Sep 092012
 

Geometric Transformations IV: Circular Transformations 应该有一个中文译本, 最主要的理由是:

  • 这是一本非常精彩的书, 很经典;
  • 读者主要是中学师生.

确实应该翻译这书, 姑且不论前三册已经有中文本, 只是因为内容太美好. 如果不是面对中学, 有个影印本就可以了.

重新出版的话, 最好是四册一起, 当然最重要是第四册. 前三册的翻译已经很好, 翻译第四册足以.

第四册的附录, 关于非欧几何(Non-Euclidean geometry), 是第三册附录的继续, 所以, 译者必须精通非欧几何.

或许, 我本人可以完成这个工作…

Sep 042012
 

Shinichi Mochizuki has released his long-rumored proof of the abc conjecture, in a paper called Inter-universal Teichmuller theory IV: log-volume computations and set-theoretic foundations.

If true, the proof would be one of the most astounding achievements of mathematics of the 21st century.

The homepage of  Professor Shinichi Mochizuki is here.

Excited, but caution

Terence Tao’s comment(from his blog): It’s still far too early to judge whether this proof is likely to be correct or not (the entire argument encompasses \(500\) pages of argument, mostly in the area of anabelian geometry, which very few mathematicians are expert in, to the extent that we still do not even have a full outline of the proof strategy yet). For those that are interested, the Polymath wiki page on the ABC conjecture has collected most of the links to that discussion, and to various background materials.

Sep 042012
 
Geometric Transformations IV Circular Transformations

Geometric Transformations IV: Circular Transformations

I. M. Yaglom(Isaak Moiseevich Yaglom, March 6, 1921 –  April 7, 1988) 的 Geometric Transformations 的第四册是 Geometric Transformations IV: Circular Transformations.

Geometric Transformations (几何变换)是前苏联数学家 I. M. Yaglom 的经典著作, 内容分为三部分, 作两册出版: 前两部分为第一册, 第三部分为第二册. 美国数学会在 \(1960\) 年代的”新数学”运动期间, 出版了一套”新数学丛书”, 其中就有这本 Geometric Transformations. 英文版分为四册, 前三册分别于 \(1962, 1968, 1973\) 年出版, 但第四册迟迟没有下文, 直到 \(2009\) 年, 才出版了第四册, 就是本文的主角, 这离第三册的面世已经过去整整 \(36\) 个年头.

北京大学出版社 \(1983\) 年以来, 陆续翻译了”新数学丛书”的一些, 所以, 读者可以在中文版的”几何变换”上看到译者的交待, 说中文版有四册, 但是实际上只出过前三册. 至于第四册, 还没有看到有出版的那一天, 北大出版社是肯定不会出了.

Geometric Transformations 大概是最系统的论述初等几何的几何变换的著作. 具体来说, 初等几何中, 除去那些具体的定理之外, 还有两个重要的有普遍意义的, 构成了几何学的一切进一步发展的基础, 的思想, 其重要性远远超出了几何学的界限. 这两个思想的一个是演绎法和几何学的公理基础, 另一个是几何变换和几何学的群论基础. 本书是阐述后者–几何变换和几何学的群论基础–的.

the Contents of Geometric Transformations IV

the Contents of Geometric Transformations IV

Yaglom 于 \(1945\) 年获得国立Moscow大学的博士学位. 他写了超过 \(40\) 本书和一些文章, 有好几本著作被译成了英文, 已经是标准的学术参考书.

  • Author: I.M. Yaglom (translated by A. Shenitzer)
  • Paperback: 285 pages
  • Publisher: Mathematical Association of America (September 14, 2009)
  • Language: English
  • ISBN-10: 0883856484
  • ISBN-13: 978-0883856482
Aug 242012
 

最常用的矩阵(matrix)的元素都是实数或者都是复数, 其行列式(determinant)的定义只涉及加, 减, 乘, 所以对任意交换环(commutative ring)上的方阵(square matrix), 其实都可以定义行列式. 对于非交换环(non-commutative ring)上的方阵, 即全部元素都属于某个非交换环的方阵, 行列式还没有独一无二的确切定义, 没有哪个定义使得非交换环上的方阵的行列式具备交换环上的行列式有的那些常见性质.

Aug 232012
 

间接或者直接使用中国剩余定理(the Chinese remainder theorem)可以证明二次互反律. 间接使用, 意思是互反律的证明使用了某个定理, 但是这个定理的关键却在 CRT; 直接使用容易理解. Sey Y.Kim 在 The American Mathematical Monthly, Vol.111, Jan., \(2004\),\(48\)-\(50\) 有一个比较简洁的初等证明, 使用了 Euler的判别条件(Euler’s criterion)和由中国剩余定理导出的同余方程的一个结论, 可算间接证明的代表; 而 G.Rousseau, Tim Kunisty, Klaus Hoechsmann 的证明, 都是直接使用了 CRT 的一个特例, 即群论中的一个同构 \(\Bbb Z_{pq}^*\cong\Bbb Z_p^*\times\Bbb Z_q^*\).

Sey Y.Kim 的证明也收录在 Biscuits of Number Theory 一书.

Aug 222012
 

Thurston passed away at 8pm on August 21 in Rochester, NY.

William Paul Thurston (October 30, 1946 – August 21, 2012) was an American mathematician. 他是低维拓扑学(Low-dimensional topology)领域的先驱. 1982 年, 他因为在三维流形(3-manifolds)的工作, 而获得了菲尔兹奖(Fields Medal).

Thurston 最好的工作, 应该是他对Hyperbolization theorem的证明. 这个描述三维流形拓扑与几何结构的困难定理, 最终导致了Thurston的几何化猜想(Geometrization conjecture).

他以直觉的方式(intuitive approach)来研究数学. 他能”感觉”到三维流形, 却写不出来. 针对此种质疑, Thurston写过一篇非常值得推荐的文章 On proof and progress in mathematics.

Thurston 的名著 Three-Dimensional Geometry and Topology, Vol 1, 以直观的方式讨论几何化猜想. Vol 2 只有一些还未出版的笔记(unpublished notes), 简直是红楼未完般的恨事.

Thurston 在 mathoverflow 的账号是 Bill Thurston. 他在这里有一些有见地的问题和回答.

关于 everting the sphere

他 \(2010\) 年的 lecture on The Mystery of 3-Manifolds

66岁未满而归道山, 让人扼腕. 但几何化猜想已经完成, Thurston 应该没有遗憾. 他的离去, 是数学界的一大损失无疑.

这两个视频, 某些网友观看会有一点困难, 因之, 这里提供第二个视频的另一个地址:

Aug 212012
 

If \(p,q\) are distinct odd primes,  then

\[\left( \frac pq\right) \left( \frac qp\right) = (-1)^{\frac{(p-1)(q-1)}4},\]

where \(\left( \frac{}{}\right)\) is the Legendre symbol. 这就是被 Gauss 称为”数论酵母” 的二次互反律.

自 Legendre 的那个没有完成的证明以来, 据 Reciprocity Laws: From Euler to Eisenstein 的作者 Franz Lemmermeyer 统计, 发表的证明是 \(240\) 个. 可以预见的到, 这个数字还会不断增加. 这些证明的作者, 发表年份,使用的方法以及文献的详细列表可在 Lemmermeyer 的个人主页找到. 其中, \(1889\) 这一年就有 \(6\) 个证明公布, \(1893,1951,1961\) 年也各有 \(5\) 个证明发表在不同的期刊上. 仅看从 \(1950\) 年到今天的这 \(60\) 多年, 只有 \(1956,1959,1968,1970,1975,1977,1982,1986,1988,1996,2002\) 这 \(11\) 年没有证明发表.不过, Lemmermeyer 的统计好像有小错误, 例如 Wouter Castryck 在 \(2008\) 年发表了一篇文章, 办法类似于 V. A. Lebesgue 在 \(1838\) 年的论证, 但 Lemmermeyer 的统计认为 Castryck 的证明在 \(2007\) 年给出.

这么多的证明, 想要全部分门别类, 整理好写出来, 肯定是困难的. 文献多, 不容易都找到. 即便都找齐了, 也因为是不同的语言, 也不能都看懂. 这些方法各有繁简. 哪个证明才是最简单的呢? 显然, Proofs from THE BOOK 给出的两个途径, 是比较繁琐的; Jean-Pierre Serre 在他的 A Couse in Arithmetic 第一章给出的都依靠 Gauss 引理的两个证明, 也不算太简单. 那么, 到底哪个才是最简单的呢? 各人的看法可能有不同. 但, 美妙的, 能给人以深刻印象, 令人荡气回肠的证明, 应该有一些共同的特征, 或者说一个证明要能成为好的证明, 美丽的证明, 应该有一定的门槛, 满足一定的条件. 我们试着列出这些条件:

  • 简单是首要条件. 基于简单的想法, 能揭示问题的本质, 加深对事物的理解.
  • 美. 构思巧妙, 论证精妙方能展现出深刻. 当然, 简单其实也是一种美.
  • 自然. 方法能用在更广泛的地方, 解决更多的问题.

同时满足这些要求的证明不容易找到, Castryck 的证明大概可以满足前两条. 下面是他的详细论证:

For any odd \(n \in\Bbb N\), denote by \(N_n\) the number of solutions in \(\left( \Bbb Z / (q)\right)^n\) to the equation

\[x_1^2-x_2^2+x_3^2-\dotsb + x_n^2 = 1.\]

If we substitute \(x_1 \gets x_1+x_2\), then we get

\[x_1^2+x_3^2-\dotsb + x_n^2-1 = -2x_1x_2.\]

For any non-zero \(x_1\)-value and any values of \(x_3,\dotsc,x_n\), there is a unique corresponding \(x_2\)-value. If \(x_1=0\), there are no solutions, except if \(x_3^2-\dotsb + x_n^2 = 1\) (which happens in \(N_{n-2}\) cases): then all possible values of \(x_2\) do the job. We find that

\[N_n = q^{n-2}(q-1)+qN_{n-2}.\]

and hence \(N_n = q^{n-1}+q^{\frac{n-1}{2}}(N_1-1) = q^{n-1}+q^{\frac{n-1}{2}}.\) In particular,

\begin{equation}N_p\equiv1+\left(\frac qp\right) \pmod p.\end{equation}

Next, \(N_p\) can be classically determined as

\[\sum_{t_1+\dotsb + t_p = 1}N(x_1^2 = t_1)N(x_2^2 = -t_2)N(x_3^2=t_3)\dotsm N (x_p^2=t_p),\]

where the \(t_i\) are in \(\Bbb Z/(q)\) and \(N(\cdots)\) denotes the number of solutions to the corresponding univariate equation. This can be rewritten as

\[\sum_{t_1+\dotsb+t_p=1}\left(1+\left(\frac{t_1}q\right)\right)\left( 1+\left( \frac{-t_2}q\right)\right)\left( 1+\left( \frac{t_3}q\right)\right)\dotsm \left( 1+\left( \frac{t_p}q\right)\right),\]

When expanding out the product, only the terms \(1\cdot 1 \cdot 1 \cdots 1\) and \(\left(\frac{t_1}q\right)\cdot\left(\frac{-t_2}q\right)\cdot\left( \frac{t_3}q\right)\cdots\left( \frac{t_p}q\right)\) should be taken into consideration; the other terms disappear because Legendre symbols sum up to zero: \(\sum\limits_{t\in\Bbb Z/(q)}\left(\frac tq\right) = 0.\) Therefore, the above expression simplifies to

\[q^{p-1}+\left( \frac{(-1)^{\frac{p-1}2}}q\right)\sum_{t_1+\dotsb+t_p = 1}\left(\frac{t_1t_2t_3\dotsm t_p}q\right).\]

Modulo \(p\), the latter sum almost completely vanishes, since the tuples \((t_1,\dotsc,t_p)\) satisfying \(t_1+\dotsb + t_p = 1\) with not all \(t_i\) equal to \(p^{-1}\) can be collected in groups of size \(p\) by cyclic permutation. Note that \(p\) is indeed a multiplicative unit in \(\Bbb Z/(q)\). We thus obtain

\begin{equation}N_p\equiv1+\left( \frac{(-1)^{\frac{p-1}2}}q\right) \left( \frac{p^{-p}}q\right) \equiv1+(-1)^{\frac{p-1}2\frac{q-1}2}\left( \frac pq\right) \pmod p.\end{equation}

The last congruence follows from Euler’s criterion \(\left(\frac aq\right) \equiv a^{\frac{q-1}2} \pmod q\) and the observation that \(p^{-p}\) is a square in \(\Bbb Z/(q)\) if and only if \(p\) is a square in \(\Bbb Z/(q)\).

Comparing \((1)\) and \((2)\), the reciprocitylaw follows. \(\Box\)

接下来的论证, 是 Aurelien Bessard (2010) 改编自 V. A. Lebesgue 和 Eisenstein的一个证明:

Let \(p = 2m+1\) and \(q\) be distinct odd primes and let \(N\) denote the number of solutions of the equation

\[ x_1^2 + \ldots + x_p^2 = 1 \]

in the finite field \(\Bbb F_q\).

The group \(\Bbb Z/p\Bbb Z\) acts on the solution space \(X\) by shifting indices: if \((x_1, \ldots, x_p) \in X\), then so is \((x_a,x_{a+1}, \dotsc)\) for each \(a \in {\mathbb Z}/p{\mathbb Z}\), where the indices have to be read modulo \(p\). Each orbit has exactly \(p\) elements except if there is an \(x\) with \((x,x,\ldots,x) \in X\): the orbit of this element has \(1\) element. Now \((x,x,\ldots,x) \in X\) if and only if \(px^2 = 1\) is solvable in \(\Bbb F_q\), hence

\begin{equation} N \equiv \Big( \frac pq \Big) + 1 \pmod p.\end{equation}

We make a change of variables to transform the diagonal equation into an equation where counting the number of solutions is easier. To this end, consider the matrix

\[ A = \left( \begin{matrix} 0 & 1 & & & & & & \\ 1 & 0 & & & & & & \\ & & 0 & 1 & & & & \\ & & 1 & 0 & & & & \\ & & & & \ddots & & & \\ & & & & & 0 & 1 & \\& & & & & 1 & 0 & \\& & & & & & & a\end{matrix} \right) \]

with \(a = (-1)^{\frac{p-1}2}\). Since \(\det A = 1\), this matrix is congruent to the unit matrix, hence \(X\) and the solution spaces \(X^\prime\) of the equation \(x^T A x = 1\),i.e.,recall that \(p=2m+1\), of

\[2(y_1z_1+\dotsb+y_mz_m)+ax_p^2=1\]

are isomorphic.

For counting the number of solutions of \(X^\prime\), observe that if \((y_1, \dotsc, y_m) = 0\), we have \(q^m(1+a^{\frac{q-1}2})\) possibilities for choosing \(z_1, \dotsc, z_m\) and \(x_p\).

If \(y = (y_1, \dotsc, y_m) \ne 0\), on the other hand, then for each choice of \(y\) and \(x_p\) we have to count the number of points on a hyperplane of dimension \(m\); there are \(q^{m-1}\) points on such a hyperplane, and the number of overall possibilities in this case is \((q^m-1) \cdot q \cdot q^{m-1} = q^m(q^m-1)\).

Thus we find

\begin{equation}\begin{split} N & = q^m (1+a^{\frac{q-1}2})+q^m(q^m-1) \\&=q^m(q^m+(-1)^{\frac{p-1}2\frac{q-1}2})\\ & \equiv\Big(\frac qp\Big)\bigg(\Big(\frac qp\Big)+(-1)^{\frac{p-1}2\frac{q-1}2}\bigg)\\&\equiv1+(-1)^{\frac{p-1}2\frac{q-1}2}\Big(\frac qp\Big)\pmod p.\end{split}\end{equation}

Comparing \((3)\) and \((4)\), gives the quadratic reciprocity law. \(\Box\)

Aug 202012
 

卢昌海谈 Riemann 猜想(Riemann hypothesis)的系列文章, 刚刚由清华大学出版社结集出版, 书名”黎曼猜想漫谈”.

the Riemann hypothesis

book on the Riemann hypothesis

从卢昌海动笔写第一篇谈Riemann 猜想的小文章, 到现在出版成书, 过去了八年仅仅差三个月. 在正式出版之前, 其内容已经在网络广为流传, 被很多人转载, 也被数学杂志连载刊登过, 影响巨大. 现在作为数学科普出版, 相信会促进科学的传播, 有助于大家了解这个数学中最重要的难题.

书名: 黎曼猜想漫谈
ISBN: 978-7-302-29324-8
出版社: 清华大学出版社
作者: 卢昌海
出版日期: 2012年08月
定价: 25 人民币元