編輯本段數(shù)論概述
數(shù)論就是指研究整數(shù)性質(zhì)的一門理論。整數(shù)的基本元素是素數(shù),所以數(shù)論的本質(zhì)是對素數(shù)性質(zhì)的研
究。2000年前,歐幾里得證明了有無窮個素數(shù)。既然有無窮個,就一定有一個表示所有素數(shù)的素數(shù)通項公式,或者叫
素數(shù)普遍公式。它是和
平面幾何學(xué)同樣歷史悠久的學(xué)科。高斯譽之為“數(shù)學(xué)中的皇冠” 按照研究方法的難易程度來看,數(shù)論大致上可以分為
初等數(shù)論(古典數(shù)論)和高等數(shù)論(近代數(shù)論)。
初等數(shù)論主要包括
整除理論、
同余理論、
連分數(shù)理論。它的研究方法本質(zhì)上說,就是利用整數(shù)環(huán)的整除性質(zhì)。
初等數(shù)論也可以理解為用
初等數(shù)學(xué)方法研究的數(shù)論。
其中最高的成就包括高斯的“
二次互反律”等。
高等數(shù)論則包括了更為深刻的數(shù)學(xué)研究工具。它大致包括
代數(shù)數(shù)論、
解析數(shù)論、算術(shù)代數(shù)幾何等等。
編輯本段數(shù)論門類
初等數(shù)論
同上所述,
初等數(shù)論主要就是研究整數(shù)環(huán)的整除理論及同余理論。此外它也包括了連分數(shù)理論和少許
不定方程的問題。 本質(zhì)上說,初等數(shù)論的研究手段局限在整除性質(zhì)上。
初等數(shù)論中經(jīng)典的結(jié)論包括
算術(shù)基本定理、
歐幾里得的
質(zhì)數(shù)無限證明、中國剩余定理、
歐拉定理(其特例是
費馬小定理)、
高斯的二次互逆律 ,
勾股方程的
商高定理、
佩爾方程的連分數(shù)求解法等等。
《數(shù)論》英文版
解析數(shù)論
借助微積分及
復(fù)分析 (即
復(fù)變函數(shù))來研究關(guān)于整數(shù)的問題,主要又可以分為乘性數(shù)論與加性數(shù)論兩類。乘性數(shù)論藉由研究積性生成函數(shù)的性質(zhì)來探討質(zhì)數(shù)分布的問題,其中質(zhì)數(shù)定理與
狄利克雷定理為這個領(lǐng)域中最著名的古典成果。加性數(shù)論則是研究整數(shù)的加法分解之可能性與表示的問題,
華林問題是該領(lǐng)域最著名的課題。
解析數(shù)論的創(chuàng)立當(dāng)歸功于
黎曼。 他發(fā)現(xiàn)了黎曼zeta函數(shù)之解析性質(zhì)與數(shù)論中的
素數(shù)分布問題存在深刻聯(lián)系。確切的說, 黎曼ζ函數(shù)的非平凡
零點的分布情況決定了
素數(shù)的很多性質(zhì)。黎曼猜測, 那些零點都落在
復(fù)平面上實部為1/2的直線上。這就是著名的黎曼假設(shè)--被譽為千禧年七大世界數(shù)學(xué)難題之一。值得注意的是,
歐拉實際上在處理素數(shù)無限問題時也用到了解析方法。
解析數(shù)論方法除了圓法、篩法等等之外, 也包括和
橢圓曲線相關(guān)的模形式理論等等。此后又發(fā)展到自守形式理論,從而和
表示論聯(lián)系起來。
代數(shù)數(shù)論
代數(shù)數(shù)論,將整數(shù)環(huán)的數(shù)論性質(zhì)研究擴展到了更一般的整環(huán)上,特別是代數(shù)數(shù)域。一個主要課題就是關(guān)于代數(shù)整數(shù)的研究,目標是為了更一般地解決不定方程
求解的問題。 其中一個主要的歷史動力來自于尋找
費馬大定理的證明。
代數(shù)數(shù)論更傾向于從代數(shù)結(jié)構(gòu)角度去研究各類
整環(huán)的性質(zhì), 比如在給定整環(huán)上是否存在算術(shù)基本定理等等。
這個領(lǐng)域與
代數(shù)幾何之間的關(guān)聯(lián)尤其緊密, 它實際上也構(gòu)成了
交換代數(shù)理論的一部分。 它也包括了其他深刻內(nèi)容,比如表示論、p-adic理論等等。
《代數(shù)數(shù)論》英文版
幾何數(shù)論 數(shù)的幾何
主要在于通過幾何觀點研究整數(shù)(在此即
格點, 也稱
整點)的分布情形。最著名的定理為Minkowski 定理。 這門理論也是有閔科夫斯基所創(chuàng)。 對于研究
二次型理論有著重要作用。
計算數(shù)論
借助電腦的
算法幫助數(shù)論的問題,例如素數(shù)測試和因數(shù)分解等和
密碼學(xué)息息相關(guān)的話題。
超越數(shù)論
研究數(shù)的超越性,其中對于
歐拉常數(shù)與特定的 Zeta 函數(shù)值之研究尤其令人感到興趣。此外它也探討了數(shù)的
丟番圖逼近理論。
組合數(shù)論
利用組合和機率的技巧,非構(gòu)造性地證明某些無法用初等方式處理的復(fù)雜結(jié)論。這是由艾狄胥開創(chuàng)的思路。比如蘭伯特猜想的簡化證明。
算術(shù)代數(shù)幾何
這是數(shù)論發(fā)展到目前為止最深刻最前沿的領(lǐng)域, 可謂集大成者。
它從代數(shù)幾何的觀點出發(fā),通過深刻的數(shù)學(xué)工具去研究數(shù)論的性質(zhì)。比如外爾斯證明
費馬猜想就是這方面的經(jīng)典實例。 整個證明幾乎用到了當(dāng)時所有最深刻的理論工具。
當(dāng)代數(shù)論的一個重要的研究指導(dǎo)綱領(lǐng),就是著名的郎蘭茲綱領(lǐng)。
《計算數(shù)論》
其他的研究方法
除了上述傳統(tǒng)方法之外,也有其他一些研究數(shù)論之法, 但是沒有完全得到
數(shù)學(xué)家的認可。 比如有物理學(xué)家,通過
量子力學(xué)方法聲稱證明了
黎曼假設(shè)。
編輯本段數(shù)論的發(fā)展簡況
古代時期
公元前300年,古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得就發(fā)現(xiàn)了數(shù)論的本質(zhì)是素數(shù),他自己證明了有無窮多個素數(shù),公元前250年古希臘數(shù)學(xué)家埃拉托塞尼發(fā)明了一種篩法。
編輯本段數(shù)論的發(fā)展簡況
公元前300年,古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得就發(fā)現(xiàn)了數(shù)論的本質(zhì)是素數(shù),他自己證明了有無窮多個素數(shù),公元前250年古希臘數(shù)學(xué)家埃拉托塞尼發(fā)明了一種篩法:
(一)“要得到不大于某個自然數(shù)N的所有素數(shù),只要在2---N中將不大于√N的素數(shù)的倍數(shù)全部劃去即可”。?。ǘ┽醽砣藗儗⑸厦娴膬?nèi)容等價轉(zhuǎn)換:“如果N是合數(shù),則它有一個因子d滿足1<d≤√N”。(《基礎(chǔ)數(shù)論》13頁,U杜德利著,上海科技出版社)。.
(三)再將(二)的內(nèi)容等價轉(zhuǎn)換:“若
自然數(shù)N不能被不大于(根號)√N的任何素數(shù)整除,則N是一個素數(shù)”。見(代數(shù)學(xué)辭典[上海教育出版社]1985年。屜部貞世朗編。259頁)。
?。ㄋ模┥厦孢@句話的漢字可以等價轉(zhuǎn)換成為用英文字母表達的公式:
N=
p1
m1+
a1=
p2
m2+
a2=......=
pk
mk+
ak
。
(1)
其中
p1,
p2,.....,
pk表示順序素數(shù)2,3,5,,,,,。a≠0。即
N不能是2m+0,3m+0,5m+0,...,
pkm+0形。若
N<
P(k+1)的平方
[注:后面的1,2,3,....,k,(k+1)是腳標,由于打印不出來,凡字母后面的數(shù)字或者i與k都是腳標] ,則
N是一個素數(shù)。
?。ㄎ澹┛梢园眩?strong>1)等價轉(zhuǎn)換成為用同余式組表示:
N≡a1(modp1), N≡a2(modp2),.....,N≡ak(modpk)。
(2)
例如,29,29不能夠被根號29以下的任何素數(shù)2,3,5整除,29=2x14+1=3x9+2=5x5+4。
29≡1(mod2),29≡2(mod3), 29≡4(mod5)。29小于7的平方49,所以29是一個素數(shù)。
以后平方用“*”表示,即:㎡=m*。
由于(2)的模p1,p2,....,pk 兩兩互素,根據(jù)
孫子定理(中國剩余定理)知,(2)在p1p2.....pk范圍內(nèi)有唯一解。
例如k=1時,N=2m+1,解得N=3,5,7。求得了(3,3*)區(qū)間的全部素數(shù)。
k=2時,N=2m+1=3m+1,解得N=7,13,19;
N=2m+1=3m+2,解得N=5,11,17,23。求得了(5,5*)區(qū)間的全部素數(shù)。
k=3時,
---------------------| 5m+1-|- 5m+2-| 5m+3,| 5m+4.|
---------------------|---------|----------|--------|---------|
n=2m+1=3m+1= |--31----|--7, 37-|-13,43|--19----|
n=2m+1=3m+2= |-11,41-|-17,47-|--23---|---29---|
------------------------------------------------------------
求得了(7,7*)區(qū)間的全部素數(shù)。仿此下去可以求得任意大的數(shù)以內(nèi)的全部素數(shù)。上圖是文章出處。
自古以來,數(shù)學(xué)家對于整數(shù)性質(zhì)的研究一直十分重視,但是直到十九世紀,這些研究成果還只是孤立地記載在各個時期的算術(shù)著作中,也就是說還沒有形成完整統(tǒng)一的學(xué)科。
古希臘數(shù)學(xué)家——歐幾里得
自我國古代,許多著名的數(shù)學(xué)著作中都關(guān)于數(shù)論內(nèi)容的論述,比如求
最大公因數(shù)、
勾股數(shù)組、某些不定方程整數(shù)解的問題等等。在國外,古希臘時代的數(shù)學(xué)家對于數(shù)論中一個最基本的問題——整除性問題就有系統(tǒng)的研究,關(guān)于質(zhì)數(shù)、
合數(shù)、
約數(shù)、
倍數(shù)等一系列概念也已經(jīng)被提出來應(yīng)用了。后來的各個時代的數(shù)學(xué)家也都對整數(shù)性質(zhì)的研究做出過重大的貢獻,使數(shù)論的基本理論逐步得到完善。
在整數(shù)性質(zhì)的研究中,人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)數(shù)是構(gòu)成正整數(shù)的基本“材料”,要深入研究整數(shù)的性質(zhì)就必須研究質(zhì)數(shù)的性質(zhì)。因此關(guān)于質(zhì)數(shù)性質(zhì)的有關(guān)問題,一直受到數(shù)學(xué)家的關(guān)注??梢哉J為,
質(zhì)數(shù)是整個數(shù)論的研究基石。
到了十八世紀末,歷
代數(shù)學(xué)家積累的關(guān)于整數(shù)性質(zhì)零散的知識已經(jīng)十分豐富了,但是仍然沒有找到素數(shù)產(chǎn)生的模式。德國數(shù)學(xué)家高斯集中前人的大成,寫了一本書叫做《
算術(shù)研究》,1800年寄給了法國科學(xué)院,但是法國科學(xué)院拒絕了高斯的這部杰作,高斯只好在1801年自己發(fā)表了這部著作。這部書開始了現(xiàn)代數(shù)論的新紀元。
在《算術(shù)研究》中,高斯把過去研究整數(shù)性質(zhì)所用的符號標準化了,把當(dāng)時現(xiàn)存的定理系統(tǒng)化并進行了推廣,把要研究的問題和已知的方法進行了分類,還引進了新的方法。
高斯在這一著作中主要提出了同余理論, 并發(fā)現(xiàn)了著名的二次互反律, 被其譽之為“數(shù)論之酵母”。
黎曼在研究ζ函數(shù)時,發(fā)現(xiàn)了復(fù)變函數(shù)的解析性質(zhì)和素數(shù)分布之間的深刻聯(lián)系,
由此將數(shù)論領(lǐng)進了分析的領(lǐng)域。這方面主要的代表人物還有英國著名數(shù)論學(xué)家
哈代
、李特伍德、
拉馬努金等等。在國內(nèi),則有
華羅庚、
陳景潤、
王元等等。
另一方面, 由于此前人們一直關(guān)注費馬大定理的證明, 所以又發(fā)展出了代數(shù)數(shù)論的研究課題。
比如庫莫提出了理想數(shù)的概念--可惜他當(dāng)時忽略了代數(shù)擴環(huán)的唯一分解定理不一定成立)。高斯研究了復(fù)整數(shù)環(huán)的理論--即
高斯整數(shù)。他在3次情形的費馬猜想中也用了擴環(huán)的代數(shù)數(shù)論性質(zhì)。
代數(shù)數(shù)論發(fā)展的一個里程碑,則是
希爾伯特的《數(shù)論報告》。
隨著數(shù)學(xué)工具的不斷深化, 數(shù)論開始和代數(shù)幾何深刻聯(lián)系起來,
最終發(fā)展稱為當(dāng)今最深刻的數(shù)學(xué)理論,諸如算術(shù)代數(shù)幾何, 它們將許多此前的研究方法和研究觀點最終統(tǒng)一起來, 從更加高的觀點出發(fā),進行研究和探討。
由于近代計算機科學(xué)和
應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展,數(shù)論得到了廣泛的應(yīng)用。比如在計算方法、代數(shù)編碼、組合論等方面都廣泛使用了初等數(shù)論范圍內(nèi)的許多研究成果;又文獻報道,現(xiàn)在有些國家應(yīng)用“孫子定理”來進行測距,用原根和指數(shù)來計算離散
傅立葉變換等。此外,數(shù)論的許多比較深刻的研究成果也在近似分析、差集合、快速變換等方面得到了應(yīng)用。特別是現(xiàn)在由于計算機的發(fā)展,用離散量的計算去逼近連續(xù)量而達到所要求的精度已成為可能。
素數(shù)與圓周率關(guān)系
∑1/k2=∏(1/p2)-1=∏2/6
歐拉給出了圓周率與素數(shù)的關(guān)系,k=1,2,3,,,。
p=素數(shù),并且遍歷所有素數(shù)。
∏2/6分子表示圓周率的平方。
平方改成復(fù)數(shù)就是黎曼猜想了。真是神奇。
整除數(shù)的特征:
1.末位數(shù)是偶數(shù)能被2整除;末位數(shù)是0或5能被5整除。末兩位是4或25的倍數(shù)的數(shù),能被4或25整除。末三位是8或125的倍數(shù)的數(shù),能被8或125整除。
2.各個數(shù)位數(shù)字之和是3或9的倍數(shù)的數(shù),能被3或9整除。
3.奇數(shù)位各個數(shù)字之和與偶數(shù)位的各個之和的差位11的倍數(shù),,則這個數(shù)能被11整除。
4.一個多位數(shù)把他的末三位和其他位數(shù)分成兩部分,則兩部分的茶是7,11,13的倍數(shù),則這個是能被7,11,13整除。 人類從學(xué)會計數(shù)開始就一直和自然數(shù)打交道了,后來由于實踐的需要,數(shù)的概念進一步擴充,自然數(shù)被叫做
正整數(shù),而把它們的相反數(shù)叫做
負整數(shù),介于正整數(shù)和負整數(shù)中間的中性數(shù)叫做
0。它們合起來叫做
整數(shù)。(注:現(xiàn)在,自然數(shù)的概念有了改變,包括正整數(shù)和0)
對于整數(shù)可以施行加、減、乘、除四種運算,叫做
四則運算。又叫算術(shù),它與
幾何學(xué)是最古老的兩門數(shù)學(xué)分支。傳統(tǒng)的幾何學(xué)已經(jīng)枯萎,而傳統(tǒng)的數(shù)論(即算術(shù))還有大量的問題無法解決。其中加法、減法和乘法這三種運算,在整數(shù)范圍內(nèi)可以毫無阻礙地進行。也就是說,任意兩個或兩個以上的整數(shù)相加、相減、相乘的時候,它們的和、差、積仍然是一個整數(shù)。但整數(shù)之間的除法在整數(shù)范圍內(nèi)并不一定能夠無阻礙地進行,利用這一性質(zhì)人們發(fā)明了大數(shù)密碼體系。至今仍然關(guān)系著國家的安全。
人們在對整數(shù)進行運算的應(yīng)用和研究中,逐步熟悉了整數(shù)的特性。比如,整數(shù)淺薄地劃分可分為兩大類—奇數(shù)和偶數(shù)(通常被稱為單數(shù)、雙數(shù));深刻地劃分可以分為素數(shù),合數(shù),“1”等。兩千多年來,數(shù)論學(xué)有一個重要的任務(wù),就是尋找素數(shù)性質(zhì)及分布規(guī)律,為此,花費了巨大的心血。
利用素數(shù)的一些基本性質(zhì),可以進一步探索許多有趣和復(fù)雜的數(shù)學(xué)規(guī)律,正是這些特性的魅力,吸引了古往今來許多的數(shù)學(xué)家不斷地研究和探索。
數(shù)論這門學(xué)科最初是從研究整數(shù)開始的,所以叫做整數(shù)論。后來整數(shù)論又進一步發(fā)展,就叫做數(shù)論了。確切的說,數(shù)論就是一門研究整數(shù)性質(zhì)的學(xué)科。
數(shù)論是研究整數(shù)性質(zhì)的一個數(shù)學(xué)分支,它歷史悠久,而且有著強大的生命力。數(shù)論問題敘述簡明,“很多數(shù)論問題可以從經(jīng)驗中歸納出來,并且僅用三言兩語就能向一個行外人解釋清楚,但要證明它卻遠非易事”。因而有人說:“用以發(fā)現(xiàn)天才,在初等數(shù)學(xué)中再也沒有比數(shù)論更好的課程了。任何學(xué)生,如能把當(dāng)今任何一本數(shù)論教材中的習(xí)題做出,就應(yīng)當(dāng)受到鼓勵,并勸他將來從事數(shù)學(xué)方面的工作。”所以在國內(nèi)外各級各類的
數(shù)學(xué)競賽中,數(shù)論問題總是占有相當(dāng)大的比重。
自古以來,數(shù)學(xué)家對于整數(shù)性質(zhì)的研究一直十分重視,但是直到十九世紀,這些研究成果還只是孤立地記載在各個時期的算術(shù)著作中,也就是說還沒有形成完整統(tǒng)一的學(xué)科。
古希臘數(shù)學(xué)家——歐幾里得
自我國古代,許多著名的數(shù)學(xué)著作中都關(guān)于數(shù)論內(nèi)容的論述,比如求最大公因數(shù)、勾股數(shù)組、某些不定方程整數(shù)解的問題等等。在國外,古希臘時代的數(shù)學(xué)家對于數(shù)論中一個最基本的問題——整除性問題就有系統(tǒng)的研究,關(guān)于質(zhì)數(shù)、合數(shù)、約數(shù)、倍數(shù)等一系列概念也已經(jīng)被提出來應(yīng)用了。后來的各個時代的數(shù)學(xué)家也都對整數(shù)性質(zhì)的研究做出過重大的貢獻,使數(shù)論的基本理論逐步得到完善。
在整數(shù)性質(zhì)的研究中,人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)數(shù)是構(gòu)成正整數(shù)的基本“材料”,要深入研究整數(shù)的性質(zhì)就必須研究質(zhì)數(shù)的性質(zhì)。因此關(guān)于質(zhì)數(shù)性質(zhì)的有關(guān)問題,一直受到數(shù)學(xué)家的關(guān)注??梢哉J為,
質(zhì)數(shù)是整個數(shù)論的研究基石。
十八世紀末時期
到了十八世紀末,歷代數(shù)學(xué)家積累的關(guān)于整數(shù)性質(zhì)零散的知識已經(jīng)十分豐富了,但是仍然沒有找到素數(shù)產(chǎn)生的模式。德國數(shù)學(xué)家高斯集中前人的大成,寫了一本書叫做《算術(shù)研究》,1800年寄給了法國科學(xué)院,但是法國科學(xué)院拒絕了高斯的這部杰作,高斯只好在1801年自己發(fā)表了這部著作。這部書開始了現(xiàn)代數(shù)論的新紀元。
在《算術(shù)研究》中,高斯把過去研究整數(shù)性質(zhì)所用的符號標準化了,把當(dāng)時現(xiàn)存的定理系統(tǒng)化并進行了推廣,把要研究的問題和已知的方法進行了分類,還引進了新的方法。
高斯在這一著作中主要提出了同余理論, 并發(fā)現(xiàn)了著名的二次互反律, 被其譽之為“數(shù)論之酵母”。
黎曼在研究ζ函數(shù)時,發(fā)現(xiàn)了復(fù)變函數(shù)的解析性質(zhì)和素數(shù)分布之間的深刻聯(lián)系,
由此將數(shù)論領(lǐng)進了分析的領(lǐng)域。這方面主要的代表人物還有英國著名數(shù)論學(xué)家哈代 、李特伍德、拉馬努金等等。在國內(nèi),則有華羅庚、陳景潤、王元等等。
另一方面, 由于此前人們一直關(guān)注費馬大定理的證明, 所以又發(fā)展出了代數(shù)數(shù)論的研究課題。
比如庫莫提出了理想數(shù)的概念--可惜他當(dāng)時忽略了代數(shù)擴環(huán)的唯一分解定理不一定成立)。高斯研究了復(fù)整數(shù)環(huán)的理論--即高斯整數(shù)。他在3次情形的費馬猜想中也用了擴環(huán)的代數(shù)數(shù)論性質(zhì)。
代數(shù)數(shù)論發(fā)展的一個里程碑,則是希爾伯特的《數(shù)論報告》。
隨著數(shù)學(xué)工具的不斷深化, 數(shù)論開始和代數(shù)幾何深刻聯(lián)系起來,
最終發(fā)展稱為當(dāng)今最深刻的數(shù)學(xué)理論,諸如算術(shù)代數(shù)幾何, 它們將許多此前的研究方法和研究觀點最終統(tǒng)一起來, 從更加高的觀點出發(fā),進行研究和探討。
現(xiàn)代
由于近代計算機科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展,數(shù)論得到了廣泛的應(yīng)用。比如在計算方法、代數(shù)編碼、組合論等方面都廣泛使用了初等數(shù)論范圍內(nèi)的許多研究成果;又文獻報道,現(xiàn)在有些國家應(yīng)用“孫子定理”來進行測距,用原根和指數(shù)來計算離散傅立葉變換等。此外,數(shù)論的許多比較深刻的研究成果也在近似分析、差集合、快速變換等方面得到了應(yīng)用。特別是現(xiàn)在由于計算機的發(fā)展,用離散量的計算去逼近連續(xù)量而達到所要求的精度已成為可能。
編輯本段數(shù)論中的問題
數(shù)論在數(shù)學(xué)中的地位是獨特的,高斯曾經(jīng)說過“數(shù)學(xué)是科學(xué)的皇后,數(shù)論是數(shù)學(xué)中的皇冠”。因此,數(shù)學(xué)家都喜歡把數(shù)論中一些懸而未決的疑難問題,叫做“皇冠上的明珠”,以鼓勵人們?nèi)?#8220;摘取”。下面簡要列出幾顆“明珠”:費馬大定理、
孿生素數(shù)問題、
歌德巴赫猜想、
梅森素數(shù)問題、
黎曼猜想……
編輯本段中國數(shù)論及專家
在我國近代,數(shù)論也是發(fā)展最早的數(shù)學(xué)分支之一。從二十世紀三十年代開始,在解析數(shù)論、刁藩都方程、一致分布等方面都有過重要的貢獻,出現(xiàn)了華羅庚、
閔嗣鶴、
柯召、
潘承洞等第一流的數(shù)論專家。其中華羅庚教授在三角和估值、堆砌
素數(shù)論方面的研究是享有盛名的。1949年以后,數(shù)論的研究的得到了更大的發(fā)展。陳景潤、王元等在“篩法”和“
哥德巴赫猜想”方面的研究,已取得世界領(lǐng)先的優(yōu)秀成績;
周海中在著名數(shù)論難題——梅森素數(shù)分布的研究中取得了世界領(lǐng)先的卓著成績。