SCOPERTA UNA NUOVA FORMULA PER LE PARTIZIONI DI NUMERI (Notizia e connessioni con i nostri risultati precedenti) Francesco Di Noto e Michele Nardelli Abstract In this paper we show as a new formula of Prof .Ken Ono and others concerning the partitions of numbers, is connected with Fibonacci’s numbers and fractals. Riassunto Abbiamo letto sul web la notizia che tre ricercatori hanno recentemente scoperta una formula per il calcolo delle partizioni di numeri (funzione p(n), e che tali numeri sono connessi ai frattali, come i numeri di Fibonacci. Questa connessione con i frattali, tramite i numeri di Fibonacci (entrambi connessi alle simmetrie dei numeri di Lie e ai numeri Triangolari T), l’avevamo constatata anche noi in un lavoro precedente (Rif.1), insieme ad alcune considerazioni numeriche. Notizia Riportiamo per intero la notizia data dal sito di Maddmaths: maddmaths.simai.eu/...di.../dietro-le-partizioni-dei-numeri-sinascondo-i- frattali 1 Dietro le partizioni dei numeri si nascondo….i frattali! Per secoli alcuni dei matematici più famosi si sono interessati allo studio delle partizioni dei numeri, senza riuscire a definire una teoria completa e lasciando irrisolte molte domande. In un recente studio, il matematico Ken Ono dell’Università di Emory, ha ideato una nuova teoria che è in grado di rispondere ad antiche e note domande sulle partizioni di un numero, (ovvero sequenze di numeri positivi che sommati danno quel numero). Ken Ono e il suo gruppo di ricerca, hanno infatti scoperto che le partizioni dei numeri primi si comportano in realtà come frattali. Le proprietà di divisibilità delle partizioni individuate, hanno permesso di vedere come la loro sovrastruttura si ripeta infinitamente. Inoltre hanno ideato la prima formula finita per calcolare le partizioni di qualsiasi numero. “Il nostro lavoro si basa su idee completamente nuove per questi problemi” ha detto Ono. “Noi abbiamo provato che le partizioni dei numeri primi sono “frattali”. Il nostro procedimento di ingrandimento risolve molte delle congetture ancora aperte e può cambiare il modo in cui i matematici studiano le partizioni.” Questo lavoro è stato finanziato dall’American Institute of Mathematics (AIM) e dal National Science Foundation. Lo scorso anno l’AIM ha raggruppato i maggiori esperti mondiali sulle partizioni, incluso Ono, per risolvere alcuni dei più importanti problemi aperti in questo campo. Ono, professore sia dell’Università di Emory che dell’Università del Wisconsin a Madison, ha guidato il gruppo formato da: Jan Bruinier della Technical University di Darmstadt in Germania, Amanda Folsom dell’Università di Yale e Zach Kent post doc dell’Università di Ermony. “Ken Ono ha ottenuto scoperte assolutamente straordinarie nella teoria delle partizioni”, ha affermato George Andrews, professore alla Pennsylvania State e presidente della American Mathematical Society. “Ha dimostrato le proprietà di divisibilità della funzione partizione e ciò è stupefacente. Ha fornito un sovrastruttura a cui nessuno prima di lui aveva pensato. E’ un fenomeno.” La partizione di un numero può sembrare quasi un gioco per la sua semplicità. Ad esempio 4=3+1=2+2=1+1+1+1. Esistono quindi 5 partizioni del numero 4. Fin qui tutto è semplice ma, 2 le partizioni dei numeri aumentano con un tasso incredibile. Ad esempio il numero totale delle partizioni del numero 10 è 42. Mentre per il numero 100, le partizioni superano 190.000.000. “Le partizioni dei numeri sono folli sequenze di interi che vanno verso l’infinito” ha affermato Ono “tale successione suscita meraviglia ed ha affascinato i matematici per molto tempo”. Nonostante la semplicità della definizione, fino alle scoperte del gruppo di Ono, nessuno era stato in grado di svelare il segreto della complessa struttura che si nascondeva dietro questa rapida crescita. Nel diciottesimo secolo il matematico Eulero ha sviluppato una prima tecnica ricorsiva per calcolare il valore delle partizioni dei numeri. Il metodo però era lento e comunque non praticabile per numeri grandi. Nei successivi 150 anni tale metodo è stato implementato con successo per calcolare solo partizioni dei primi 200 numeri. “Nell’universo matematico ciò significa di non essere in grado di vedere oltre Marte” ha detto Ono. Agli inizi del ventesimo secolo Srinivasa Ramanujan e G. H. Hardy hanno inventato il metodo circolare che è in grado di ottenere una prima approssimazione delle partizioni per i numeri oltre 200. Ma tale metodo essenzialmente non aspirava a cercare una risposta esatta, “accontentandosi” di un’approssimazione. Anche Ramanujan aveva osservato strane strutture nella partizione dei numeri. Nel 1919 aveva notato che il numero di partizioni del numero 5n+4 (rispettivamente 7n+5, 11n+6) era un multiplo di 5 (rispettivamente 7, 11). Nel 1937 Hans Rademacher trovò una formula esatta per calcolare il valore delle partizioni. Anche se questo metodo era un grande miglioramento rispetto alla formula esatta di Eulero, richiedeva la somma di una serie di numeri che avevano infinite cifre decimali. Nei decenni successivi, diversi matematici hanno continuato a studiare tale problema, aggiungendo dei tasselli mancanti a questo puzzle. Ma, nonostante i progressi fatti, non sono stati in grado di trovare una formula finita per la partizione dei numeri. Il “dream team” di Ono ha studiato il problema per mesi. “Qualsiasi cosa provavamo non funzionava” ha detto il leader del gruppo. Il punto di svolta è avvenuto inaspettatamente lo scorso settembre, quando Ono e Zach Kent stavano facendo un’ escursione alle cascate Tallulah in Georgia. Mentre stavano camminando attraverso i boschi, hanno notato la struttura dei gruppi di alberi, ed hanno iniziato a pensare a come potesse essere camminare attraverso le partizioni dei numeri. “Eravamo in cima a delle enormi rocce dove potevamo vedere tutta la valle ed ascoltare il rumore delle cascate, quando abbiamo realizzato che le partizioni dei numeri sono frattali” ha detto Ono “ed entrambi abbiamo iniziato a ridere”. Il termine frattale fu inventato nel 1980 da Benoit Mandelbrot, per descrivere ciò che sembra irregolare nella geometria delle forme naturali. Un frattale è un oggetto geometrico che si ripete nella sua struttura allo stesso modo su scale diverse, ovvero che non cambia aspetto anche se visto con una lente d'ingrandimento. Con la loro semplice camminata nei boschi Ono e Kent hanno ideato una teoria che rivela una nuova classe di frattali “E’ come se non avessimo bisogno di vedere tutte le stelle nell’universo 3 perché la struttura continua a ripetersi per sempre, e quindi può essere vista in una camminata di 3 miglia alle cascate Tallulah” ha detto Ono. Con questa teoria dei frattali è possibile provare le congruenze di Ramanujan. Il gruppo ha dimostrato che le proprietà di divisibilità delle partizioni dei numeri sono frattali per ogni numero primo. “Le successioni sono tutte eventualmente periodiche e si ripetono più e più volte ad intervalli precisi”, ha affermato Ono, aggiungendo “E’ come ingrandire in un insieme di Mandelbrot” riferendosi al più famoso frattale. Ma questa straordinaria visione dentro la sovrastruttura della partizione dei numeri non era sufficiente per il gruppo di ricercatori, determinato ad andare oltre la teoria e trovare una formula che potesse essere implementata. L’altro episodio fondamentale per la loro ricerca, è avvenuto in un altro noto luogo della Georgia, la “spaghetti junction”. Ono e Jan Bruinier erano bloccati nel traffico nei pressi del noto scambio per Atlanta. Mentre stavano chiacchierando in macchina, cercavamo di trovare un modo per eliminare l’infinita complessità del metodo di Rademache. Il loro obiettivo era quello di provare una formula che richiedesse solo un numero finito di numeri. “Abbiamo trovato una funzione, P, che è una sorta di oracolo magico” ha affermato Ono. “Posso prendere qualsiasi numero, inserirlo dentro P ed istantaneamente calcolare le partizioni di quel numero. P non da come risultato un numero terribile con infinite cifre decimali. E’ quella formula algebrica finita che stavamo tutti cercando.” Il lavoro di Ono e dei suoi colleghi è descritto in due lavori che saranno presto disponibili sul sito del AIM. Attenderemo la pubblicazione definitiva dei lavori contenenti la suddetta formula, poiché potrebbe essere interessante per i nostri lavori di fisica teorica nei quali sono coinvolte le partizioni di numeri Ricordiamo le nostre connessioni tra partizioni di numeri, fenomeni naturali e serie di Fibonacci, esposte in Rif. 1. Ricordiamo anche il rapporto successivo tra un numero di partizioni e il precedente: tale rapporto, per numeri sempre più grandi, tende a 1, mentre per la serie di Fibonacci, com’è, noto, tende a 1,618… cosa che vedremo più avanti. Inoltre, c’è qualcosa di analogo, almeno inizialmente, anche con il paradosso dei quadrati di Fibonacci: data una terna di 4 numeri di Fibonacci, il prodotto dei due numeri esterni della terna è uguale al quadrato del numero centrale, più o meno 1 In generale, per la terna di Fibonacci a,b,c, a*c = b^2 +1, con i segni + e - alternati da una terna alla successiva Esempi: Terna 1, 2, 3 1*3 = 3 2^2 = 4 = 3 + 1 terna 2, 3, 5 2*5 = 10 3*3 = 9 = 10 - 1 terna 3, 5, 8 3*8 = 24 ; 5^2 = 25 = 24 +1 terna 5, 8, 13 5*13 = 65, 8^2 = 64 = 65 - 1 terna 8,13,21 8*21 = 168 13^2 = 169 = 168 +1 E cosi via all’infinito. 5 Qualcosa di simile succede con le terne di partizioni; esempi: ( la parte iniziale serie della partizioni è 1, 2, 3, 5, 7, 11, 15, 22, 30, 42, ...) Per le prime terne è come per Fibonacci, essendo 1,2,3,e 5 numeri di Fibonacci: Ma per le terne successive le differenze tra a*c e b^2 aumentano sempre più, e costeggiano da vicino la serie di Fibonacci: 6 = 5 + 1, 17 = media tra 13 e 21, 34 numero di Fibonacci esso stesso, 24 = 21 + 3, ecc. anche se non in ordine progressivo. Questa potrebbe essere una prima relazione con Fibonacci. terna 3, 5, 7 3*7 = 21 5^2 = 25 = 21 + 4 terna successiva 5, 7, 11 5*11 = 55, 7^2 = 49 = 55 - 6 terna successiva 7, 11, 15 7*15 = 115 11^2 = 121 = 115+6 terna successiva 11, 15, 22 6 11*22 = 242 15^15 = 225 = 242 - 17 terna successiva 15,22,30 15*30= 450 22^2 = 484 = 450+ 34 terna successiva 22,30, 42 22*42= 924 30^2=900 = 924 – 24 Un’altra relazione è il rapporto tra un numero di partizione e il precedente: mentre nella serie di Fibonacci tale rapporto tende al numero aureo 1,618…, per le partizioni invece tende a 1, con una media iniziale di 1, 3… Infatti 2/1= 2/2= 3/2= 5/3= 7/5= 11/= 22/15= 30/22= 42/30= 2 1 1,5 1,66 (il valore più vicino al numero aureo, essendo 3 e 5 anche numeri di Fibonacci) 1,40 1,57 1,46 1,36 1,4 Totale 13,35, media =13.35/9 =1,48…. Ma in seguito scende ancora di più fino a tendere sempre più a 1 per (pn) tendente all’infinito. Questo significa che per n molto grandi, p(n) 7 aumenta molto lentamente , e le differenze p(n+1) –p(n) (come il rapporto successivo tende a 1)) sono anch’esse sempre più cioè tendono a zero Il grafico delle partizioni, quindi, è una curva logaritmica, come la funzione π(n) (numero di numeri primi minori di n) E quindi un’altra connessione, ora con il numero e = 2,71828… Qui inseriamo la sequenza OESIS A000041 e due grafici, ecc,, prima di continuare: da Wikipedia, voce “partizione di un intero” Grafico 8 A000041 as a graph: A000041 as a simple table: n 0 1 a(n) 1 1 9 2 3 4 5 6 7 8 9 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 2 3 5 7 11 15 22 30 42 56 77 101 135 176 231 297 385 490 627 792 1002 1255 1575 1958 2436 3010 3718 4565 5604 6842 8349 10143 12310 14883 17977 21637 26015 31185 37338 44583 53174 63261 10 44 45 75175 89134 [1,1,2,3,5,7,11,15,22,30,42,56,77,101,135,176,231, 297,385,490,627,792,1002,1255,1575,1958,2436,3010, 3718,4565,5604,6842,8349,10143,12310,14883,17977, 21637,26015,31185,37338,44583,53174,63261,75175, 89134] Altri esempi con numeri p(n) più grandi (in blu sulla sequenza): 63261/53174 = 1,1896 75175/63261 = 1,1883 89134/75175 = 1,1856 … … … Come si vede, il rapporto p(n)/p(n-1) decresce lentamente sempre più al crescere di n. Quindi, la serie numerica delle partizioni non è una progressione geometrica non è molto perfetta, poiché il rapporto successivo (pn) / p(n-1) non è sempre lo stesso, ma progressivamente decrescente: la serie di Fibonacci è invece più perfetta, poiché tale rapporto F(n)/Fn-1) è sempre più vicino a 1,618. Una progressione perfetta è infatti del tipo 2,4,8,16,32,64, ecc. dove il rapporto successivo è sempre 2. In terne successive perfette,cioè appartenenti a progressioni geometriche perfette, è già noto che il prodotto a*c è sempre perfettamente uguale a b^2 ; per esempio , con la terna 2,4,8, abbiamo l’uguaglianza 2*8=16 =4^2=16, mentre per 8,16,32, per fare un altro esempio, abbiamo 8*32=256= 16^2=256 Noi abbiamo capito che , per quanto riguarda due numeri primi p e q (ma anche non primi ) e il loro prodotto N = p*q , p, n =√N e q sono sempre una terna di progressione geometrica, con rapporto progressivo (ragione della 11 progressione) uguale a √r = √q/p, per cui p = n /√r e q = n*√r, quindi vale la relazione vista con la serie di Fibonacci : a*c= c^2, ora scrivibile come p*q= n^2. Un esempio con i numeri interi p= 5, q=45, N= 5*45=225 , n = 15 q/p = 45/5=9 , √9=3 ; da cui p= 15/3=15, q = 15*3=45. Un esempio con i numeri primi, per i quali si ottengono dei numeri decimali e quindi p e q sono approssimati ma molto vicini ai valori reali. p = 11, q = 179 , N = 1969, n = 44,37, q/p = 179/11 = 16,27, √16,27 = 4,03 , da cui p = 44,37/ 4,03 = 11,0099 ≈ 11, q = 44,37*4,03 = 178,81 ≈ 179 Purtroppo non si può ricavare il rapporto q/p conoscendo solo N = p*q, dal quale si può ricavare solo n come elemento centrale della terna p, n e q, in progressione quasi perfetta; così com’è difficile trovare p e q conoscendo solo N, da qui la difficoltà di fattorizzare numeri molto grandi , e si deve procedere con tentativi (dividere N per tutti i numeri primi fino a p, con aiuto di computers e algoritmi vari per farlo nel minor tempo possibile). Ma torniamo al numero delle partizioni, non essendo questi in progressione geometrica perfetta, e quindi non interessati alla fattorizzazione ma solo al presente lavoro riepilogativo/divulgativo. Attendiamo ora la pubblicazione definitiva del lavoro contenente la nuova formula di Ken Ono e compagni (per la vecchia formula vedi nota finale), per poterla eventualmente 12 utilizzare in futuri lavori di fisica teorica che comportino questa funzione p(n), poiché una serie di numeri emersi è connessa alla parte iniziale della serie dei numeri p(n). Il più recente di questi lavori è quello sulle serie di Eisentein, sul nostro sito (Rif.2), alla fine del quale mostriamo tabelle con le connessioni tra partizioni e numeri di Fibonacci, entrambi connessi a loro volta ai frattali, come ora hanno scoperto i tre matematici dell’Università di Emory per le partizioni, insieme alla formula per il loro calcolo più rapido rispetto alle precedenti formule. In matematica, un oggetto auto-simile è esattamente o approssimativamente simile a una sua parte (cioè il tutto ha la stessa forma di una o più delle sue parti). Molti oggetti nel mondo reale, come ad esempio le coste, sono statisticamente auto-simili: parti di questi oggetti mostrano le stesse proprietà statistiche a molte scale[1]. L'auto-similarità è una proprietà tipica dei frattali. L'invarianza di scala è una forma esatta di auto-similarità, dove ad ogni ingrandimento c'è una parte dell'oggetto che è simile al tutto. Per esempio, un lato del fiocco di Koch è sia simmetrico che invariante di scala: può essere ingrandito di un fattore 3 senza cambiare forma. Riferimenti 1) “Le partizioni di un numero in matematica e in natura (possibili connessioni con i numeri triangolari T)” Gruppo Eratostene “( su l sito www.gruppoeratostene.com, sezione”Articoli sulla Matematica Generale” 13 2) “ On some applications of the Eisenstein series in String Theory. Mathematical connections with some sectors of Number Theory and with Φ and π.” Michele Nardelli 1,2 , Christian Lange3, in sezione “Articoli sulla Fisica –Matematica”, sul sito http://nardelli.xoom.it/virgiliowizard/, e sul sito del Prof Mattew Watkins : http://www.secamlocal.ex.ac.uk/people/staff/mrwatkin/zeta/newm aterial.htm Nota 1 La vecchia formula per calcolare il numero di p(n) è la seguente, alquanto complicata (sempre dalla stessa voce “Partizione di un intero”di Wikipedia): “Nel 1937, Hans Rademacher migliorò la formula di Hardy e Ramanujan, elaborando una serie convergente che tende a p(n): dove con la somma effettuata sui numeri naturali compresi tra 0 e k che sono coprimi con k e con s(m,k) che indica una somma di Dedekind”. Mentre la formula asintotica di Hardy e Ramanujan era quest’altra : 14 “Fino agli inizi del XX secolo si credeva che non fosse possibile trovare una formula per la funzione di partizione, ma nel 1918 Ramanujan e Hardy pubblicarono una formula asintotica per la funzione di partizione: J.V. Uspensky ritrovò la stessa formula, indipendentemente, nel 1920.” Nota 2 Tabella con i rapporti (pn)/n e n/(p)n Riprendiamo parzialmente i valori della tabella OESIS A000041, e aggiungiamo due colonne con i rapporti p(n) /n e n/p(n), per cercare qualche regolarità. [1,1,2,3,5,7,11,15,22,30,42,56,77,101,135,176,231, 297,385,490,627,792,1002,1255,1575,1958,2436,3010, 3718,4565,5604,6842,8349,10143,12310,14883,17977, 21637,26015,31185,37338,44583,53174,63261,75175, 89134] n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 … 39 40 41 p(n) 1 1 2 3 5 7 11 15 22 30 42 R =n/p(n) 0 1 1 1 0,8 0,71 0,54 0,46 0,36 0,3 0,23 r’=p(n) /n 0 1 1 1 1,25 1,4 1,83 2,14 2,75 3,33 4,2 31185 37338 44583 0,0012 0,0010 0,00091 799,61 933,45 1087,39 15 42 43 44 45 53174 63261 75175 89134 0,00078 0,00067 0,00058 0,00050 1266,04 1471,18 1708,5227 1980,75 Da cui p(n) ≈ n/r ≈ n*r’ Occorrerebbe una formula indipendente per trovare r con una certa approssimazione ma è difficile, e ora anche inutile, vista la scoperta della nuova equazione di Ken Ono ed altri, e che sarà pubblicata tra pochi mesi. Un altro esempio è 4328363658647 N = 200, p(200) = 3972999029388 N = 201, p(201) = 4328363658647 n/p(n) = 200/3972999029388 = 5,0339805904963425378394219323929e-11 n/p(n)201/4328363658647 = 4,6437872566102831013496017190307e-11 Valore più piccolo del precedente p(201)/p(200)= n = 200 p(200) = 3972999029388 n = 201 p(200) = 4328363658647 16 p(200)/p(201) = 4328363658647/3972999029388 = 1,0894449… Napoli, 23/05/2011____________ 17