Приятельские числа

Приятельские числа — два или более натуральных числа с одинаковым индексом избыточности, отношением суммы делителей чисел и самого числа. Два числа с одинаковой избыточностью образуют приятельскую пару, n чисел с одинаковой избыточностью образуют приятельский n-кортеж.

Быть приятелями является отношением эквивалентности, а потому порождает разбиение положительных натуральных чисел на клубы (классы эквивалентности) попарно приятельских чисел.

Число, не входящее в какую-либо приятельскую пару, называется отшельником.

Индекс избыточности числа n — это рациональное число ${\displaystyle \sigma (n)/n}$, в котором ${\displaystyle \sigma }$ означает сумму делителей. Число n является приятельским, если существует ${\displaystyle m\neq n}$ такое, что ${\displaystyle \sigma (m)/m=\sigma (n)/n}$. Заметим, что избыточность, это не то же самое, что избыток, который определяется как ${\displaystyle \sigma (n)-2n}$.

Избыточность может быть также выражена как ${\displaystyle \sigma _{-\!1}(n)}$, где ${\displaystyle \sigma _{k}}$ означает функцию делителя с ${\displaystyle \sigma _{k}(n)}$, равным сумме k-ых степеней делителей n.

Числа от 1 до 5 являются отшельниками. Наименьшее приятельское число — это 6, образующее пару с числом 28 с индексом избыточности ${\displaystyle \sigma (6)/6=(1+2+3+6)/6=2}$, что равно ${\displaystyle \sigma (28)/28=(1+2+4+7+14+28)/28=2}$. Общее значение 2 в этом случае целое, что неверно во многих других случаях. Числа с индексом избыточности 2 известны также как совершенные числа. Имеется ряд нерешённых задач, связанных с приятельскими числами.

Вопреки схожести названий, нет прямой связи приятельских чисел и дружественных чисел или компанейских чисел, хотя определения этих чисел тоже используют функцию делителей.

В таблице голубые числа доказанно являются приятельскими (последовательность A074902 в OEIS), красные числа доказанно являются отшельниками (последовательность A095739 в OEIS), числа n, взаимно простые с ${\displaystyle \sigma (n)}$ (последовательность A014567 в OEIS), здесь не отмечены цветом, хотя они заведомо являются отшельниками. Остальные числа имеют неизвестный статус и выделены жёлтым фоном.

n	${\displaystyle \sigma (n)}$	${\displaystyle {\frac {\sigma (n)}{n}}}$		n	${\displaystyle \sigma (n)}$	${\displaystyle {\frac {\sigma (n)}{n}}}$		n	${\displaystyle \sigma (n)}$	${\displaystyle {\frac {\sigma (n)}{n}}}$		n	${\displaystyle \sigma (n)}$	${\displaystyle {\frac {\sigma (n)}{n}}}$
1	1	1		37	38	38/37		73	74	74/73		109	110	110/109
2	3	3/2		38	60	30/19		74	114	57/37		110	216	108/55
3	4	4/3		39	56	56/39		75	124	124/75		111	152	152/111
4	7	7/4		40	90	9/4		76	140	35/19		112	248	31/14
5	6	6/5		41	42	42/41		77	96	96/77		113	114	114/113
6	12	2		42	96	16/7		78	168	28/13		114	240	40/19
7	8	8/7		43	44	44/43		79	80	80/79		115	144	144/115
8	15	15/8		44	84	21/11		80	186	93/40		116	210	105/58
9	13	13/9		45	78	26/15		81	121	121/81		117	182	14/9
10	18	9/5		46	72	36/23		82	126	63/41		118	180	90/59
11	12	12/11		47	48	48/47		83	84	84/83		119	144	144/119
12	28	7/3		48	124	31/12		84	224	8/3		120	360	3
13	14	14/13		49	57	57/49		85	108	108/85		121	133	133/121
14	24	12/7		50	93	93/50		86	132	66/43		122	186	93/61
15	24	8/5		51	72	24/17		87	120	40/29		123	168	56/41
16	31	31/16		52	98	49/26		88	180	45/22		124	224	56/31
17	18	18/17		53	54	54/53		89	90	90/89		125	156	156/125
18	39	13/6		54	120	20/9		90	234	13/5		126	312	52/21
19	20	20/19		55	72	72/55		91	112	16/13		127	128	128/127
20	42	21/10		56	120	15/7		92	168	42/23		128	255	255/128
21	32	32/21		57	80	80/57		93	128	128/93		129	176	176/129
22	36	18/11		58	90	45/29		94	144	72/47		130	252	126/65
23	24	24/23		59	60	60/59		95	120	24/19		131	132	132/131
24	60	5/2		60	168	14/5		96	252	21/8		132	336	28/11
25	31	31/25		61	62	62/61		97	98	98/97		133	160	160/133
26	42	21/13		62	96	48/31		98	171	171/98		134	204	102/67
27	40	40/27		63	104	104/63		99	156	52/33		135	240	16/9
28	56	2		64	127	127/64		100	217	217/100		136	270	135/68
29	30	30/29		65	84	84/65		101	102	102/101		137	138	138/137
30	72	12/5		66	144	24/11		102	216	36/17		138	288	48/23
31	32	32/31		67	68	68/67		103	104	104/103		139	140	140/139
32	63	63/32		68	126	63/34		104	210	105/52		140	336	12/5
33	48	16/11		69	96	32/23		105	192	64/35		141	192	64/47
34	54	27/17		70	144	72/35		106	162	81/53		142	216	108/71
35	48	48/35		71	72	72/71		107	108	108/107		143	168	168/143
36	91	91/36		72	195	65/24		108	280	70/27		144	403	403/144

Другой пример — 30 и 140 образуют приятельскую пару, поскольку 30 и 140 имеют одинаковый индекс избыточности:

${\displaystyle {\tfrac {\sigma (30)}{30}}={\tfrac {1+2+3+5+6+10+15+30}{30}}={\tfrac {72}{30}}={\tfrac {12}{5}}}$

${\displaystyle {\tfrac {\sigma (140)}{140}}={\tfrac {1+2+4+5+7+10+14+20+28+35+70+140}{140}}={\tfrac {336}{140}}={\tfrac {12}{5}}.}$

Числа 2480, 6200 и 40640 являются членами клуба, так как все три числа имеют индекс избыточности 12/5.

Как пример нечётных приятельских чисел, рассмотрим 135 и 819 (индекс избыточности 16/9). Есть также случаи чётных чисел, приятельских с нечётными, например, 42 и 544635 (индекс 16/7).

Полный квадрат может быть приятельским числом, например, 693479556 (квадрат числа 26334) и число 8640 имеют индекс избыточности 127/36 (этот пример принадлежит Дину Хикерсону).

Числа, принадлежащие клубу из одного элемента, поскольку нет других чисел, приятельских с ними, являются отшельниками. Все простые числа являются отшельниками. Более обще, если числа n и ${\displaystyle \sigma (n)}$ взаимно просты, то есть наибольший общий делитель этих чисел равен 1, а следовательно, ${\displaystyle \sigma (n)/n}$ является неприводимой дробью, то число n является отшельником (последовательность A014567 в OEIS). Для простого числа p мы имеем ${\displaystyle \sigma (p)=p+1}$, и это число взаимно просто с p.

Неизвестно никакого метода общего вида, определяющего, является число отшельником или приятельским числом. Наименьшее число, классификация которого неизвестна (на 2009) — число 10. Есть предположение, что оно является отшельником, если это не так, его наименьший друг является довольно большим числом, как у числа 24 — хотя число 24 приятельское, его наименьшим другом является число 91.963.648. Для числа 10 нет приятельского числа, меньшего 2.000.000.000^[1].

Открытой проблемой является вопрос, существуют ли бесконечно большие клубы или взаимно приятельские числа. Совершенные числа образуют клуб и есть предположение, что существует бесконечно много совершенных чисел (по меньшей мере столько же, сколько чисел Мерсенна), но доказательств нет. К 2018 году известно 50 совершенных чисел и наибольшее из известных чисел имеет более 46 миллионов цифр в десятичной записи. Существуют клубы с более известными членами, в частности клубы, образованные мультисовершенными числами^[англ.], то есть числами, индекс избыточности которых является целым числом. К началу 2013 года клуб приятельских чисел с индексом 9 насчитывал 2094 членов^[2]. Хотя известно, что клубы мультисовершенных чисел довольно большие (за исключением самих совершенных чисел), есть предположение, что эти клубы конечны.