Jul 242014
 

Conjecture

There exist elliptic curve groups \(E(\Bbb Q)\) of arbitrarily large rank.

用 \(r\) 表示 \(\Bbb Q\) 上的椭圆曲线 \(E\) 的秩—the rank of the Mordell–Weil group \(E(\Bbb Q)\).

一个悬而未决的著名难题是: \(r\) 是否可以任意大?

Martin-McMillen 2000 年有一个 \(r\geq24\) 的例子:

\begin{equation*}\begin{split}y^2+xy+y&=x^3-120039822036992245303534619191166796374x\\&+ 504224992484910670010801799168082726759443756222911415116\end{split}\end{equation*}

Hasse-Weil \(L\)-function \(L(s, E)\) 在 \(s=1\) 处的零点的阶数 \(r_a\) 称为 \(E\) 的 analytic rank(解析秩).

Manjul Bhargava, Christopher Skinner, Wei Zhang(张伟) 7 月 7 日在 arXiv 上传的论文 “A majority of elliptic curves over \(Q\) satisfy the Birch and Swinnerton-Dyer conjecture“, 宣布了取得的进展:

  1. \(\Bbb Q\) 上的椭圆曲线, when ordered by height(同构类以高排序), 至少有 \(66.48\%\) 满足 BSD conjecture;
  2. \(\Bbb Q\) 上的椭圆曲线, when ordered by height, 至少有 \(66.48\%\) 有有限 Tate–Shafarevich group;
  3. \(\Bbb Q\) 上的椭圆曲线, when ordered by height, 至少有 \(16.50\%\) 满足 \(r=r_a=0\), 至少有 \(20.68\%\) 满足 \(r=r_a=1\).

谁将在 8 月 13 日的 ICM 2014 开幕式上获得 Fields medal?坊间向来不缺传闻. 数论大牛 Manjul Bhargava 无疑是最耀眼的明星.

Jul 232014
 

2014 第 55 届 IMO 评注

楔子

第一次用超过一篇文章写 IMO 的解答. 前文 IMO 2014 solutions 已经很长, 不妨重新开始.

这续集不能仅仅只是解答, 希望有背景的讨论和更深入的研究. 要完成这样的目标, 我们需要查阅相关课题的研究文献, 也需要思考.

陶哲轩在 1999-2012 期间, 四个 mini-polymath discussions, 每年挑选一道当年的 IMO 试题, 供大家各抒己见. 这道题不一定是最难的(虽然常常如此), 但一定是最有 “内涵” 的. 去年夏天, 陶已经有两个 polymath projects 在进行, 所以没有继续讨论 IMO.

19 日, 1998 年的 Fields Medal 得主 Timothy Gowers 在他的 wordpress 博客开了一个 Mini-monomath, 讨论今年 IMO 的一道题. 很遗憾, Gowers 品尝的是第一题.

Problem 1

先看看 Gower 的解法. But frankly, it is difficult to understand what he said.

Without loss of generality, 可以假定 \(a_0=1\).

Problem 5

2000 IMO Problem 3

2000 年第 41 届 IMO 是在韩国(Republic of Korea)大田举办的. 这届赛事的第三题是这样的:

Problem 3. \(k\) is a positive real. \(N\) is an integer greater than \(1\). \(N\) points are placed on a line, not all coincident. A move is carried out as follows. Pick any two points \(A\) and \(B\) which are not coincident. Suppose that \(A\) lies to the right of \(B\). Replace \(B\) by another point \(B^\prime\) to the right of \(A\) such that \(AB^\prime = kBA\). For what values of \(k\) can we move the points arbitrarily far to the right by repeated moves?

3. 设 \(n\geqslant2\) 为正整数. 开始时,在一条直线上有 \(n\) 只跳蚤, 且它们不全在同一点. 对任意给定的一个正实数 \(\lambda\), 可以定义如下的一种 “移动”:
(1) 选取任意两只跳蚤, 设它们分别位于点 \(A\) 和 \(B\), 且 \(A\) 位于 \(B\) 的左边;
(2) 令位于点 \(A\) 的跳蚤跳到该直线上位于点 \(B\) 右边的点 \(C\), 使得 \(\dfrac{BC}{AB}=\lambda\).
试确定所有可能的正实数\(\lambda\), 使得对于直线上任意给定的点 \(M\) 以及这 \(n\) 只跳蚤的任意初始位置, 总能够经过有限多个移动之后令所有的跳蚤都位于 \(M\) 的右边.

中等数学 2000 年第 5 期的解答是比较长的. 我没有看过多少最近出版的竞赛辅导书, 剪刀浆糊写书的人估计都会复制这个答案. 单墫在修订他的 “数学竞赛研究教程”(应该是他最厚的书了)的时候, 把这题收录为最后的 50 个综合习题的第 19 道. 单老师在这书给的是另一种解法, 但我不得不说, 这解答很难认为是完美的: 我最初第一眼看到这题进行的尝试就是这种做法. 但我思考良久, 认为此种思路难以说的清清楚楚明明白白, 最终抛弃这个做法.

这个题其实有一个两句话的办法. 为什么是两句话, 而不是一句?

2014 IMO 题 5 的解答一为什么那么复杂?

提起 14 年前的考题, 意欲何为?

Lemma 4  设 \(m\)(\(\leq 2l\)) 是正整数, 把 \(m\) 表成 \(m=2^a\cdot b\), 这里 \(a\) 是非负整数, \(b\gt0\) 是奇数, 则 \(a\leq l\), \(b\leq 2l-1\).

首先说明, 若 \(x\) 是一个整数, 则

  • \(2^x\geq x+1\);
  • \(2^x\geq2x\).

这两个不等式实际是同一件事. 我们先看第一个:

在 \(x\leq-1\) 时, \(2^x\gt0\geq x+1\);

在 \(x=0\) 时,  不等式的等号成立: \(2^x=2^0=1\), \(x+1=0+1=1\);

若 \(x\gt0\), 据二项式定理

\[2^x=\dbinom x0+\dbinom x1+\dbinom x2+\dotsb+\dbinom xx\geq\dbinom x0+\dbinom x1=x+1.\]

第二个不等式容易由第一个推得: 第一个不等式的两边乘以 \(2\), 得

\[2\cdot2^x=2^{x+1}\geq2(x+1).\]

把 \(x\) 换成 \(x-1\), 可得第二个不等式.

现在,

\[2l\geq m=2^a\cdot b\geq2^a\geq2a\]

定出 \(l\geq a\).

然后,

\[2l\geq m=2^a\cdot b\geq b,\]

结合 \(b\) 是奇数, 即可导出 \(b\leq 2l-1\).

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Jul 152014
 

今天重看 “肖申克的救赎(The Shawshank Redemption)”, 在 1:55:45-1:55:50 有这么一段台词:

“Geology is the study of pressure and time. That’s all it takes, really. Pressure … and time.”
“That and a big goddamn poster.”

这段话把 “Pressure and time” 单独取出来, 人生何尝不是!

肖申克的案子如果发生在今天的美国, 会怎么宣判? 虽然, 情理上凶手应该是安迪. 但, 毕竟没有直接证据证明安迪杀人了, 只是屋子外有脚印, 酒瓶有指纹.

一个网友的看法是: 如果一连串的证据表明当时只有他有作案条件和动机, 应该还是判有罪的.

突然想起今年是肖申克的救赎的二十周年, 应该写个记.

下面的一段摘自纽约时报中文网 9 月 10 的文章”重走肖申克之路,消费救赎”

该电影改编自史蒂芬·金(Stephen King)1982 年的一篇短篇小说. 可是, 之所以能引起如此强烈的共鸣, 并不仅仅是因为它总在播放. “看了”肖申克的救赎”, 我们深感幸运, 因为我们仍然生活于一个真实而有力的地方.” 运动网(Deadspin)的电影评论作家威尔·雷奇(Will Leitch)如此解释这个故事为何如此强大. “我们把自己想像成安迪·杜弗伦, 希望像他那样顽强. 我们的日常斗争远远不如他那样难以承受, 他却依然选择了活下去, 逃出生天——求生的渴望就是这样普遍而永恒.” But the film, based on a 1982 Stephen King short story, doesn’t just resonate because it’s always on. ” ‘Shawshank’ flatters us while still residing in a real, powerful place,” is how Will Leitch, who reviews movies for the sports site Deadspin, explains the story’s staying power. “We imagine ourselves as Andy Dufresne and want to believe we would be as strong as he was. Our daily struggles aren’t nearly as overpowering as his, but he still chooses to live, to survive — that feeling of needing to live that’s universal, and timeless.”

注释
  1. BILL SCHULZ, 重走肖申克之路, 消费救赎, Visiting ‘Shawshank’ Sites, 20 Years Later, 纽约时报中文网, 2014. 9, 10
 Posted by at 1:22 pm
Jul 132014
 

第五届丘成桐大学生数学竞赛笔试已于 2014 年 7 月 12 日至 13 日举行. 竞赛组委会组织专家集中阅卷后, 评选出参加决赛(面试)的团队和个人名单. 第五届丘成桐大学生数学竞赛决赛(口试)将于 2014 年 8 月 2 日和 3 日在北京举行.

分析与方程

1. Let  \(f \colon\Bbb R\to \Bbb R\) be continuous function which s.t.

\[\sup_{x, y\in \Bbb R} |f(x+y)-f(x)-f(y)|<\infty\]

if we have \(\lim_{n\to \infty}\frac{f(n)}n=2014\), Prove \(\sup_{x\in \Bbb R}|f(x)-2014x|<\infty\).

2. Let \(f_1\), \(f_2\), \(\dotsc\) , \(f_n\in\) \(H(D)\bigcap C(\bar{D})\) , where \(D=\{z: |z|<1\}\). Prove

\[\phi(z)=|f_1(z)|+|f_2(z)|+\dotsb+|f_n(z)|\]

achieve maximum value on \(\partial D\).

3. Prove that if there is conformal mapping betwwen the annulus \(\{z:r_{1}<|z|<r_{2}\}\) and the annulus \(\{z:\rho_1<|z|<\rho_{2}\}\)

then

\[\frac{r_{2}}{r_{1}}=\frac{\rho_{2}}{\rho_{1}}\]

4. 设\(U(\xi)\) 是 \(\Bbb R\) 是有界函数且有有限多个不连续点, 证明

\[P_U(x)=\frac1\pi\int_{\Bbb R}\frac y{(x-\xi)^2+y^2}U(\xi)\,\mathrm d\xi\]

是调和的(Harmonic function)在半平面 \(\{z \in \Bbb C\colon\Im z >0\}\), 若 \(\xi\) 为 \(U\) 连续点

\[P_{U}(x)\to U(\xi), z \to \xi\]

5. 海森堡不等式

\[\int_{-\infty}^{+\infty}x^2|f(x)|^2\,\mathrm dx\int_{-\infty}^{+\infty}\xi ^2|\hat{f}(\xi)|^2 \,\mathrm d\xi \geq \frac{(\int_{-\infty}^{+\infty}|f(x)|^2\,\mathrm dx)^2}{16\pi^2}\]

几何与拓扑

1.  Let  \(X\) be the quotient space of \(S^2\) under the identifications \(x \sim -x\) for \(x\)  in the equator \(S^{1}\). Cmpute the homology groups \(H_{n}(X)\). Do the same for \(S^{3}\) with antipodal points of the equator \(S^{2} \subset S^{3}\) identified.

2.  Let \(M \to \Bbb R^3\)  be a graph defined by \(z=f(u,v)\) where \(\{u,v,z\}\) is a Descartes coordinate system in \(\Bbb R^3\). Suppose that \(M\) is a minimal surface.

Prove that:

(a) The Guass curvature \(K\) of \(M\) can be expressed as

\[K=\Delta \log (1+\frac1W),W:=\sqrt{1+(\frac{\partial f}{\partial u})^{2}+(\frac{\partial f}{\partial v})^{2}}\]

(b) If \(f\) is defined on the whole \(uv\)-plane, then \(f\) is a linear function. (Bernstein theorem)

3.  Let \(M=\Bbb R^2 / \Bbb Z^2\) be the two dimensional torus, \(L\) the line \(3x=7y\) in \(\Bbb R^2\), and \(S=\pi (L) \subset M\) where \(\pi :\Bbb R^2 \to M\) is the projection map. Find a differential form on \(M\) which represents the Poincare dual of \(S\).

4. Let \((\tilde M,\tilde g) \to (M,g)\) be a Riemannian submersion. This is a submersion \(p: M \to M\) such that for each \(x\in \tilde{M}, \ker^{\bot}(Dp) \to T_{p(x)}(M)\)  is a Linear isometry.

(a) Show that p shortens distance.
(b) If \((\tilde{M},\tilde{g})\) is complete, so is \((M,g)\).
(c) Show by example that if \((M,g)\) is complete, \((\tilde{M},\tilde{g})\) may not be complete.

5. Let \(\psi :M \to \Bbb R^3\) be an isometric immersion of a compact surface \(M\) into \(\Bbb R^3\).

Prove that

\[\int_MH^2 \,\mathrm d\sigma \geq 4\pi\]

where \(H\) is the mean curvature of \(M\) and \(d\sigma\) is the area element of \(M\).

6. The unit tangent bundle of \(S^2\) is the subset

\[T^1(S^2)=\{(p,v)\in \Bbb R^2\, | \, \|p\|=1, (p,v)=0,\|v\|=1\}\]

Show that it is a smooth submanifold of the tangent bundle \(T(S^2)\) of  \(S^2\) and \(T^1(S^2)\) is diffeomorphic to \(\Bbb RP^3\).

感谢博士数学论坛的网友 zwb565055403 提供的两套试题, 网友数函分享的 PDF 试题

个人赛试题

Analysis and differential equations Individual 2014

Geometry and topology Individual 2014

Algebra and number theory Individual 2014

Probability and statistics Individual 2014

Applied Math. and Computational Math. Individual 2014

团体赛

team 2014

Jul 112014
 

张益唐暑假在北京.

7 月他在母校北京大学的北京国际数学研究中心 (BICMR) 有一个系列的学术报告: Distribution of Prime Numbers and the Riemann Zeta Function I, II, III. 这个报告分三场, 原定时间是 July 8, 10, 15,  2014 16:00-17:00, 地点是镜春园 78 号院的 77201 室.

BICMR 官网上这个报告的 Abstract 是这么写的:

The distribution of prime numbers is one of the most important subjects in number theory.

There are many interesting problems in this field. It may not be difficult to understand the problems themselves, but the solutions are extremely difficult.

In this series of talks we will describe the application of certain analytic tools to the distribution of prime numbers. In particular, the role played by the Riemann zeta function will be discussed. We will also describe some early and current researches on the Riemann Hypothesis.

These talks are open to everyone in the major of mathematics, including undergraduate students.

Yitang Zhang at BICMR Distribution of Prime Numbers and the Riemann Zeta Function

Yitang Zhang at BICMR :Distribution of Prime Numbers and the Riemann Zeta Function

8 日下午 4 点, 田刚现身. 因为人比较多, 改为在镜春园82号甲乙丙楼的中心报告厅进行. 主持人刘若川是 1999 年的 IMO 金牌(他本来也是 1998 年中国国家队的队员).

报告从复分析开始, 解析开拓,  zeta 函数的定义, 留数定理, 伯努利数, 然后

\[\zeta(2k)=\sum_{n=1}^\infty\frac1{n^{2k}}=(-1)^{k+1}\frac{(2\pi)^{2k}B_{2k}}{2(2k)!}\]

的两个证明:一个是欧拉给的, 一个来自 Riemann.

张大师说: 欧拉的算功无双, 本来可以证明 \(\zeta(3)\) 是无理数的, 他错过了这个证明.

听报告的人, 会知道张大师非常强调复变函数的极端重要性! 复变不行的人, 没法玩解析数论.

10 日下午 4 点的第二场, 依旧在镜春园82号甲乙丙楼的中心报告厅. 不过, 15 日的一场会在镜春园 78 号院的 77201 室, 16:30 开始.

大量的使用复变, 满黑板的解析数论公式. 今天的主要任务是质数定理的证明, 以及黎曼假设在质数分布的作用.

15 日下午 4:30 的最后一场, 要深入一点. 田刚坐在教室最后一排, 刘若川, 许晨阳坐在教室左边的走廊.张大师谈到有 Goldston, Pintz and Yildirim 的工作, 说他自己最大的贡献是把 \(c\) 改进为 \(\dfrac14+\dfrac1{1168}\).