回文數或回文數是指一個像14641這樣“對稱”的數,即:將這個數的數字按相反的順序重新排列后,所得到的數和原來的數一樣。這里,“回文”是指像“媽媽愛我,我愛媽媽”這樣的,正讀反讀都相同的單詞或句子。
回文數在休閑數學領域備受關注。一個典型的問題就是,尋找那些具有某種特性,並且符合回文特征的數。例如:
- 回文素數:2, 3, 5, 7, 11, 101, 131, 151,…
A002385
- 回文完全平方數:0, 1, 4, 9, 121, 484, 676, 10201, 12321,…
A002779
巴克敏斯特·福樂在其着作《協同學》(Synergetics)中把回文數也叫做沙拉扎數(Scheherazade Numbers),沙拉扎是《一千零一夜》中那位講故事的王妃、即宰相的女兒的名字。
直觀地,在任意的進位制下都存在着無窮多個回文數。可以這樣說明:在任意的基下,一個像101, 1001, 10001,… (即由一個1后接n個0再后接一個1)這樣的數可組成一個無窮多項的序列,其各項全部都是回文數,因此這個基下的回文數有無窮多個(其中包括但不限於該序列中的無窮多個項)。
正式定義
雖然通常是在十進制系統下來考慮回文數,但回文性的性質可推廣用於任何記數系統中的自然數。考慮以 {\displaystyle b\ (b\geq 2)} 為基的數 {\displaystyle n\ (ngt;0)}
,在基 {\displaystyle b}
下,{\displaystyle n}
可按標准方式表示為 {\displaystyle k+1}
個數字 {\displaystyle a_{i}}
,即:
-
{\displaystyle n=\sum _{i=0}^{k}a_{i}b^{i}}
其中,如慣例,對所有 {\displaystyle i} 都要求 {\displaystyle 0\leq a_{i}\leq b}
,且 {\displaystyle a_{k}\neq 0}
。 則 {\displaystyle n}
稱為回文數,當且僅當對所有 {\displaystyle i}
都有{\displaystyle a_{i}=a_{k-i}}
。零在任何基下均寫作 0 並由定義認為它也是回文數。
另一種等價的定義如下:在任意固定的基 {\displaystyle b} 下,數{\displaystyle n}
稱為回文的當且僅當:
- {\displaystyle n}
是單個數字,或
- {\displaystyle n}
為兩個相同數字,或
- {\displaystyle n}
由三個或更多數字組成,其首位和末位數字相同,且從{\displaystyle n}
中去掉該首位和末尾數字后的數也是回文的。
十進制回文數
10基數下,所有單個數字{0、1、2、3、4、5、6、7、8、9}都是回文數。
兩位數的回文數有9個:
- {11, 22, 33, 44, 55, 66, 77, 88, 99}
三位數中有90個回文數:
- {101, 111, 121, 131, 141, 151, 161, 171, 181, 191, ..., 909, 919, 929, 939, 949, 959, 969, 979, 989, 999}
四位數中也有90個回文數:
- {1001, 1111, 1221, 1331, 1441, 1551, 1661, 1771, 1881, 1991, ..., 9009, 9119, 9229, 9339, 9449, 9559, 9669, 9779, 9889, 9999}
因此總共有199個小於104的回文數。小於105的回文數有1099個,對其它的10的整數冪10n來說,分別有:1999, 10999, 19999, 109999, 199999, 1099999, ... (OEIS中的數列A070199)個回文數。下表列出了一些常見類型的回文數在這些10的冪為界限下的個數(其中包括將0也作為一個回文數):
101 | 102 | 103 | 104 | 105 | 106 | 107 | 108 | 109 | 1010 | |
n為自然數 | 10 | 19 | 109 | 199 | 1099 | 1999 | 10999 | 19999 | 109999 | 199999 |
n為偶數 | 5 | 9 | 49 | 89 | 489 | 889 | 4889 | 8889 | 48889 | 88889 |
n為奇數 | 5 | 10 | 60 | 110 | 610 | 1110 | 6110 | 11110 | 61110 | 111110 |
n為完全平方數 | 3 | 6 | 13 | 14 | 19 | + | + | |||
n為素數 | 4 | 5 | 20 | 113 | 781 | 5953 | ||||
n為因數中不含平方數的數 | 6 | 12 | 67 | 120 | 675 | + | + | + | + | + |
n為可被某平方數整除的數(即μ(n)=0) | 3 | 6 | 41 | 78 | 423 | + | + | + | + | + |
n為素數的平方數 | 2 | 3 | 5 | |||||||
n具有偶數個相異的素因子(即μ(n)=1) | 2 | 6 | 35 | 56 | 324 | + | + | + | + | + |
n具有奇數個相異的素因子(即μ(n)=-1) | 5 | 7 | 33 | 65 | 352 | + | + | + | + | + |
n本身為偶數並具有奇數個素因子 | ||||||||||
n本身為偶數並具有奇數個相異的素因子 | 1 | 2 | 9 | 21 | 100 | + | + | + | + | + |
n本身為奇數並具有奇數個素因子 | 0 | 1 | 12 | 37 | 204 | + | + | + | + | + |
n本身為奇數並具有奇數個相異的素因子 | 0 | 0 | 4 | 24 | 139 | + | + | + | + | + |
n本身為偶數且因子中無平方數、有偶數個相異素因子 | 1 | 2 | 11 | 15 | 98 | + | + | + | + | + |
n本身為奇數且因子中無平方數、有偶數個相異素因子 | 1 | 4 | 24 | 41 | 226 | + | + | + | + | + |
n為奇數並具有正好兩個素因子 | 1 | 4 | 25 | 39 | 205 | + | + | + | + | + |
n為偶數並具有正好兩個素因子 | 2 | 3 | 11 | 64 | + | + | + | + | + | |
n為偶數並具有正好三個素因子 | 1 | 3 | 14 | 24 | 122 | + | + | + | + | + |
n為偶數並具有正好三個相異的素因子 | ||||||||||
n為奇數並具有正好三個素因子 | 0 | 1 | 12 | 34 | 173 | + | + | + | + | + |
n為卡邁克爾數 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1+ | + | + | + | + |
n為滿足σ(n)是回文數的數 | 6 | 10 | 47 | 114 | 688 | + | + | + | + | + |
其它的基數下的回文數
也可在十進制以外的其它數系中考慮回文數。例如,在二進制中的回文數有:
- 0, 1, 11, 101, 111, 1001, 1111, 10001, 10101, 11011, 11111, 100001,…
以上這些數在十進制中即:0, 1, 3, 5, 7, 9, 15, 17, 21, 27, 31, 33,…(OEIS中的數列A006995)。梅森素數構成了二進制回文素數的一個子集。
通常在一個基數下的回文數在另一個基數下就不再是回文數。例如:1646110 = 404D16。(下標的數字表示的是基數,即n16表示以十六進制寫出的n)。然而,有些數字在幾個基數中都是回文數(稱為“協回文的”,copalindromic),例如10510在五個不同的基數下都是回文數:12214 = 1518 = 7714 = 5520 = 3334;十進制數1991在十六進制中為7C7,也是回文的。
在以18為基時,7的一些冪是回文的:
- 73 = 111
- 74 = 777
- 76 = 12321
- 79 = 1367631
對任意數n,在所有b ≥ n + 1的基數b下都是回文的(因為這時n是一個單位數);在基為n−1時同樣也是回文數(因為這時n就成了11n−1)。如果對於2 ≤ b ≤ n − 2,某數在基b下都是非回文數,則稱其是一個嚴格非回文數(Strictly non-palindromic number)。例如6在二進制是110,三進制是20,四進制是12,都不是回文數,因此它是嚴格非回文數。這樣的數其中一個特質是6以上的數都是質數。首幾項:1, 2, 3, 4, 6, 11, 19, 47, 53, 79, 103, ... (OEIS中的數列A016038)。