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深受学生欢迎的汤姆张益唐成功证明素数分布的有界距离猜想

时间:2023-11-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:2013年,新罕布什尔州大学一位深受学生欢迎的数学讲师“汤姆”张益唐,宣布他成功地证明了关于素数分布的“有界距离”猜想,令理论数学界震惊不已。早在张益唐完成他的研究之前,我们就认为有界距离的猜想是正确的,我们也都相信孪生素数猜想,尽管这个猜想还有待证明。所有的正数在用素数的乘积表示时只有一种表示方法。正数N的对数记作logN,表示数字N的位数。

深受学生欢迎的汤姆张益唐成功证明素数分布的有界距离猜想

米歇尔洞察到,即使那些恒星都是随机分布的,我们用肉眼观察时,也有可能以为它们构成了一个个星团。这样的现象并不只是出现在天体研究中,在悬疑剧《数字追凶》(Numb3rs)中也起到了关键作用。在发生一连串可怕的袭击事件之后,警察用大头针在地图上标注出犯罪地点,但是这些地点没有形成任何组群关系。由此可见,罪犯不是彼此毫无关联的多名精神病人,而是一名狡猾的连环杀手,有意识地选择不同的地点实施犯罪。根据剧情安排,这部电视剧应该讲述警察破案的故事,但是其中对数学知识的应用也非常完美,没有任何错误

随机数据中的组群现象,为我们深入研究那些没有任何随机性的现实问题(例如素数的特性)提供了新思路。2013年,新罕布什尔州大学一位深受学生欢迎的数学讲师“汤姆”张益唐(Yitang Zhang),宣布他成功地证明了关于素数分布的“有界距离”猜想,令理论数学界震惊不已。张益唐在北京大学就读时成绩斐然,但在20世纪80年代赴美国攻读博士之后却未取得任何成果。自2001年以来,他没有发表过一篇论文,还一度在地铁站三明治,可以说与学术性数学研究彻底脱节了。后来,他的一位从北京来到美国的老同学找到他,帮他在新罕布什尔州大学获得了一个非终身讲师的职位。从这些境遇来看,张益唐已经江郎才尽了。因此,在他成功证明了一个令若干数论大腕铩羽而归的定理,并将结果以论文形式发表出来的时候,人们都颇感意外。

但是,人们并没有因为该猜想是正确的这个事实而感到吃惊。数学家在人们眼中都是不苟言笑的死理性派,在有定论之前不会相信任何事实。其实,这样的认识是不准确的。早在张益唐完成他的研究之前,我们就认为有界距离的猜想是正确的,我们也都相信孪生素数猜想,尽管这个猜想还有待证明。这是为什么呢?

我们先从这两个猜想的内容说起。素数都是大于1的数,但不能是小于自身且大于1的两个数字的乘积。因此,7是素数,但9不是素数,因为9可以被3整除。排在前几位的素数为2、3、5、7、11与13。

所有的正数在用素数的乘积表示时只有一种表示方法。例如,60包含两个2、一个3和一个5,因为60=2×2×3×5。(正是出于这个原因,我们认为1不是素数,尽管之前有数学家认为1是素数。如果把1视为素数,60可以表示成2×2×3×5、1×2×2×3×5与1×1×2×2×3×5等形式,就会破坏唯一性。)那么素数自身是什么情况呢?这个规则同样适用。例如,13这个素数就是一个单一素数(即13自身)的乘积。那么1呢?我们已经将1从素数中剔除,1又如何用素数的乘积表示呢?答案很简单:1是零个素数的乘积。

有人会对此提出疑问:“用零个素数的乘积表示的数为什么是1而不是0呢?”下面这个解释有点儿复杂:我们先求出某些素数(例如2与3)的乘积,然后用所有作为乘数的素数来除这个乘积,得到的应该是零个素数的乘积。6被2×3除的结果是1,而不是0。(此外,零个数字的和的确是0。)

素数是数论的“原子”,是构成所有数字且不可整除的基本存在。因为这个特点,从数论形成以来,人们一直在深入地研究素数。数论中最先得到证明的定理之一就是欧几里得定理。欧几里得定理告诉我们,无论我们把数轴延伸得多长,素数都是无穷多的。(www.xing528.com)

数学家们总在不断进取,他们绝不会止步于一个简单的无穷性论断,这是因为无穷性也各不相同。2的幂数有无穷多个,但是在数轴上表示出来时却显得非常稀少。在前1000个数字中,2的幂数只有10个:1,2,4,8,16,32,64,128,256,512。

偶数的个数也是无穷的,但它们在数轴上却极为常见:前1000个数字中正好有500个偶数。很明显,在前N个数字中,大约有N/2个偶数。

研究表明,素数的个数处于中游水平,比2的幂数更为常见,但是比偶数少。在前N个数字中,大约有N/logN个素数,这就是素数定理。19世纪末,数论学家雅克·阿达玛(Jacques Hadamard)与德·拉·瓦莱·普森(Charles-Jean de la Vallée Poussin)完成了该定理的证明。

我注意到几乎没有人了解“对数”这个概念,因此在这里稍加说明。正数N的对数记作logN,表示数字N的位数。

等一等,真的如此吗?

这个说法不完全对。我们把数字的位数称作“假对数”(fake logarithm,简称flogarithm),这非常接近于对数的真实含义,可以帮助我们了解对数在上述语境中的意思。假对数(也是对数)是一种增长很慢的函数:1000的假对数是4,100万是1000的1000倍,其假对数是7,而10亿的假对数不过是10。[3]

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