Oct 012012
 

北京大学数学科学学院的周健老师正在把 EGA 与 SGA 翻译成中文. 早在 \(05\) 年(也可能是 \(06\) 年, 记不清了), 我就听说他在进行这个工作. 嗯, 这是艰难的事业.

依照丘成桐先生的建议, 为方便广大青少年学习者, 设立EGA, SGA. 这里包括了 EGA 与 SGA 的中文译本, Bourbaki 的数学原理 看样子也会加进来. EGA 的相关资料也会收集整理, R. Godement, J.-P. Serre, P. Deligne, M. Raynaud 的几篇文章已经呈现在读者面前, Ngô Bảo Châu(吴宝珠)证明基本引理(fundamental lemma for automorphic forms)的文章也已经翻译完成.

翻译文档会即时更新在这里, 请仅仅使用在个人学习的用途上.

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 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 Vol 2 只有一些还未出版的笔记(unpublished notes), 简直是红楼未完般的恨事.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

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.

Jun 272012
 

theorem   Let \(n\) be a positive integer,  then \(n\) can be expressed as the sum of three squares iff it is not of  the  form

\begin{equation}4^a(8b+7)\end{equation}

for some \( a,b\in\Bbb Z,a,b\geq 0\).

For a integer \(n\equiv3\pmod8\), there exists three odd numbers \(x,y,z\) such that

\begin{equation}n=x^2+y^2+z^2.\end{equation}