Quand la somme égale le produit

Michel Criton




Quels sont les n-uplets d’entiers pour lesquels la somme est égale au produit ? Et ceux pour lesquels la somme des carrés est égale au produit ?

Dans l’ensemble ℕ des nombres entiers naturels, l’équation ab = a + b ne possède que deux solutions : 0 + 0 = 0 × 0 = 0 et 2 + 2 = 2 × 2 = 4.

L’équation a + b + c = abc, quant à elle, n’en possède qu’une seule non triviale : 6 = 3 + 2 + 1 = 3 × 2 × 1.

Par ailleurs, tout nombre entier non premier supérieur ou égal à 6 peut être écrit sous ces deux formes égales suivantes, à condition d’utiliser suffisamment de termes (ou de facteurs) égaux à 1 ; par exemple :

8 = 2 + 2 + 2 + 1 + 1 = 2 × 2 × 2 × 1 ;

24 = 4 + 3 + 2 + 1 + 1 +… + 1 = 4 × 3 × 2 × 1 (avec quinze « 1 ») ;

2 024 = 23 + 11 + 8 + 1 + 1 +… + 1 = 23 × 11 × 8 × 1 (avec mille neuf cent quatre-vingt-deux « 1 »).

1. Écrivez 2 024 d’une manière similaire en utilisant le plus petit nombre de termes possible.

 

 

Et avec des carrés ?

 

 

 

Norman Peter Herzberg (1937–2020).

 

 

 

Adolf Hurwitz (1859‒1919).

 

Le problème suivant a été étudié en 1907 par le mathématicien allemand Adolf Hurwitz : quelles sont les solutions dans ℕ des équations du type x12 + x22 +… + xn2 = k × x1 × x2 ×… × xn, en dehors des solutions triviales où x1 = x2 =… = xn = 0, et x1 = x2 =… = xn = 1 avec k = n ?

Listons quelques exemples où k = 1 pour de petites valeurs :

16 = 22 + 22 + 22 + 22 = 2 × 2 × 2 × 2 ;

24 = 32 + 22 + 22 + 22 + 12 + 12 + 12 = 3 × 2 × 2 × 2 × 1 × 1 × 1 ;

27 = 32 + 32 + 32 = 3 × 3 × 3 ;

36 = 42 + 32 + 32 + 12 + 12 = 4 × 3 × 3 × 1 × 1.

 

D’autres solutions existent avec une valeur de k supérieure à 1 :

8 = 22 + 12 + 12 + 12 + 12 = 4 (2 × 1 × 1 × 1 × 1 ) ;

10 = 22 + 12 + 12 + 12 + 12 + 12 + 12 = 5 (2 × 1 × 1 × 1 × 1 × 1 × 1) ;

12 = 22 + 22 + 12 + 12 + 12 + 12 = 3 (2 × 2 × 1 × 1 × 1 × 1).

 

Le mathématicien américain Norman Herzberg reprit cette exploration dans un article de 1972.

 

 

Ce tableau donné par Hurwitz sera prolongé par Herzbergjusqu’à n = 45.
S désigne la somme des carrés des xi ; les solutions triviales apparaissent en bleu.

 

Curieusement, il existe des valeurs de n pour lesquelles les seules solutions sont triviales : 12, 24, 32, 48, 60, 108, 240, 384, 480, 608, 972, 984, 1 020, 2 688. Elles sont toutes congrues à 0 ou à 8 modulo 12. On n’en connaît pas d’autres jusqu’à 108, et on conjecture que ce sont les seules.

 

2. Écrivez 2 024 comme une somme de carrés de nombres entiers naturels égale au produit de ces mêmes entiers naturels.

 

 

 

 

 

SOURCES

Über eine Aufgabe der unbestimmten Analysis. Adolf Hurwitz, Archiv der Mathematik und Physik III, 1907.
On a problem of Hurwitz. Norman Herzberg, Pacific Journal of Mathematics 50 (2), 1974.