「黎曼猜想」與「朗蘭茲綱領」,在尋找素數的途中接力前行

2020-12-05 數學真美

黎曼猜想至今仍然是一個懸而未決的難題。於1859年提出來之後的150年當中,多次有人聲稱證明了「黎曼猜想」,但都是烏龍事件。

黎曼猜想到底是個什麼東西?

用一句通俗的話來說,就是在整數中尋找「素數」的分布規律。

1859年,黎曼向柏林提交了一篇名為「論小於給定數值的素數個數」的論文。

於是,數學史上極為重要的一道難題誕生了。

為什麼說它極為重要呢?

因為時至今日,數學中已有1000多條數學命題是以黎曼猜想的成立為前提條件推導出來的。

換句話說,這個猜想如果被證明,將一夜之間誕生1000多個定理,從此,數學中極為重要的數學分支「數論」,便有了牢固的理論基礎,對「朗蘭茲綱領」大統一理論的發展,將是又一次極大的支持,對「現代數學」所產生的推動作用是無法估量的。

「黎曼猜想」的問題,歸根結底是「數論」的問題。

就目前來說,「數論」分為「初等數論」和「解析數論」兩個階段。

那麼,「數論」是什麼呢?

其實,我們在小學一年級就開始接觸「數論」的內容了。

沒錯,「數論」這麼一個高端大氣上檔次的數學分支,最初的名字就叫「算術」。

小學中的「整數、自然數、素數」的性質,就是「數論」研究的主要內容。

當一個整數與另外一個整數「整除」時,就是「整除理論」。

當「兩整數之差」能被第三個整數整除時,就是「同餘理論」,記作(a≡b)/m(modm)。

「整數集」加上「分數集」,就組成了「有理數集」

有理數是繼續學習實數、代數式、方程、不等式、直角坐標系、函數、統計等數學知識的基礎。

數學上,有理數是一個「整數」和另一個「正整數」的「比」。

有理數的「小數部分」是「有限小數」或「無限循環小數」。

無理數的「小數部分」是「無限不循環小數」。

而當更為複雜的「除法」組成「繁分數」時,就是「連分數理論」。

而「連分數理論」就是另外一種形式的「實數系理論」。

實數系最重要的特徵是「連續性」,有了實數的連續性,才能討論「極限」、「收斂」、「無窮小」、漸進」、「連續」、「微分」和「積分」等重要的數學概念。

正是在討論「函數」的各種「極限」運算的合法性的過程中,人們逐漸建立起了嚴密的「數學分析」理論體系。

而研究「連分數」的動機是,讓實數有「數學上純粹」的表示,即:所有「無理數」都可以精確地表示為「無限連分數。

換句話說,我們可以用「連分數」的形式精確而簡潔地表示出所有的「實數」。

對於有理數,它是「有限連分數」,對於無理數,則稱作「最佳有理數逼近」。

連分數的定義具有很強的「遞歸性」,我們可以很輕鬆地將一個「實數「轉換為「連分數」:這些「有理數」可以叫做這個「連分數」的收斂。

「初等數論」以「算術方法」為研究「整數的性質」。

隨著數學的發展,數學中有越來越多的難題無法用「初等數論」來解決。

比如在數學史上,「數論」自2000多年前的古希臘發展起來,隨後陷入了1000多年漫長的停滯時期。

直到17世紀,隨著牛頓與萊布尼茨完成了「微積分」的創立,並在此基礎上建立了「數學分析學」。

18世紀,「歐拉恆等式」成為了「數論」中最主要的定理之一。不久之後,「狄利克雷」創立了研究數論「狄利克雷特徵標」與「狄利克雷L函數」,奠定了「解析數論」的基礎。

我國著名的數學家華羅庚早年的研究領域也是「解析數論」,創立了「中國解析數論學派」,在國際上頗負盛名,對於「質數分布問題」與「哥德巴赫猜想」的研究做出了許多重大貢獻。

「解析數論」是數論中以「分析方法」作為研究工具的一個分支,是在「初等數論」的基礎上發展起來的,用來解決「初等數論」無法解決的問題。

早在2000多年前,古希臘數學家就已經證明了「素數」無窮多,但是沒有給出構造素數的公式。

所以人們利用「埃拉特斯特篩法」轉換,構成了一個公式。

這個公式的原理是:要得到自然數n以內的全部素數,必須把「不大於根號n」的所有素數的倍數剔除,剩下的就是素數。

2000多年前「歐幾裡德」在證明「素數無窮多」時就埋下了尋求「素數普遍公式」的伏筆。

2000多年來,「數論學」最重要的一個任務,就是尋找「素數普遍公式」。

為此,一代又一代數學精英前僕後繼,耗費了巨大的心血,始終未獲成功。黎曼曾想用他的「ζ函數」的「零點」來逼近「素數普遍公式」,至今未獲成功。

也有人反向思考,用素數普遍公式逼近「零點」來解決黎曼猜想。

但是這條路,依然很迷茫,有時真讓人們懷疑,素數到底有沒有公式。

不過,「希爾伯特」曾在1900年的國際數學家大會上肯定地說,只要有一個明確的定義,就應該有一個公式。

早在2000多年前的古希臘,數學之父「泰列斯」就提出了在「自然規律」中去尋找「數學規律」。

而在現代文明背景下的1967年,數學家「朗蘭茲」提出了旨在以「數論為中心」,統一諸多數學分支的「朗蘭茲綱領」。

數學經過漫長發展,以「算術」作為起源,以追尋「素數分布規律」為主線,經過2000多年的艱辛探索,建立了諸多數學分支。

這些「數學分支」就象一張巨大的網,看似紛芸繁雜,實則井然有序,絲毫不亂。

這一張大網,早就蘊含於「自然規律」之中。

回顧歷史,人類之所以能成為萬物靈長,能夠在這顆蔚藍色的星球上創下輝煌燦爛的文明,這一切源自於這張數學巨網的啟示。

數學來源於「自然」,必將回歸於「自然」。

「朗蘭茲綱領」的提出,就是基於這種偉大的「自然」思想。

將數學紛紜複雜的諸多數學分支分出經緯,歸結於一點。

也許,數學的發展正如道家的智慧:一生二、二生三、三生萬物,而後萬物歸一。

小夥伴們,你們對此有什麼看法呢?歡迎留言討論。

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