Narzisstische Zahl

Die narzisstischen Zahlen (auch Armstrong-Zahlen genannt) sind eine Teilmenge natürlicher Zahlen, die durch bestimmte Rechenvorschriften ihrer Ziffern sich selbst erzeugen. Sie spielen in der reinen Mathematik allerdings keine besondere Rolle, da sie stark vom verwendeten Zahlensystem (in der Regel vom Dezimalsystem) abhängen und somit keinen echten wissenschaftlichen Nutzen bringen.

Armstrong-Zahlen

Eine Armstrong-Zahl (nach Michael F. Armstrong) oder PPDI (pluperfect digital invariant) ist eine Zahl, deren Summe ihrer Ziffern, jeweils potenziert mit der Stellenanzahl der Zahl, wieder die Zahl selbst ergibt.

Mit anderen Worten:

Eine n-stellige Zahl der Form

$a=a_{n}\cdot 10^{n-1}+a_{n-1}\cdot 10^{n-2}+a_{n-2}\cdot 10^{n-3}+\ldots +a_{2}\cdot 10^{1}+a_{1}\cdot 10^{0}$ mit $0\leq a_{i}\leq 9$ und $1\leq i\leq n$

ist eine Armstrong-Zahl, wenn gilt:

$a_{n}^{n}+a_{n-1}^{n}+a_{n-2}^{n}+\cdots +a_{1}^{n}=a$.

Beispiele

Beispiel 1:

Ein Beispiel für eine solche Zahl mit der Potenz n=5 ist die fünfstellige Zahl 54748:

$54748=5^{5}+4^{5}+7^{5}+4^{5}+8^{5}=3125+1024+16807+1024+32768$

Beispiel 2:

Die Liste von kleinsten narzisstischen Zahlen mit $n$ Stellen im Dezimalsystem ist die folgende (wenn keine Zahl mit dieser Stellenzahl existiert, steht 0 an dieser Stelle):

1, 0, 153, 1634, 54748, 548834, 1741725, 24678050, 146511208, 4679307774, 32164049650, 0, 0, 28116440335967, 0, 4338281769391370, 21897142587612075, 0, 1517841543307505039, 63105425988599693916, 128468643043731391252, 0, … (Folge A014576 in OEIS)

Es gibt insgesamt genau 88 narzisstische Zahlen (ohne die 0) im Dezimalsystem. Die Anzahl ihrer Stellen gibt die folgende Zahlenliste an:

1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 14, 16, 17, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 27, 29, 31, 32, 33, 34, 35, 37, 38, 39 (Folge A114904 in OEIS)

Ordnet man diese Zahlen nach ihrer Stellenanzahl $n$, so erhält man folgende Tabelle (Folge A005188 in OEIS):

n narzisstische Zahlen zur Basis 10 1 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 3 153, 370, 371, 407 4 1634, 8208, 9474 5 54748, 92727, 93084 6 548834 7 1741725, 4210818, 9800817, 9926315 8 24678050, 24678051, 88593477 9 146511208, 472335975, 534494836, 912985153 10 4679307774 11 32164049650, 32164049651, 40028394225, 42678290603, 44708635679, 49388550606, 82693916578, 94204591914 14 28116440335967 16 4338281769391370, 4338281769391371

n narzisstische Zahlen zur Basis 10 17 21897142587612075, 35641594208964132, 35875699062250035 19 1517841543307505039, 3289582984443187032, 4498128791164624869, 4929273885928088826 20 63105425988599693916 21 128468643043731391252, 449177399146038697307 23 21887696841122916288858, 27879694893054074471405, 27907865009977052567814, 28361281321319229463398, 35452590104031691935943 24 174088005938065293023722, 188451485447897896036875, 239313664430041569350093 25 1550475334214501539088894, 1553242162893771850669378, 3706907995955475988644380, 3706907995955475988644381, 4422095118095899619457938

n narzisstische Zahlen zur Basis 10 27 121204998563613372405438066, 121270696006801314328439376, 128851796696487777842012787, 174650464499531377631639254, 177265453171792792366489765 29 14607640612971980372614873089, 19008174136254279995012734740, 19008174136254279995012734741, 23866716435523975980390369295 31 1145037275765491025924292050346, 1927890457142960697580636236639, 2309092682616190307509695338915 32 17333509997782249308725103962772 33 186709961001538790100634132976990, 186709961001538790100634132976991 34 1122763285329372541592822900204593 35 12639369517103790328947807201478392, 12679937780272278566303885594196922 37 1219167219625434121569735803609966019 38 12815792078366059955099770545296129367 39 115132219018763992565095597973971522400, 115132219018763992565095597973971522401

Verallgemeinerung

Wählt man eine andere Basis $b\neq 10$, so ist eine narzisstische Zahl analog zum Dezimalsystem definiert:

Eine n-stellige Zahl mit Basis b der Form

$a=a_{n}\cdot b^{n-1}+a_{n-1}\cdot b^{n-2}+a_{n-2}\cdot b^{n-3}+\ldots +a_{2}\cdot b^{1}+a_{1}\cdot b^{0}$ mit $0\leq a_{i}\leq b-1$ und $1\leq i\leq b$

ist eine narzisstische Zahl mit Basis b, wenn gilt:

$a_{n}^{n}+a_{n-1}^{n}+a_{n-2}^{n}+\cdots +a_{1}^{n}=a$.

Beispiele

Beispiel 1:

Die Dezimalzahl $62$ ist eine narzisstische Zahl mit Basis $b=4$.

Es ist $62=332_{4}$ im Vierersystem (es ist ${\underline {3}}\cdot 4^{2}+{\underline {3}}\cdot 4^{1}+{\underline {2}}\cdot 4^{0}=62$), und tatsächlich gilt für die dann dreistellige Zahl: $62=332_{4}=3^{3}+3^{3}+2^{3}$.

Beispiel 2:

Die Dezimalzahl $2292$ ist eine narzisstische Zahl mit Basis $b=6$.

Es ist $2292=14340_{6}$ im Sechsersystem (es ist ${\underline {1}}\cdot 6^{4}+{\underline {4}}\cdot 6^{3}+{\underline {3}}\cdot 6^{2}+{\underline {4}}\cdot 6^{1}+{\underline {0}}\cdot 6^{0}=2292$), und tatsächlich gilt für die dann fünfstellige Zahl: $2292=14340_{6}=1^{5}+4^{5}+3^{5}+4^{5}+0^{5}$.

Eine Liste der narzisstischen Zahlen mit Basis $b=10$ wurde schon weiter oben angegeben (Folge A005188 in OEIS).

Es folgt eine Liste der narzisstischen Zahlen mit Basis $b$, geschrieben im jeweiligen System (wobei aus Ermangelung an weiteren Ziffern $A=10,B=11,\ldots$ gesetzt wird) bzw. im Dezimalsystem:

Basis b	narzisstische Zahlen zur Basis b	narzisstische Zahlen zur Basis 10
2	0, 1	0, 1
3	0, 1, 2, 12, 22, 122	1, 2, 5, 8, 17
4	1, 2, 3, 130, 131, 203, 223, 313, 332, 1103, 3303 (Folge A010343 in OEIS)	1, 2, 3, 28, 29, 35, 43, 55, 62, 83, 243 (Folge A010344 in OEIS)
5	1, 2, 3, 4, 23, 33, 103, 433, 2124, 2403, 3134, 124030, 124031, 242423, 434434444, 1143204434402, 14421440424444 (Folge A010345 in OEIS)	1, 2, 3, 4, 13, 18, 28, 118, 289, 353, 419, 4890, 4891, 9113, 1874374, 338749352, 2415951874 (Folge A010346 in OEIS)
6	1, 2, 3, 4, 5, 243, 514, 14340, 14341, 14432, 23520, 23521, 44405, 435152, 5435254, 12222215, 555435035, 1053025020422, 1053122514003, 1435403205450, 1435403205451, 1450005114454, 2135254510352, 2145555022413, 2500150125455, 133024510545125, 13435022253535055, 15205355253553320, 15205355253553321, 105144341423554535 (Folge A010347 in OEIS)	1, 2, 3, 4, 5, 99, 190, 2292, 2293, 2324, 3432, 3433, 6197, 36140, 269458, 391907, 10067135, 2510142206, 2511720147, 3866632806, 3866632807, 3930544834, 4953134588, 5018649129, 6170640875, 124246559501, 4595333541803, 5341093125744, 5341093125745, 19418246235419 (Folge A010348 in OEIS)
7	1, 2, 3, 4, 5, 6, 13, 34, 44, 63, 250, 251, 305, 505, 12205, 12252, 13350, 13351, 15124, 36034, 205145, 1424553, 1433554, 3126542, 4355653, 6515652, 125543055, 161340144, 254603255, 336133614, 542662326, … (Folge A010349 in OEIS)	1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 25, 32, 45, 133, 134, 152, 250, 3190, 3222, 3612, 3613, 4183, 9286, 35411, 191334, 193393, 376889, 535069, 794376, 8094840, 10883814, 16219922, 20496270, 32469576, 34403018, 416002778, 416352977, … (Folge A010350 in OEIS)
8	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 24, 64, 134, 205, 463, 660, 661, 40663, 42710, 42711, 60007, 62047, 636703, 3352072, 3352272, 3451473, 4217603, 7755336, 16450603, 63717005, 233173324, 3115653067, 4577203604, 61777450236, 147402312024, … (Folge A010351 in OEIS)	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 20, 52, 92, 133, 307, 432, 433, 16819, 17864, 17865, 24583, 25639, 212419, 906298, 906426, 938811, 1122179, 2087646, 3821955, 13606405, 40695508, 423056951, 637339524, 6710775966, 13892162580, 32298119799, … (Folge A010354 in OEIS)
9	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 45, 55, 150, 151, 570, 571, 2446, 12036, 12336, 14462, 2225764, 6275850, 6275851, 12742452, 356614800, 356614801, 1033366170, 1033366171, 1455770342, 8463825582, 131057577510, 131057577511, …(Folge A010352 in OEIS)	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 41, 50, 126, 127, 468, 469, 1824, 8052, 8295, 9857, 1198372, 3357009, 3357010, 6287267, 156608073, 156608074, 403584750, 403584751, 586638974, 3302332571, 42256814922, 42256814923, 114842637961, … (Folge A010353 in OEIS)
10	siehe oben (Folge A005188 in OEIS)	siehe oben (Folge A005188 in OEIS)
…	…	…
12	0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, 25, A5, 577, 668, A83, …	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 29, 125, 811, 944, 1539, 28733, 193084, 887690, 2536330, 6884751, 17116683, 5145662993, 25022977605, 39989277598, 294245206529, 301149802206, 394317605931, 429649124722, 446779986586, … (Folge A161949 in OEIS)
…	…	…
16	0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F, 156, 173, 208, 248, 285, 4A5, 5B0, 5B1, 60B, …	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 342, 371, 520, 584, 645, 1189, 2458, 2729, 1456, 1457, 1547, 1611, 2240, 2241, 2755, 3240, 3689, 3744, 3745, 47314, 79225, 177922, 177954, 368764, 369788, 786656, 786657, 787680, 787681, 811239, 812263, … (Folge A161953 in OEIS)
…	…	…

Beispiel 3:

Wenn man die k-ten Potenzen der Ziffern einer k-stelligen Zahl n aufsummiert, erhält man (für n=1, 2, 3, 4, …) die folgenden Werte:

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 2, 5, 10, 17, 26, 37, 50, 65, 82, 4, 5, 8, 13, 20, 29, 40, 53, 68, 85, 9, 10, 13, 18, 25, 34, 45, 58, 73, 90, 16, 17, 20, 25, 32, 41, 52, 65, 80, 97, 25, 26, 29, 34, 41, 50, 61, 74, 89, 106, 36, 37, 40, 45, 52, 61, 72, 85, 100, 117, 49, 50, 53, 58, 65, … (Folge A101337 in OEIS)

Die obige Liste ist so zu deuten: zum Beispiel steht an der $27$. Stelle (dieser Wert $27$ ist zweistellig) der Wert $53$. Wenn man also von $27$ die Ziffern mit der Anzahl ihrer Stellen, also $2$, potenziert, ergibt es $53$. Tatsächlich ist $2^{2}+7^{2}=53$. Erhält man wieder exakt den Wert der Stelle (in diesem Fall wäre es $27$ gewesen), hätte man eine narzisstische Zahl gefunden.

Eigenschaften

• Die Anzahl der narzisstischen Zahlen in einer gegebenen Basis b ist endlich.

Beweis:

Die maximal mögliche Summe von k-ten Potenzen einer k-stelligen Zahl in der Basis $b$ ist $k\cdot (b-1)^{k}$. Ab einer gewissen Größe von k gilt aber auf jeden Fall $k\cdot (b-1)^{k}<b^{k-1}$. Somit darf keine narzisstische Zahlen mit Basis $b$ mehr als k Stellen haben, was bedeutet, dass es nur endlich viele narzisstische Zahlen geben kann.

• Spezialfall: Jede narzisstische Zahl im Dezimalsystem muss kleiner als $10^{60}$ sein.

Beweis:

Wegen der obigen Eigenschaft muss für k-stellige Zahlen gelten: $k\cdot 9^{k}<10^{k-1}$. Diese Ungleichung hat die Lösung $k\leq 60$.

Somit darf eine narzisstische Zahl im Dezimalsystem nicht größer als $10^{60}$ sein.

• Es gibt nur 88 narzisstische Zahlen im Dezimalsystem. Die größte narzisstische Zahl im Dezimalsystem hat aber nur 39 Stellen (statt den oben angegebenen maximalen 60 Stellen) und ist die folgende:

$115.132.219.018.763.992.565.095.597.973.971.522.401=1^{39}+1^{39}+5^{39}+\ldots +4^{39}+0^{39}+1^{39}$

• Alle einstelligen Zahlen sind narzisstische Zahlen (in jeder Basis).
• Es gibt mindestens eine zweistellige narzisstische Zahl in einer Basis $b$ genau dann, wenn $b^{2}+1$ keine Primzahl ist.

Die Anzahl der zweistelligen narzisstischen Zahlen in der Basis $b$ ist dann $\tau (b^{2}+1)-2$, wobei $\tau (b)$ die Anzahl der positiven Teiler von $b$ ist (zum Beispiel ist $\tau (10)=4$, weil 10 die Teiler 1,2,5 und 10 hat).

• Jede Basis $b\geq 3$, welche kein Vielfaches von $9$ ist, hat mindestens eine dreistellige narzisstische Zahl. Die Basen ohne dreistellige narzisstische Zahlen sind die folgenden:

2, 72, 90, 108, 153, 270, 423, 450, 531, 558, 630, 648, 738, 1044, 1098, 1125, 1224, 1242, 1287, 1440, 1503, 1566, 1611, 1620, 1800, 1935, … (Folge A248970 in OEIS)

Es gibt mit diesen Basen also keine dreistellige Zahl $xyz_{b}$ mit $x^{3}+y^{3}+z^{3}=x\cdot b^{2}+y\cdot b+z$.

Perfekte digitale Invariante

Eine Zahl, deren Summe ihrer Ziffern, jeweils potenziert mit irgendeiner Zahl (und nicht mit ihrer Stellenanzahl), wieder die Zahl selbst ergibt, nennt man perfekte digitale Invariante (oder PDI). Diese Zahlen sind allerdings keine narzisstischen Zahlen. Im Gegensatz zu den narzisstischen Zahlen gibt es bei PDIs (mit Basis $b$) keine obere Schranke für die Größe der Zahl. Man weiß auch nicht, ob es bei gegebener Basis $b$ endlich oder unendlich viele PDIs gibt.

Beispiele:

• Die Dezimalzahl $4150$ hat vier Dezimalstellen, man kann sie aber als Summe von fünften Potenzen ihrer Dezimalstellen darstellen:

$4150=4^{5}+1^{5}+5^{5}+0^{5}$

Sie ist also eine perfekte digitale Invariante, aber keine narzisstische Zahl.

• Die kleinsten PDIs mit irgendeiner Potenz ihrer Ziffern sind

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 153, 370, 371, 407, 1634, 4150, 4151, 8208, 9474, 54748, 92727, 93084, 194979, 548834, 1741725, 4210818, 9800817, 9926315, 14459929, 24678050, 24678051, 88593477, 146511208, 472335975, 534494836, 912985153, … (Folge A023052 in OEIS)

Die dazugehörigen Potenzen sind

1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 4, 5, 5, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 6, 7, 7, 7, 7, 7, 8, 8, 8, 9, 9, 9, 9, … (Folge A046074 in OEIS)

• In den beiden oberen Listen stehen (zum Beispiel) an 29. Stelle die Zahlen 14459929 und 7. Das bedeutet, dass die 8-stellige Zahl

$14459929=1^{7}+4^{7}+4^{7}+5^{7}+9^{7}+9^{7}+2^{7}+9^{7}$ ist.

• In den beiden oberen Listen sind aber auch narzisstische Zahlen inkludiert. Zum Beispiel sind an 25. Stelle die Zahlen 1741725 und 7. Das bedeutet, dass die 7-stellige Zahl $1741725=1^{7}+7^{7}+4^{7}+1^{7}+7^{7}+2^{7}+5^{7}$ ist.
• Die folgende Liste gibt die kleinsten Zahlen an, die gleich sind der Summe ihrer Ziffern mit n-ter Potenz (n=1, 2, 3, …) (die 0 gibt an, dass es keine solche Zahl gibt):

2, 0, 153, 1634, 4150, 548834, 1741725, 24678050, 146511208, 4679307774, 32164049650, 0, 564240140138, 28116440335967, 0, 4338281769391370, 233411150132317, … (Folge A003321 in OEIS)

Es steht zum Beispiel an der sechsten Stelle $548834$. Das bedeutet, dass $n=6$ ist und dass gilt: $548834=5^{6}+4^{6}+8^{6}+8^{6}+3^{6}+4^{6}$

Narzisstische Zahlen mit steigender Potenz

Narzisstische Zahlen mit steigender Potenz sind Zahlen, deren Summe ihrer Ziffern, potenziert mit deren Stelle in der Zahl (von links gezählt), die Zahl selbst ergibt. Also zum Beispiel eine Zahl abc = $a^{1}+b^{2}+c^{3}$.

Beispiele:

• $2427=2^{1}+4^{2}+2^{3}+7^{4}=2+16+8+2401$
• $2646798=2^{1}+6^{2}+4^{3}+6^{4}+7^{5}+9^{6}+8^{7}$
• Folgende Zahlen sind in diesem Sinne narzisstisch:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 89, 135, 175, 518, 598, 1306, 1676, 2427, 2646798, 12157692622039623539 (Folge A032799 in OEIS)

Narzisstische Zahlen mit konstanter Basis

Narzisstische Zahlen mit konstanter Basis sind Zahlen, bei denen die Basis konstant ist und die Exponenten den Ziffern der Zahl entsprechen.

Beispiel:

$4624=4^{4}+4^{6}+4^{2}+4^{4}=256+4096+16+256$

Wilde narzisstische Zahlen

Wilde narzisstische Zahlen sind Zahlen, bei denen die Weise, auf die sie sich selbst aus ihren Ziffern erzeugen, nicht einheitlich ist.

Beispiel:

$24739=2^{4}+7!+3^{9}=16+5040+19683$

Interessante Zahlen

Interessante Zahlen sind noch freier als die wilden narzisstischen Zahlen bei ihrer Erzeugung:

Beispiele:

$3456=3!\cdot {\frac {4}{5}}\cdot 6!$

$355=3\cdot 5!-5$

$127=-1+2^{7}$

$343=(3+4)^{3}$

Siehe auch

• Fröhliche Zahl
• Glückliche Zahl
• Fortunate-Zahl
• Münchhausen-Zahl

Literatur

• The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Numbers. David Wells, ISBN 0-14-026149-4

Weblinks

• Eric W. Weisstein: Narzisstische Zahl. In: MathWorld (englisch).
• Prüfung auf narzisstische Zahlen in C# auf .NET-Snippets.de