Il Problema di Waring

Nel 1770 J. L. Lagrange dimostrò che ogni numero naturale è somma di al più quattro quadrati. Nello stesso anno, motivato da questo risultato, E. Waring propose quello che sarebbe poi diventato noto come

Problema di Waring. Dato un intero positivo $k$, esiste un (minimo) numero $g(k)$ tale che ogni numero naturale $n$ si scriva come somma di al più $g(k)$ potenze $k$-esime?

Banalmente $g(1)=1$, mentre il risultato di Lagrange, insieme al fatto che esistono numeri naturali che non si scrivono come somma di tre quadrati (ad esempio $7$), implica $g(2)=4$.

Nel 1909, D. Hilbert dimostrò [H09] che la risposta al Teorema di Waring è affermativa, ma le sue tecniche non erano costruttive, pertanto non davano indicazioni su come determinare esplicitamente i valore di $g(k)$ in funzione di $k$. Alcuni di tali valori vennero in seguito ricavati da differenti autori utilizzando metodi ad hoc:

• $g(3)=9$ ($n=23$ è il minimo intero positivo che non è somma di $8$ cubi), vedi [W09, K12]
• $g(4)=19$ ($n=79$ è il minimo intero positivo che non è somma di $18$ quarte potenze)
• $g(5)=37$
• $g(6)=73$, vedi [P40].

I valori attualmente conosciuti per $g(k)$ sono tabulati nella successione OEIS A002804, i cui primi termini sono $$1, 4, 9, 19, 37, 73, 143, 279, 548, 1079, 2132, 4223, 8384, 16673, 33203, 66190, 132055.$$ Una quantità correlata a $g(k)$ è $G(k)$, definito come il minimo intero tale che ogni numero naturale $n$ sufficientemente grande si possa esprimere come somma di al più $G(k)$ potenze $k$-esime. Ovviamente, si ha $G(k) \leq g(k)$ per ogni $k$, e l'eguaglianza vale se e solo se esistono infiniti numeri naturali che non si esprimono come somma di $g(k)-1$ potenze $k$-esime.

Siccome nessun intero congruente a $7 $ (modulo $8$) può essere rappresentato come somma di tre quadrati, si ha $G(2)=g(2)=4$. Il problema della determinazione di $G(k)$ è più difficile del corrispondente problema per $g(k)$, e infatti i valori di $G(k)$ per $k \geq 3$ non sono noti (eccetto $G(4)=16$, vedi [D39]), tuttavia si hanno a disposizione alcune stime. Ad esempio, si sa che $4 \leq  G(3) \leq 7 $.

In generale, usando il cosiddetto metodo del cerchio di Hardy e Littlewood, Vinogradov ha dimostrato il bound superiore $$G(k) \leq  k(3 \log k + 11).$$ Per ulteriori dettagli sull'argomento, il lettore può consultare il survey [VW02].

E. Waring (fonte Wikipedia) 

Riferimenti.

[D39] H. Davenport: On Waring's Problem for Fourth Powers, Ann. Math. 40 (1939), 731-747
[H09] D. Hilbert: Beweis für die Darstellbarkeit der ganzen Zahlen durch eine feste Anzahl $n$-ter Potenzen (Waringsches Problem),  Mathematische Annalen  67 (3) (1909), 281–300.
[W09] A. Wieferich: Beweis des Satzes, daß sich eine jede ganze Zahl als Summe von höchstens neun positiven Kuben darstellen läßt,  Mathematische Annalen 66 (1) (1909), 95–101.
[K12] A. Kempner: Bemerkungen zum Waringschen Problem, Mathematische Annalen 72 (3) (1912), 387–399.
[P40] S. S. Pillai: On Waring's problem $g(6)=73$, Proc. Indian Acad. Sci. 12 (1940), 30–40.
[VW02] R.C. Vaughan, T. Wooley: Waring Problem: a survey, in  Number Theory for the Millennium. III. Natick, MA: A. K. Peters. pp. 301–340. ISBN 978-1-56881-152-9.