Partitionsfunktion p(n) Rechner (Euler, Hardy-Ramanujan)
Partitionsfunktion Rechner p(n): pentagonale Rekurrenz nach Euler, disjunkte Teile q(n), Partitionen in k Teile und asymptotische Hardy-Ramanujan-Näherung.
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Die Partitionsfunktion
Die Partitionsfunktion p(n) zählt, auf wie viele Arten eine positive ganze Zahl n als Summe positiver ganzer Zahlen geschrieben werden kann, wobei die Reihenfolge keine Rolle spielt. Beispielsweise p(4) = 5, da 4 = 4 = 3+1 = 2+2 = 2+1+1 = 1+1+1+1. Sie ist eines der meistuntersuchten Objekte der additiven Zahlentheorie mit tiefen Verbindungen zu Modulformen und Darstellungstheorie.
Anfangswerte
p(0)=1, p(1)=1, p(2)=2, p(3)=3, p(4)=5, p(5)=7, p(6)=11, p(7)=15, p(8)=22, p(9)=30, p(10)=42, p(100)=190569292. Wachstum sub-exponentiell: ~ exp(c*sqrt(n)).
Eulers erzeugende Funktion
Euler (1741) entdeckte:
Sigma_{n>=0} p(n) * x^n = Prod_{k=1}^{unendlich} 1/(1 - x^k)
Er bewies auch: q(n) = Partitionen in verschiedene Teile = Partitionen in ungerade Teile.
Pentagonalzahlensatz
Prod_{k>=1} (1 - x^k) = 1 + Sigma_{m!=0} (-1)^m * x^(m(3m-1)/2)
Liefert die pentagonale Rekurrenz: p(n) = p(n-1) + p(n-2) - p(n-5) - p(n-7) + p(n-12) + p(n-15) - ... in O(n^1.5).
Hardy-Ramanujan-Formel
Hardy-Ramanujan (1918): p(n) ~ (1/(4n*sqrt(3))) * exp(pi * sqrt(2n/3))
Für n=100 beträgt der relative Fehler nur 0.4%; für n=1000 sinkt er auf 0.05%.
Konvergente Reihe von Rademacher
Rademacher (1937) verbesserte Hardy-Ramanujan zu einer konvergierenden exakten Reihe mit Kloosterman-Summen. Abgeschnitten nach dem ersten Term ergibt sich Hardy-Ramanujan.
Fünf Modi
- Einzelnes p(n) mit pentagonaler Rekurrenz.
- Folge p(0..n).
- q(n) verschiedene Teile.
- p(n, k) genau k Teile.
- Hardy-Ramanujan mit relativem Fehler.
Ramanujans Kongruenzen
- p(5k + 4) ≡ 0 (mod 5)
- p(7k + 5) ≡ 0 (mod 7)
- p(11k + 6) ≡ 0 (mod 11)
Ahlgren und Ono (2000) verallgemeinerten dies auf alle Primzahlen >= 5.
Anwendungen
- Darstellungstheorie: irreduzible Darstellungen von S_n werden durch Partitionen indiziert.
- Statistische Physik: Bose-Einstein-Bosonen.
- Stringtheorie: bosonisches Spektrum.
- Kombinatorik: Young-Tableaus.
Geschichte der Partitionsfunktion
Das Studium der Zahlpartitionen geht auf Leonhard Euler zurück, der im 18. Jahrhundert ihre erzeugende Funktion und den berühmten Pentagonalzahlensatz fand, die Grundlage jeder effizienten Berechnung von p(n). Doch die legendärste Seite wurde 1918 durch die Zusammenarbeit von G. H. Hardy und Srinivasa Ramanujan geschrieben. Das geniale, autodidaktische indische Mathematiker und der strenge Cambridge-Professor entwickelten gemeinsam eine überraschend genaue asymptotische Formel für p(n), ein Ergebnis, das die Geburt der "Kreismethode" in der Analysis markierte. Zuvor hatte der Mathematiker Percy MacMahon mit außerordentlicher Geduld von Hand die Werte von p(n) bis p(200) = 3.972.999.029.388 berechnet, Tabellen, die Ramanujan nutzte, um seine berühmten Kongruenzen zu erahnen. Die Partitionsfunktion bleibt eine faszinierende Brücke zwischen Kombinatorik, Analysis und Zahlentheorie.
Partitionen in der statistischen Physik
Zahlpartitionen sind nicht nur ein mathematisches Spiel: sie erscheinen natürlich in der statistischen Mechanik und der Quantenphysik. Verteilt man identische Energiequanten auf die Niveaus eines Systems, wie bei Bosonen, die der Bose-Einstein-Statistik gehorchen, so wird die Anzahl der Möglichkeiten, die Gesamtenergie aufzuteilen, gerade von den Partitionen bestimmt. In der Stringtheorie und beim Studium Schwarzer Löcher zählt die Partitionsfunktion die mikroskopischen Zustände, die einer gegebenen Energie entsprechen, und verbindet sich mit der Entropie. Das nahezu exponentielle Wachstum von p(n), beschrieben durch die Hardy-Ramanujan-Formel, spiegelt die sehr rasche Vervielfachung der zugänglichen Zustände mit steigender Energie wider. Diese tiefe Verbindung zwischen Kombinatorik und Physik macht die Partitionsfunktion zu einem überraschend universellen Werkzeug.
Aktualisiert im Juli 2026
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