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解析數論
(數學概念)
鎖定
解析數論簡介
數論中以分析方法作為研究工具的一個分支。分析方法在數論中的應用可以追溯到18世紀L.歐拉的時代。歐拉證明了,對實變數s>1有恆等式 (式中s取遍所有素數)成立,並且由此推出素數有無窮多個。歐拉恆等式是數論中最主要的定理之一。隨後P.G.L.狄利克雷創立了研究數論問題的兩個重要工具,即狄利克雷(剩餘)特徵標與狄利克雷L函數,奠定了解析數論的基礎。
聯繫數論和複變函數論的橋樑是所謂的佩隆公式(Peron)。很多數論問題可以歸結為某類求和函數的估計問題,而利用佩隆公式,就可以將求和函數的估計轉變為某類複變函數的零點、極點的分佈情況的估計。 大多數數論問題最終都能歸結為L函數的性質討論。
令π(x)表示不超過x的素數的個數,關於π(x)的研究是素數論的中心問題,黎曼在數論中引入複變函數ζ(s),稱為黎曼ζ函數(見數論),他對這個函數作了深入的研究,得到了許多重要結果。特別是 ,他建立了一個與ζ(s)的零點有關的表示π(x)的公式,因此研究素數分佈問題的關鍵在於研究ζ(s)的性質特別是它的零點的性質。這樣,黎曼開創瞭解析數論的一個新時期。黎曼提出一個猜想:ζ(s)的所有復零點都在直線Res=1/2上,這就是所謂黎曼猜想。它是尚未解決的最著名的數學問題之一。
1896年,J.阿達馬與C.J.dela瓦萊-普桑用解析方法同時並且相互獨立地證明了素數定理即當x→∞時,π(x)~.x/lnx (這個問題最早由高斯提出),從此解析數論開始得到迅速發展。1949年,A.塞爾伯格與P.愛爾特希分別給出了對於素數定理的一個十分初等的分析證明,當然它是很複雜的。
解析數論基礎
歐拉恆等式是數論中最重要的定理之一,是算術基本定理的解析等價形式,揭示了素數p和自然數n之間的積性關係。他還提出了母函數法,利用冪級數來研究整數分拆,這導致圓法和指數和方法的產生。其後,P.G.L.狄利克雷應用分析方法於1837年解決了首項與公差互素的算術級數中有無限多個素數的問題,又於1839年推證出二次域的類數公式。他創立了研究數論的兩個重要工具,即狄利克雷(剩餘)特徵標與狄利克雷l函數,奠定了解析數論的基礎。
解析數論發展
1896年,J.(-S.)阿達馬與C.de la瓦萊-普桑嚴格地按照黎曼提出的方法和結果,用整函數理論,同時證明了素數定理:當x→∞時,π(x)~x(lnx)-1。從此解析數論開始得到迅速發展,而在此以前的30年中卻無顯著進展。
在數論中應用分析方法,大致有兩種情況:一是數論問題本身不涉及分析概念。這類問題又可分為兩種情形,或者有一些問題不應用分析方法就不能解決,例如,上述的狄利克雷的兩個工作、三素數定理(見數論、堆壘數論)、華林問題;或者有一些問題應用分析方法可使證明簡單、可以對問題做定量研究,例如,應用母函數法對整數分拆的一些恆等式的證明、歐拉證明素數有無窮多個的分析方法導致H.默滕斯證明了關於素數平均分佈的三個定理、堆壘數論的許多問題引入分析方法證明解的存在性,得出解數的漸近公式或上下界估計。二是數論問題本身必須用分析概念才能表達清楚。例如,關於素數定理,即不大於x的素數個數π(x)等於多少的問題(見素數分佈)。此外,利用分析概念還可提出新的數論問題,例如各種數論函數的階估計及均值估計(見格點問題)。
解決一個數論問題需要用到多深的分析工具,或者能否不用分析工具。這也是數學家努力為之探索的問題。例如,在1949年A.賽爾伯格與P.愛爾特希不利用ζ函數,且除了極限、ex和lnx的性質外,也不需要其他的分析知識,給出了素數定理一個十分初等的分析證明。當然它是很複雜的。
解析數論兩大問題
解析數論,一直以來有兩大問題,素數方程與L-函數。
解析數論素數方程
素數,即我們中小學學到的質數,從乘法角度講,相當於構成整數的“原子”。Goldbach猜想,即是一種素數方程問題,即方程的解集在素數集合裏考慮。
Fields獎得主Bombieri在大篩法方面做出了重要工作,從而給陳景潤等一批中國數學家帶來機會,先是潘承洞解決了1+5型問題,王元解決2+3型的同時構造出了後續攻擊路線的解決框架,包括1+4和1+3,最後由陳景潤解決了1+2型問題,一直到現在都無法改進,是中國數學家目前為止最拿得響的工作,因為目前誰也做不出最難的1+1型。
素數方程方面,1998年Fields獎得主Gowers獲獎之後,緊接着在整數方程做出了開創性的工作,然後由Terence Tao(陶哲軒)和Ben Green推廣到素數方程方面,這個推廣,很不平凡,陶哲軒獲得了2006年Fields獎。
Gowers-Tao-Green的思想,將素數方程做了系統的突破,可以解決絕大多數的線性方程組問題,唯獨不能攻擊Goldbach猜想。
素數方程方面,一直以來有兩大方法:篩法和圓法。前者自古希臘時期就被發現,陳景潤的工作,就是動用此法。圓法,則是英國劍橋的Hardy-Littlewood-Ramanujan發明,至今也應用了90多年了。
Gowers-Tao-Green,其價值地位相當於第三種方法出世,正是因為增加了新的理解,才有可能得到新的突破性結果。Gowers-Tao-Green增加的是哪種新思想,這種新思想,除了素數方程的數論問題之外,亦很可能對其他數學領域也產生深刻影響。
經典解析數論在素數方程方面的研究思路是:
A-Step 1. Summation Formulas (各種求和公式)
A-Step 2. Equations Detect (方程探測)
解析數論L-函數
一般地説,
-函數來源由兩類組成:算術L-函數和自守L-函數。這兩者又是密切聯繫在一起的,根據羅伯特·朗蘭茲的猜想,籠統地説, 一切有意義的L-函數都來自自守L-函數。
算術L-函數
簡單地説,
Dedekind zeta-函數:設
為一代數數域,
阿廷L-函數:設
是一個有限維的伽羅瓦表示,其中
為一代數數域,
自守L-函數
全純模形式的L-函數,Maass L-函數,標準L-函數等等。
研究內容
根據羅伯特·朗蘭茲在國際數學家大會上的報告所指,研究一個L-函數主要有三部分內容:
1.解析延拓
L-函數的解析延拓和函數方程這是最基本的一部分。對於一般的自守L-函數這是較容易得到的, 但是對算術的L-函數這一部分並不是容易得到的。例如,對於Haass-Weil L-函數,這部分就是谷山-志村猜想,該猜想一部分就能推出費爾馬大定理。關於阿廷L-函數的全純解析沿拓的阿廷猜想也是數論中重要的未知問題。
其中
為復參數。
定義下面關於
的完全
-函數
那麼,一般地我們有函數方程
其中
為模為1的複數,
為關於
的對偶對象。
2.零點的分佈
非零區域:如黎曼zeta函數的目前最好的非零區域為
在假設黎曼猜想下,零點虛部的分佈問題與隨機矩陣的聯繫等等。
3.特殊點的值