Mihailescu: Primary cyclotomic units and a proof of Catalan’s conjecture. J. Reine Angew. Math. 572 (2004), 167–195.
  • 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).
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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).