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数论,才是数学中的皇冠!几乎所有的数学资源都被用于助力数论!原因接近数学的本质!

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数论是纯粹数学的分支之一,主要研究整数的性质。而整数的基本元素是素数(也称质数),所以数论的本质是对素数性质的研究。数论被高斯誉为“数学中的皇冠”。

哥德巴赫猜想、孪生素数猜想、斐波那契数列、黎曼猜想,无比引领着数学大师们前仆后继的去探索。

《证明的故事:从勾股定理到现代数学》

作者:[澳] 约翰·史迪威(John Stillwell)

译者:程晓亮 张浩

自然数 0, 1, 2, 3, 4, …是最基本的数学对象,在某种程度上每个人都能理解。它们也是数学中最古老的未解之谜的主题。例如,是否存在奇完全数?是否存在无穷多对孪生素数?然而,直到最近,数论还经常被揶揄为“各种伎俩”,对大多数数学家来说,数论没有什么用处,也无法引起他们的兴趣。

近几十年来,当世界变得数字化,数字成为其命脉,需要加密的保护,而这最终依赖于数论时,人们的态度发生了改变。所以当今的问题不是为数论辩解,而是理解它。

正如我们将在本章看到的,数论很难,因为它的证明方法几乎涉及数学的所有领域,包括几何、代数、微积分,还有一些我们还没有讨论过的领域,比如拓扑学。这是令人惊讶的,因为数论有极其简单的要素:0、把一个自然数带到下一个自然数的后继函数,以及归纳法原理——从本质上说,所有的自然数都源于 0,它们是通过反复对 0 应用后继函数得到的。

事实上,简单的要素也可以创造出极端的复杂性,这就是为什么所有的数学资源都被用于助力数论。在本章中,我们将讨论几何、代数和微积分对数论中的证明的影响,以及反过来的情况,特别是针对代数的情况。之后,当谈到证明本身的数学研究时,我们将看到是什么使数论如此复杂。

01

数论中的几何与微积分

我们现在已经看到如何通过单位圆上的有理点来理解勾股数组,反过来又通过有理函数

得到圆的参数化。此外,我们已经看到这些方程给出了一个变量替换,可以使关于 x 和的有理函数的积分有理化。

了解圆函数参数化圆的读者或许想知道它与这个故事的关系。答案是参数t 和 θ 通过等式联系起来。这可以从用于得到方程(*)的直线和圆的图中看出,见图 7.3。

一方面,我们知道

另一方面,根据正弦和余弦的定义,

那么,根据基本的几何(等腰三角形、三角形的内角和为 π ),我们发现角 OPR 为。因此,红色直线的斜率 t 是 tan 。

虽然有理函数通常比超越函数(如正弦函数和余弦函数)更受欢迎,但当我们遇到无法由有理函数参数化的曲线(如)时,后者是参数化的更好选择。为了了解如何处理这些曲线,我们回顾一下圆和圆函数在微积分中的作用。

02

圆和其他曲线的微积分

如果是一条形如的曲线,这里的是一个多项式,那么有一个令人惊讶的简单方法可以找到的参数化函数对。此外,如果,那么(f 的导数)。其想法是考虑积分

这样做之后,显然有,而且有

对于单位圆的情况,多项式,定义函数的积分是

通过替换,很容易看到这个积分是,所以,于是。最后,,于是我们得到参数化

这与由圆函数给出的通常的参数化是相同的,只不过 x 和 y 进行了对换。

03

椭圆函数和椭圆曲线

上述参数化曲线的方法只能得到我们已知的圆的参数化。该方法为曲线提供了一些新的想法。我们知道这条曲线不存在有理函数参数化,所以函数和可能是有趣的。

事实上,积分是一个椭圆积分,正如第 6.9 节所提及的,函数和被称为椭圆函数。事后来看,研究函数而不是其逆(积分)似乎是个好主意,因为研究正弦函数显然比研究反正弦积分更容易。

然而,第一个关注椭圆函数而不是椭圆积分的数学家是高斯(大约在 1800 年,未发表),这是在法尼亚诺(Fagnano 1718)和欧拉(Euler,1751 年第一次看到法尼亚诺的成果)费力地得到椭圆积分的一些性质之后才发生的。椭圆函数的思想直到 19 世纪 20年代才被发表,当时被阿贝尔(Abel)和雅可比(Jacobi)重新发现。

高斯发现积分

的反函数与正弦函数非常相似,以至于他称其为双纽线正弦函数。特别是,双纽线正弦函数具有周期性:对于某个最小的数,有高斯之所以选择字母 ,是因为它是希腊字母 的变体。不仅如此,如果我们允许 u 是复数,那么 sl 有第二个周期。我们知道,对于代数曲线,允许 x 和 y 为复数是很自然的。

这种双周期性也适用于其他椭圆函数(但不适用于正弦函数和余弦函数,即使当我们允许它们为复变量时,它们仍然保持单周期)。这导致了对它们参数化的曲线的全新解释,称为椭圆曲线。

例如,下面展示了如何用笛卡儿方程来看待曲线。具有参数方程

所以上的每一点 P 都由参数 u 的值确定。但是,对任意整数 m 和 n,由于(和)的周期性(具有相同周期),参数值确定的是相同的点。

这样, 上的每一点 P 对应于复平面中的一个点集

我们可以从顶点为的正方形中选择每个点集的一个代表元,在这种情况下,除了边界上的点外,每个点 P 在正方形中只有一个代表元。左右两边的点表示上的同一点,上下两边的点也表示上的同一点,因此,所有四个顶点都表示同一点。在图 7.4 中,左图的正方形是灰色的,左边和右边是蓝色,上边和下边是红色。

粗略地说(或从拓扑上讲),复曲线是将正方形的同色边粘贴的结果,也就是所谓的环面。因此,寻找曲线上有理点的过程不仅涉及几何学和微积分,而且涉及拓扑学。

《证明的故事:从勾股定理到现代数学》

作者:[澳] 约翰·史迪威(John Stillwell)

译者:程晓亮 张浩

数学史泰斗、旧金山大学荣休教授,“肖夫内奖”获得者,当今世界最有影响力的数学家之一约翰·史迪威全新力作!

证明是数学思想中十分重要且极具开拓性的特征之一。没有证明,就没有真正的数学!

本书从古希腊几何学时代讲起,涵盖代数、微积分、集合、数论、拓扑、逻辑等几乎全部数学分支中的证明故事,讲述了证明的演变及其在数学中的重要作用和启发意义。我们将看到欧几里得、康托尔、哥德尔、图灵等数学大师的精彩发现和发明。

本书不是教材,而是在讲数学的历史,更是在讲数学思想的演变。

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