广义黎曼猜想

1859年提出的数学猜想

广义 伯恩哈德·黎曼 猜想是由 德国 数学家黎曼提出的“黎曼猜想”的广义版本。 1859年, 黎曼猜想 提出后,几乎同时,另一位德国数学家 狄利克雷 引入“狄利克雷L函数”,这个函数是黎曼ζ函数的推广,这就是“广义黎曼猜想”。 这个猜想是指黎曼ζ函数:ζ(s)=∑1/n^s(n从1到无穷)的非平凡 零点 都在Re(s)=1/2的直线上。

19世纪,黎曼构建了黎曼ζ函数,并且认为素数分布只与黎曼ζ函数的一种类型零点有关。原始的黎曼猜想是,所有这些零点都分布在实部等于二分之一的一条垂直线上。由于之后引入的狄利克雷L函数,相当于上述黎曼函数的推广形式,如果证明了广义 黎曼猜想 ,也就等于证明了黎曼猜想。

德国 数学家西格尔及其导师 列夫·达维多维奇·朗道 在研究狄利克雷L函数时发现一个 反例 ,一个异常零点可能不分布在那条直线上,这就是朗道-西格尔零点猜想。 朗道-西格尔 零点 被定义为广义黎曼猜想的反例。 这在一定程度上推翻了广义黎曼猜想。 2022年11月8日,数学家 张益唐 在 北京大学 发表了“关于朗道-西格尔零点猜想”的学术报告。他表示,自己在本质上证明了朗道-西格尔零点猜想,部分证明黎曼猜想应该是对的。

简介

这是1859年由德国大数学家 伯恩哈德·黎曼 提出的几个猜想之一,而其他猜想均已证明。这个猜想是指黎曼ζ函数: (n从1到无穷)的非平凡零点都在 的直线上.

分析

在数学中我们碰到过许多函数,最常见的是 多项式 和 三角函数 。多项式的 零点 也就是 代数方程 的根。根据 代数基本定理 ,n次代数方程有n个根,它们可以是实根也可以是复根。因此,多项式函数有两种表示方法,即

当s为大于1的 实数 时,n 为收敛的无穷 级数 , 长城欧拉 仿照多项式情形把它表示为乘积的情形,这时是 无穷乘积 ,而且也不是零点的形式:

但是,这样的用处不大, 伯恩哈德·黎曼 把它开拓到整个 复数 平面,成为复变量s就包含非常多的信息。正如 多项式 的情形一样,函数的信息大部分包含在其零点的信息当中,因此,的零点就成为大家关心的头等大事。有两类 零点 ,一类是 时的实零点,称为平凡零点;一类是复零点。 黎曼猜想 就是讲,这些复零点的实部都是,也就是所有复零点都在 这条直线(后称为临界线)上。

这个看起来简单的问题并不容易。从历史上看,求 多项式 的的零点特别是求 代数方程 的复根都不是简单的问题。一个 特殊函数 的零点也不太容易找到。在85年前, 戈弗雷·哈代 首先证明这条临界线上有无穷多个零点。10年前我们知道有 的复零点都在这条线上,而且这条线外至今也没有发现复零点,因此,黎曼猜想是对是错还在未定之中。

黎曼ζ 函数

伯恩哈德·黎曼 在1858年写的一篇只长8页关于素数分布的论文,就在这论文里他提出了有名的 黎曼猜想 (Riemanns Hypoth-esis)。这猜想提出已有一百多年了,许多有名的数学家曾尝试去证明,就像喜欢爬山的人希望能爬上 珠穆朗玛峰 一样——因为到达它的顶峰非常困难,目前已有人登上这世界高峰,可是却没有人能证明这猜想!那么这个让 雅威 如此吝啬的黎曼猜想究竟是一个什么样的猜想呢?

在回答这个问题之前我们先得介绍一个函数:

黎曼 ζ 函数。这个函数虽然挂着 伯恩哈德·黎曼 的大名,其实并不是黎曼首先提出的。但黎曼虽然不是这一函数的提出者,他的工作却大大加深了人们对这一函数的理解,为其在数学与物理上的广泛应用奠定了基础。后人为了纪念黎曼的卓越贡献,就用他的名字命名了这一函数。

那么究竟什么是黎曼ζ 函数呢?黎曼ζ 函数 是 级数 表达式 (n 为正整数) 在复平面上的 解析延拓 。之所以要对这一表达式进行解析延拓,是因为 - 如我们已经注明的 - 这一表达式只适用于复平面上 s 的实部 的区域 (否则级数不收敛)。 伯恩哈德·黎曼 找到了这一表达式的解析延拓 (当然黎曼没有使用“解析延拓”这样的现代复变函数论术语)。运用路径积分,解析延拓后的黎曼ζ 函数可以表示为:

这里我们采用的是历史文献中的记号,式中的积分实际是一个环绕正实轴 (即从 出发,沿实轴上方积分至原点附近,环绕原点积分至实轴下方,再沿实轴下方积分至 离实轴的距离及环绕原点的半径均趋于 0) 进行的围道积分;式中的 Γ 函数 是阶乘函数在复平面上的推广,对于正整数 。可以证明,这一积分表达式除了在 处有一个简单极点外在整个复平面上解析。这就是黎曼ζ 函数的完整定义。运用上面的积分表达式可以证明,黎曼ζ 函数满足以下 代数 关系式:

 从这个关系式中不难发现, 黎曼 ζ 函数在 (n 为正整数) 取值为零 - 因为 为零[注三]。复平面上的这种使黎曼ζ 函数取值为零的点被称为黎曼ζ 函数的 零点 。因此 (n 为正整数) 是黎曼ζ 函数的零点。这些零点分布有序、性质简单,被称为黎曼ζ 函数的平凡零点 (trivial zeros)。除了这些平凡零点外,黎曼ζ 函数还有许多其它零点,它们的性质远比那些平凡零点来得复杂,被称为非平凡零点 (non-trivial zeros) 。

黎曼猜想

黎曼ζ 函数的所有非平凡零点都位于复平面上 Re(s)=1/2 的直线上。在黎曼猜想的研究中,数学家们把复平面上 的直线称为“critical line”。运用这一术语, 黎曼 猜想也可以表述为:黎曼ζ 函数的所有非平凡 零点 都位于critical line上。这就是 伯恩哈德·黎曼 猜想的内容,它是黎曼在 1859 年提出的。从其表述上看,黎曼猜想似乎是一个纯粹的复变函数命题,但我们很快将会看到,它其实却是一曲有关素数分布的神秘乐章。

证明成果

哈地证明(哈代斗上帝)

英国 著名的数学家 戈弗雷·哈代 (G.H.Hardy 1877—1947)是华罗庚在英国 剑桥大学 学习 数论 时的指导教授。

英国自从出现 艾萨克·牛顿 以后,一向来数学工作者是注重 应用数学 ,它的数学家不像欧陆的 德国 和 法国 在 纯粹数学 上有大的贡献和新的发现,至到19世纪末出了哈代之后,哈代以他在 纯数学 的工作使英国闻名于世。

哈代先后在 牛津大学 和剑桥大学教书,他为了研究数学从来不想到成家,而是由妹妹照顾他。他个性是有些怪,在那宗教势力浓厚的学府里敢公然说:“ 雅威 是我的敌人。”他从不踏进教堂,也不参予有宗教色彩仪式的会议。

哈代是一个“板球(Cricket)迷”,每年夏天要等到板球季节过了,才会跑到欧陆度假,拜访他的几个好朋友与他们一起讨论研究数学。

每次到 丹麦 就会见他的好朋友波尔(Harald Bohr),他们坐下来,先在一张纸上写上先要解决和讨论的一些议程,然后讨论一个小时后才一起出去散步。每一次见面时哈地在议程的第一条往往写上:“证明黎曼假设!”

可是这个提议却一直没法子解决,一直到夏假结束他必须回去 英国 教书才作罢。第二年的夏天他回来丹麦又像前一年那样,两人每天把解决黎曼假设摆在议程的最前面,但是每次都不能解决。

有一年的夏末, 托马斯·哈代 要乘船渡 北海 回英国,那天浪涛汹涌天气很恶劣,而船又很小,因此他在船开之前就写了一张明信片寄给波尔,在上面简单的写下这几个字:“我已经证明了黎曼假设。哈代。”

他是否真的证明了,要把这个好消息告诉他的好友呢?原来这明信片是有用意的:万一这船沉下去,哈地溺死了,世人就会认为哈地真的解决这个世界上的数学难题,而为这个解法及哈地一起埋在海底而惋惜。但是上帝既然是哈地的仇人,一定不会让 哈代 享有解决这个著名难题的声誉,因此本来这船该沉下去,它也设法不让它沉,于是哈地可以平安回到 英国 。这样这个明信片就是他的救命护身符了。

你看了或许会笑,以为我们的 戈弗雷·哈代 教授是这样幼稚可笑的人物,是的,有一些数学家他们想法和做事的天真幼稚就像6岁的儿童。可是他们研究的东西却深入和奥妙,不是普通人所能了解的。哈代逝世距现在已四十多年,但是他遗留下来的工作,许多是那么的艰深和难于明白,普通大学数学系毕业生也不是很容易就能领会。

近年研究成果

荷兰 三位数学家J.van de Lune,H.J.Riele te及D.T.Winter利用电子 计算机 来检验 伯恩哈德·黎曼 的假设,他们对最初的二亿个齐打函数的 零点 检验,证明黎曼的假设是对的,他们在1981年宣布他们的结果,目前他们还继续用电子计算机检验底下的一些零点。

1982年11月 苏联 数学家马帝叶雪维奇在苏联杂志《Kibernetika》宣布,他利用电脑检验一个与 黎曼猜想 有关的数学问题,可以证明该问题是正确的,从而反过来可以支持黎曼的猜想很可能是正确的。

1975年 麻省理工学院 的莱文森在他患癌症去世前证明了 。

1980年中国数学家楼世拓、姚琦对莱文森的工作有一点改进,他们证明了 。

意义

这个简单的 特殊函数 在数学上有重大意义,正因为如此,黎曼猜想总是被当成数一数二的重要猜想。在这个猜想上稍有突破,就有不少重大成果。200年前 高斯 提出的素数定理就是在100年前由于 黎曼猜想 的一个重大突破而证明的。当时只是证明复 零点 都在临界线附近,如果黎曼猜想被完全证明,整个 解析数论 将取得全面进展。

更重要的是,在 代数数论 、 代数几何 、微分几何、 动力系统理论 等学科中都引入各种 函数和它们的推广L函数,它们各有相应的“黎曼猜想”,其中有的黎曼猜想已经得到证明,使得该分支获得突破性的进展。可以设想,黎曼猜想及其各种推广是21世纪的中心的问题之一。

黎曼

黎曼 ,G.F.B( Riemann ,Georg Friedrich Bernhard)1826年9月17日生于德国汉若威的布雷斯塞论茨;1866年7月20日卒于 意大利 塞拉斯卡。 黎曼 是对现代数学影响最大的数学家之一,我们从他当时的数学水平来看,他作为伟大的分析学家,其成就可以分为八个领域来论述。前4个领域是关于 复分析 方面的,他第一个有意识的将实域过渡到复域,开创了复变函数域,代数函数论, 常微分方程 解析理论及 解析数论 诸方向;后4个领域主要涉及实分析,在积分理论,三角级理论, 导数 几何学 ,数学物理方程等方面取得重大突破。重要的是一个多世纪之前的成就却直接同现代数学中的拓扑方法,一般 流形 概念,联系拓扑与分析的 伯恩哈德·黎曼 洛赫 定理 ,代数几何学特别是 尼尔斯·亨利克·阿贝尔 簇以及参模等紧密相连,他的 空间观念 及 黎曼几何 更预示着 广义相对论 ,正是他促发了现代数学的革命性变革

参考资料

  1. 数学家张益唐宣布解开黎曼猜想相关问题 微信公众平台 2024-03-30
  2. 素数判别和整数分解存在多项式算法 澎湃新闻 2024-03-30
  3. 风声|攻克零点猜想,张益唐会成为全球最牛的数学家吗? 手机凤凰网 2024-03-30
  4. 证明“零点不存在”的宇宙 微信公众平台 2024-03-30
  5. 张益唐:本质上,我证明了朗道-西格尔零点猜想 百家号 2024-03-30
  6. 数学家张益唐发表“零点猜想”报告:部分证明黎曼猜想应该是对的 百家号 2024-03-30