May 262013
 

Busy day in analytic number theory

On May 13, 2013, Harald Andres Helfgott  uploaded to the arXiv his paper “Major arcs for Goldbach’s theorem” claimed that he has proved the ternary Goldbach conjecture, or odd Goldbach conjecture, asserts that every odd integer  \(n>5\) is the sum of three primes.

这论文仅仅证明了每个 \(>10^{30}\) 的奇数可以表示为三个质数之和. 至于 \(<10^{30}\) 的奇数, 已经通过计算机进行验证. 计算机实际上, 已经计算过, 对于 \(<8.875\cdot10^{30}\) 的奇数, Goldbach’s conjecture 都是对的. 这样, 奇数 Goldbach’s conjecture 彻底终结.

这文章采用是基于圆法 (Hardy–Littlewood circle method), 大筛法(the large sieve) and exponential sums 的一种途径.

Goldbach’s conjecture 已经有 \(271\) 年的历史了.

May 142013
 

On 14 May 2013, Mathematician Yitang Zhang claimed that he has proved there are infinitely many prime gaps shorter than 70 million, which was a weak version of the twin prime conjecture.

数学界对张的证明, 表示乐观, 应该没有错误.

[Update, May 21, 2013: 张的论文, 全文 \(56\) 页已经可以在 Annals of Mathematics 的网站看到: Bounded gaps between primes(subscription required). 这文章的主要结果是证明了

\[\varliminf_{n\rightarrow\infty}(p_{n+1}-p_n)\lt7\times10^7,\]

这里 \(p_n\) 表示第 \(n\) 个质数.]

综合起来, 这故事有几个看点:

1. 成就太过突出
孪生质数猜想是数论中最古老的难题, 一直没有啥进展.

2. 用经典方法逆袭, 用弹弓打死了狗熊.
无数数学家企图使用弹弓打狗熊, 从没成功. 都已经放弃希望了, 突然有人宣布搞定. 不是崭新的思路, 这是很多数学家引以为憾的地方, 因此引来无数的酸葡萄, 大家都希望使用核武器来进攻, 甚至发明更猛的新式武器.

3.张益唐一直坎坷, 一举成名天下知.
很精彩的励志故事. 很可能将来的数论教科书在讲述他惊世骇俗的定理时, 也会用他送外卖糊口来思考数学的情事来鼓励后进.

石破天惊

4 月 17 日, 数学界最富盛名的数学杂志 Annals of Mathematics 的收件箱出现一篇论文. 这论文居然宣称在一个最古老的数学难题孪生质数猜想上取得重大突破. 专家们对作者张益唐感到陌生. 最要命的是, 张其实只是一所普通大学的讲师, 已经 50 好几.

著名数学杂志经常收到一些出自无名作者的号称解决了大问题的论文, 但这篇署名张益唐的数论论文不同. 这是一部严肃的作品: 论述清澈, 完全使用这学科当前的术语进行表述. 于是, 编辑们决定尽快审稿.

过了三个星期, 是的, 仅仅三周, 张就收到了对论文的评价: 一流!

一个没啥名气的研究人员取得重大进展的新闻, 迅速在数学界传开. 丘成桐邀请张益唐去 Harvard 做一个报告. 报告会于 5 月 13 日进行. 坐在教室的观众有 50 人, 没人之前听说过张的大名, 包括丘.(其实, 在1980年代, 张还在求学的时候, 与丘是打过交道的.) 于是,  张益唐的工作的一些细节为外界所知晓: 张没有使用崭新的办法, 而是通过改进已有的途径. 最顶尖的数论专家已经尝试过这种途径, 但张益唐在别人失败的地方取得了成功.

张益唐的定理令人惊讶, 是一个巨大的突破.

筛法

张益唐的成果可以追溯到八年前的一篇数论专家引用称为GPY的论文-以其三位作者 Goldston, János Pintz, Cem Yıldırım 的名字命名. 该论文已经非常非常接近, 但很遗憾的没能证明存在无限多对质数, 其差有限.  具体说来, GPY发展了一种称为筛法的方法. 研究人员把这种筛法与一个函数结合起来. 这个函数的效能是基于一个衡量质数多快才能呈现某种规律的称为 level of distribution 参数.  level of distribution 至少是\(\frac12\), 这就是得到 GPY 的结果的那个值. GPY的筛法要想得出存在无限多对质数, 其间隙有限, 必须提升 level of distribution, 使其 \(>\frac12\), 哪怕只比 \(\frac12\) 大那么一点点也足够了.

1980 年代后期, IAS 的 Fields Medal 得主 Enrico Bombieri, Toronto大学的 John Friedlander, 和 Rutgers大学的 Henryk Iwaniec 设法修改level of distribution 的定义, 使得这个修订后的参数达到 \(\frac47\). GPY 的文章在 2005年出笼以后, 研究人员一窝蜂想把这个修改后的 level of distribution 与 GPY的筛法组合起来, 但没有什么成效.

张益唐的工作

与此同时, 张益唐独自游走在 GPY 与质数的有界间隙之间, 想要完成 GPY 未尽的事业.

张读过 GPY 这论文. 论文里有一句话是如此振奋人心. 这句话指出, 质数间隙有界已经近在咫尺! 经过三年孤独的奋斗, 张没有任何进展.

想进行一点休息, 张益唐去年夏天访问了一个在 Colorado 的朋友. 就在这期间,  7 月 3 日,  在离开朋友家去一个音乐会之前, 在后院休息的半小时里, 张益唐突然想出了答案. 张的想法, 不是直接使用Selberg 的筛法, 而是做一些修正: 不是使用所有的数来过滤, 只考虑那些没有大的质数因子的数.

Goldston认为, 张的筛法, 没有那么强大, 效果也差一点, 但在 GPY 会有一点奇效. 这样一来, 张把 level of distribution 提高到了 \(\frac12+\frac1{584}\), 这足以使用 Bombieri, Friedlander, 和 Iwaniec 的方法. “新筛法得出了张的惊天动地的结果, 但不太可能证明孪生质数猜想. 即便假定 level of distribution 最好的结果成立, 从 GPY 的方法只能得出有无穷多对质数, 其差不超过 \(16\).” Goldston 说.

张也使用了 Enrico Bombieri, John Friedlander, 和 Henryk Iwaniec 所发展的技巧, 比如有限域上的特征和, 自守形式的理论, 然后独创性的把所有东西结合在一起.  他也优雅的借用其他领域的工具, 比如间接用到有限域上代数簇的 Riemann hypothesis.

张益唐花费了几个月才完成所有的细节. 最后的论文表述清晰. 这是解析数论的巅峰之作.

[Update, June 8, 2013: 去年7月3日, 张益唐前往在科罗拉多州立大学音乐系任教的好友, 音乐指挥家齐雅格家中作客. 当时他与齐雅格正准备离家去看排练, 临走前20分钟, 张益唐想到齐家院子后看不请自来的梅花鹿, 顺便抽根烟.

Yitang Zhang

Yitang Zhang

齐雅格回忆, 张益唐破解孪生素数的关键就是在那20分钟里,”有如神明启示一般地”想出来. 他那次到他家作客, 纯粹为了放松, “身上没带一本书,没有任何资料,也不上电脑.这似乎是个奇迹”.

张益唐则表示, 这是长期研究的积累, 一旦有机遇, 就成功地突破难题, 找到別人没有想到的特別突破口, “这也是运气”.[9]  ]

张益唐其人

张益唐, 北大 78 级, 本科学习的是计算数学. 1982年毕业之后, 拜潘承彪教授为师继续在北大学习三年, 获得硕士学位. 然后, 他赴美,  到 Purdue University攻读博士学位, 导师是莫宗坚教授. 莫宗坚的大名很多人应该是知道的, 这要归功于他的两本”代数学”.

学术界也讲究”血统”! 张益唐可算得上是华罗庚的”徒孙”. 张的硕士导师潘承彪尽管不是华罗庚正式的学生, 但显然受到华巨大的影响. 潘承彪曾追随闵嗣鹤教授学习广义解析函数, 但他的数论知识应该主要来自他的哥哥潘承洞. 潘承洞是闵嗣鹤的研究生, 但也被认为是华罗庚的学生, 尤其在对Goldbach猜想的研究上. 更不待言闵嗣鹤教授本人也被华深深影响. [1]

张益唐的博士题目是 Jacobian conjecture. 其实这 Jacobian conjecture 现在仍在考验人类的智慧. 张在博士毕业之前, 认为自己解决了 Jacobian conjecture. 但是, 他的证明使用的其导师莫宗坚的一个引理后来被发现是错的, 于是张几年的心血付之东流. 张益唐这博士论文没发表, 而且和导师莫宗坚的关系不好, 于是博士毕业即为失业, 连博士后都没找到.[2]

接下来的事情, 很多新闻都有报道: 张一边做零工糊口, 一边思考数学! 最后, 在他的两个师弟, 北大80级的同学唐朴祁, 尤其是葛力明的帮助下, 在一个偏僻的地方, University of New Hampshire, 找到一个讲师职位. 这样张益唐才算有了稳定的工作, 能在更好的条件下思考质数分布的规律.

张益唐在大学教书, 一周上课六个小时, 空余时间不少. 虽然学校並不重视研究, 但自己始终没有放弃思考和钻研自己热爱的数学数论问题. 在这三, 四年的过程中, 遇到许多令人沮丧的挫折.

张益唐不重视金钱和名利, 几乎任何时间都在思考数学, 甚至休息的时候. 这也部分回答了为什么他能成功. 用他自己的话来说,”The idea is based on an accumulation of my thinking for several years,I had tried various methods. To answer why others could not get it and I could, I may say that I had been working harder and never gave up.” [10]

闲暇之际, 张喜爱阅读莎士比亚(Shakespeare), 哈姆雷特, 罗密欧与朱丽叶(Hamlet and Romeo and Juliet) 是他的最爱.[8]

张益唐的学生对他评价很好, 字写的很漂亮.

他太太在 California 工作, 两人没有孩子.[5]

References

  1. 季理真, 素数不再孤单: 孪生素数和一个执着的数学家张益唐, May 20, 2013.
  2. 汤涛, 张益唐和北大数学 78 级, May 19, 2013.
  3. Erica Klarreich, Unheralded Mathematician Bridges the Prime Gap, simons foundation, May 19, 2013.
  4. Kenneth Chang, Solving a Riddle of Primes, The New Yorks Times, May 20, 2013.
  5. Carolyn Y. Johnson, Globe Staff, Obscure University of New Hampshire math professor takes major step toward elusive proof, May 23,2013.
  6. Dan Goldston, Zhang’s Theorem on Bounded Gaps Between Primes.
  7. Henryk  Iwaniec, a email to Shing-Tung Yau: Subject: Re: Yitang zhang, May 24,2013.
  8. Liam O’brien, That figures: Professor who had to work at Subway dazzles world of maths after solving centuries-old prime number riddle, May 21, 2013
  9. 唐嘉丽, 张益唐破解千古数学难题, June 6, 2013.
  10. Paul Feely, UNH professor solves ancient mathematics riddle, June 2, 2013.
Oct 042012
 

A subset \(A\) of \(\Bbb N\) is called a Sidon set(or Sidon sequence) if the only solutions of the equation \(x+y=z+w\) with \(x,y,z,w\in A\) are the trivial ones with \(x=z, y=w\) or \(x=w, y=z\).

换句话说,  \(A=\{a_0,a_1,a_2,\dotsc\}\) 是一个 Sidon set, 如果所有的 \(a_i+a_j(i\leqslant j)\) 互不相同.

Sidon set 是 Simon Sidon 在研究 Fourier series 的时候引进的. 根据他的建议, 研究 Sidon set, 最主要的问题是: 给定 \(x\), 一个 Sidon set 最多能有多少个元素 \(<x\) ? 经过大约 80 年的研究, 最终由 J. Cilleruelo, I. Ruzsa and C. Vinuesa 在 2010 年解决.

dense Sidon set 是什么情况?

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.

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

Aug 092012
 

依赖相对迹公式方面的最新成果, 同余数(congruent number)最近有所进展.

其实, 我第一次从不定方程的书上了解到何为同余数的时候, 并不称为同余数, 而被冠名合同数. 同余数就是这样的 \(n\in\Bbb N^+\), 存在一个边长为有理数的直角三角形, 其面积为 \(n\). 边长为有理数的直角三角形被定义为有理三角形(有理三角形在不同的环境有不同的定义,比如有些作者不要求是直角三角形,也有人把直角三角形这个条件换成面积是有理数). 当有理三角形的边长都是整数的时候, 又称为勾股三角形.

哪些 \(n\) 是同余数?  有无简单的判定方法? 如果 \(n\) 是同余数, 请给出一个面积为 \(n\) 的有理三角形. 这些问题古老而困难, 目前仅有部分结果. 同余数和椭圆曲线, BSD猜想(Birch and Swinnerton-Dyer conjecture)联系甚大.

第一个结果是 André Weil 的 Number Theory: An Approach Through History From Hammurapi to Legendre (1984) 第二章 \(10\) 的主题.

定理 \(1\)  任意 \(n\in\Bbb N^+, n^2,\, 2n^2\) 不是同余数.

Aug 032012
 

如果把能表示成两个整数平方和的正整数, 按从小到大排成一列:

\begin{equation}a_0=0,a_1=1,a_2=2,a_3=4,a_4=5,\dotsc.\end{equation}

那么这个数列, 不妨名为二平方和数列, 有什么性质?

先来考察二平方和之间的间隙, 也就是数列 \((1)\) 中, 相邻两项的差的问题. 这个差, 有界还是无界?事实上, 这个差可以任意的大, 即我们有下面的定理:

定理 \(1\) 记 \(d_n=a_{n+1}-a_n(n\geqslant1),\) 则

\begin{equation}\varlimsup_{n\rightarrow\infty}d_n= \infty.\end{equation}

换句话说, 我们可以找到任意多个连续的正整数, 它们都不在 \((1)\) 中.

证明  工具是中国剩余定理(Chinese remainder theorem).

取 \(n\) 个不同的形如 \(4k+3\) 的质数 \(p_1, p_2,\dotsc,p_n.\) 考虑同余方程组

\[ \begin{cases}x+1\equiv p_1\pmod{p_1^2},\\ x+2\equiv p_2\pmod{p_2^2},\\ \cdots\\x+n\equiv p_n\pmod{p_n^2}.\end{cases} \]

这个方程组有解 \(l\). 于是 \(l+i\) 是 \(p_i\), 但不是 \(p_i^2\)  的倍数, 因此 \(l+i\) 的质因数分解式中, \(p_i\) 的指数是 \(1\), 故而 \(l+i\) 不是二平方和 \((i=1,2,\dotsc,n).\)

定义

\[S:=\{a_0,a_1,a_2,a_3,\dotsc\}.\]

\(S\) 的密率是 \(0\). 事实上, 我们有精确得多的结果.

定理 \(2\)  用 \(A(n)\) 表示 \((1)\) 中不大于 \(n\) 的正整数个数, 则

\begin{equation}\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{A(n)\sqrt{\log n}}n=1.\end{equation}

记 \(\Pi_1\) 是所有形如 \(\equiv1\pmod4\) 的质数组成的集合, \(\Pi_3\) 是所有符合 \(\equiv3\pmod4\)的质数组成的集合.

\begin{equation}L_{1}(s)=\sum_{n\,\text{odd}}(-1)^\frac{n-1}2 n^{-s}=\prod_{p\in\Pi_1}\dfrac{1}{1-p^{-s}}\prod_{p\in\Pi_3}\dfrac1{1+p^{-s}}.\end{equation}

\begin{equation}L_{0}(s)=\sum_{n\,\text{odd}}n^{-s}=\prod_{p\in\Pi_1}\dfrac1{1-p^{-s}}\prod_{p\in\Pi_3}\dfrac1{1-p^{-s}}=(1-2^{-s})\zeta(s),\end{equation}

这里 \(\zeta\) 是 Riemann Zeta 函数.

分别在 \((4),(5)\) 两端取对数, 并利用 Taylor 级数, 可得

\begin{equation}\log L_0+\log L_1=2\sum_{p\in\Pi_1}p^{-s}+O(1),\end{equation}

\begin{equation}\log L_0-\log L_1=2\sum_{p\in\Pi_3}p^{-s}+O(1).\end{equation}

\(L_1\) 是交换级数, 因而收敛, 有界, 并且当 \(s\geqslant1\) 时, 其上下界与 \(s\) 无关. 于是

\begin{equation}\sum_{p\in\Pi_1}p^{-s}=\frac12\log\left[(1-2^{-s})\zeta (s)\right]+O(1),\end{equation}

\begin{equation}\sum_{p\in\Pi_3}p^{-s}=\frac12\log\left[(1-2^{-s})\zeta (s)\right]+O(1).\end{equation}

据 \((6),(7),(8),(9)\), 得

\begin{equation}\prod_{p\in\Pi_1}\frac1{1-p^{-s}}=\sqrt{(1-2^{-s})\zeta (s)}(1+O(1)),\end{equation}

\begin{equation}\prod_{p\in\Pi_3}\frac1{1-p^{-s}}=\sqrt{(1-2^{-s})\zeta (s)}(1+O(1)).\end{equation}

据二平方和定理, 得

\begin{equation}\sum_{n=1}^\infty a_n^{-s}=\frac1{1-2^{-s}}\prod_{p\in\Pi_1}\frac1{1-p^{-s}}\prod_{p\in\Pi_3}\frac1{1-p^{-2s}}=\sqrt{\zeta (s)\zeta (2s)}(1+O(1)).\end{equation}

当 \(s\rightarrow1\) 时, \(\zeta(2s)\) 的主部是常数, 因此 \(s\rightarrow1^+\) 时,

\begin{equation}\sum_{n=1}^\infty a_n^{-s}=\sqrt{\zeta(s)}(1+O(1)).\end{equation}

我们又有

\begin{equation}\sum_{n=1}^\infty a_{n}^{-s}=\sum_{n=1}^\infty\chi(n)n^{-s},\end{equation}

这里

\begin{equation}\chi(n)=\begin{cases}\,1,\quad\,n\in S\\0,\quad \text{otherwise}\end{cases}\end{equation}

定义

\[A(x)=\sum_{n\leqslant x}\chi(n),\]

利用 abel 求和公式, 得

\begin{equation}\sqrt{\zeta (s)}+O(1)=s\int_{0}^\infty A(x)x^{-(s+1)}dx.\end{equation}

令 \(s\rightarrow1^+\), 有

\begin{equation}\frac1{\sqrt{s-1}}+O(1)=\int_{0}^\infty A(x)x^{-(s+1)}dx.\end{equation}

最后, 由 Perron 公式或者 Laplace 变换, 即得

\begin{equation}A(x)\sim\frac{x}{\sqrt{\log x}}.\end{equation}

定理 \(2\) 不容易, 据此, 马上得以定出 \(a_n\) 的阶.

定理 \(3\)  \(\lim\limits_{n\rightarrow\infty}\dfrac{a_n}{n\sqrt{\log n}}=1.\)

下面这件事情是显然的, 尽管也是定理 \(3\) 的推论.

定理 \(4\)  \(\lim\limits_{n\rightarrow\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n}=1.\)

定理 \(4\) 的一个推论是:

定理 \(5\)  集合

\[\{\frac{s_1}{s_2}|s_1,s_2\in \Bbb S\}\]

在非负实数集 \(\Bbb R_+\) 中稠密.

事实上, 若定义 \(g(x), h(x)(x\in\Bbb R_+)\) 为

\[g(x)=a_n, h(x)=a_{n+1}(a_n\leqslant x<a_{n+1},n=0,1,2,\dotsc.),\]

则对任意 \(p, q\in\Bbb N^+\), 成立

\[\dfrac{\dfrac{g(np)}{h(nq)}}{\dfrac{h(np)}{g(nq)}}<\dfrac{\dfrac{g(np)}{g(nq)}}{\dfrac pq}<\dfrac{\dfrac{h(np)}{g(nq)}}{\dfrac{g(np)}{h(nq)}},\]

这是因为 \(\dfrac{g(np)}{h(nq)}<\dfrac{g(np)}{g(nq)}, \dfrac pq<\dfrac{h(np)}{g(nq)}\). 这便推出

\[\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{g(np)}{g(nq)}=\frac pq.\]

注意, 这个证明并没有用到 \(S\) 的性质, 也就是说, 满足定理 \(4\) 的数列必定对定理 \(5\) 也成立.

定理 \(6\)  级数

\begin{equation}\sum_{n=1}^\infty\frac1{a_n}\end{equation}

发散.

实际上, 根据 Fermat 的平方和定理, 质数 \(p\equiv1\pmod4\) 都在数列 \((1)\) 中. 所以, 欲证明的结果仅仅是 Dirichlet 的一个经典定理

\[\sum_{p\equiv b\pmod a\atop (a,b)=1}\frac 1p=\infty\]

的特列.

定理 \(7\)  数列 \((1)\) 包含任意长的算术级数.