黎曼猜想

德國(guó)有名的數(shù)學(xué)家希爾伯特(D.Hibert 1862—1943)在老年時(shí)曾被人問(wèn)一個(gè)有趣的問(wèn)題:“假定你去世后一兩年能復(fù)活,您會(huì)做什么呢?”希爾伯特回答:“我會(huì)先問(wèn)黎曼猜想是否已經(jīng)獲得解決了?”

原來(lái)他在1900年把這問(wèn)題列為20世紀(jì)數(shù)學(xué)家所面對(duì)的一個(gè)重要難題,如果他死能復(fù)活,當(dāng)然關(guān)心的是這個(gè)問(wèn)題是否解決了。

19世紀(jì)數(shù)論中的一個(gè)重要發(fā)展是由狄利克雷開(kāi)創(chuàng)的解析方法和解析成果的導(dǎo)入,而黎曼開(kāi)創(chuàng)了用復(fù)數(shù)解析函數(shù)研究數(shù)論問(wèn)題的先例,取得跨世紀(jì)的成果。

    

1859年,黎曼發(fā)表了《在給定大小之下的素?cái)?shù)個(gè)數(shù)》的論文。這是一篇不到十頁(yè)的內(nèi)容極其深到的論文,他將素?cái)?shù)的分布的問(wèn)題歸結(jié)為函數(shù)的問(wèn)題,現(xiàn)在稱為黎曼函數(shù)。黎曼證明了函數(shù)的一些重要性質(zhì),并簡(jiǎn)要地?cái)嘌粤似渌男再|(zhì)而未予證明。

在黎曼死后的一百多年中,世界上許多最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家盡了最大的努力想證明他的這些斷言,并在作出這些努力的過(guò)程中為分析創(chuàng)立了新的內(nèi)容豐富的新分支。如今,除了他的一個(gè)斷言外,其余都按黎曼所期望的那樣得到了解決。

現(xiàn)在來(lái)說(shuō)黎曼猜想,在1858年黎曼寫(xiě)的一篇長(zhǎng)度只有8頁(yè)的關(guān)于素?cái)?shù)分布的論文,在這篇論文中,他提出了有名的黎曼猜想。這猜想提出已有一百多年了,許多有名的數(shù)學(xué)家曾嘗試去證明,就像喜歡爬山的人希望能爬上珠穆朗瑪峰一樣——因?yàn)樗捻敺宸浅@щy到達(dá),目前已有人登上這世界高峰,可是卻沒(méi)有人能證明這猜想!

要想說(shuō)明黎曼猜想,首先要講講這個(gè)問(wèn)題的來(lái)源。幾千年前人類(lèi)就已知道2,3,5,7,31,59,97這些正整數(shù)。除了1及本身之外就沒(méi)有其他因子,他們稱這些數(shù)為素?cái)?shù)(或質(zhì)數(shù)),希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得證明了在正整數(shù)集合里有無(wú)窮多的素?cái)?shù),他是用反證法證明,可以參看《數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)家的故事》第一集里這個(gè)證明。著名的瑞士數(shù)學(xué)家歐拉,在1737年給了歐幾里得定理的另外一個(gè)巧妙的證明。

人們?cè)缰老旅娴恼{(diào)和級(jí)數(shù)是不收斂(即和是無(wú)窮大)。

在1737年左右歐拉引進(jìn)了齊打函數(shù)(Zeta function)

如果令P表示所有的素?cái)?shù)集合,即歐拉發(fā)現(xiàn)對(duì)于S≥1,我們有上式的右邊表示

讓p跑遍所有的素?cái)?shù)集合,取我們看到

 右邊如果展開(kāi),每一項(xiàng)是形如  的形狀,這里p1,p2,…,pr都是素?cái)?shù)。由算術(shù)

的基本原理,我們知道,任何正整數(shù)是能表示成素?cái)?shù)方的乘積,而這表示法是只有一種。如果素?cái)?shù)的個(gè)數(shù)是有限,則當(dāng)s逐漸趨近于1時(shí),我們見(jiàn)到 而右邊的結(jié)果卻是有限,這樣就
產(chǎn)生了矛盾。由此可知素?cái)?shù)的個(gè)數(shù)不可能是有限的。

在1858年黎曼在他寫(xiě)的唯一一篇關(guān)于數(shù)論的文章里把齊打函數(shù)的定義域擴(kuò)大到復(fù)數(shù)域上,他要研究什么樣的復(fù)數(shù)s,能使ζ(s)=0,他在文章里給出了下面猜想,現(xiàn)稱為“黎曼猜想”

“所有的非實(shí)數(shù)的復(fù)數(shù)s使得ζ(s)=0,,必定在直線Re(s)=1/2 上。”
     

這個(gè)未解決的問(wèn)題是希爾伯特23個(gè)問(wèn)題中的第8個(gè)問(wèn)題,至今仍沒(méi)有人證明。對(duì)于某些其它的域 ,布爾巴基學(xué)派的成員已證明相應(yīng)的黎曼猜想。數(shù)論中很多問(wèn)題的解決有賴于這個(gè)猜想的解決。黎曼的這一工作既是對(duì)解析數(shù)論理論的貢獻(xiàn),也極大地豐富了復(fù)變函數(shù)論的內(nèi)容。

德國(guó)數(shù)學(xué)家F.克萊因這樣的評(píng)價(jià)他:“黎曼具有很強(qiáng)的直觀,由這天份他超越了當(dāng)代的數(shù)學(xué)家,在他的興趣被激發(fā)的領(lǐng)域,他不管是否當(dāng)局會(huì)接受對(duì)這研究的肯定,也不讓傳統(tǒng)來(lái)誤導(dǎo)他。……他像流星一樣出現(xiàn)然后消失,他活躍的時(shí)間只不過(guò)15年,1851年他完成論文,1862年他生病,1866年他去世!杪乃枷耄瑢(duì)現(xiàn)代函數(shù)論發(fā)展的影響是緩慢和逐漸的,他的工作不會(huì)在當(dāng)代引起突然的革命。這主要是由于黎曼的工作是不容易明白,另外是他提出的想法是非常新且奇特的!

黎曼的工作直接影響了19世紀(jì)后半期的數(shù)學(xué)發(fā)展,許多杰出的數(shù)學(xué)家重新論證黎曼斷言過(guò)的定理,在黎曼思想的影響下數(shù)學(xué)許多分支取得了輝煌成就。

近年對(duì)黎曼假設(shè)的研究

荷蘭三位數(shù)學(xué)家J.van de Lune,H.J.Riele te及D.T.Winter利用電子計(jì)算機(jī)來(lái)檢驗(yàn)黎曼的假設(shè),他們對(duì)最初的二億個(gè)齊打函數(shù)的零點(diǎn)檢驗(yàn),證明黎曼的假設(shè)是對(duì)的,他們?cè)?981年宣布他們的結(jié)果,目前他們還繼續(xù)用電子計(jì)算機(jī)檢驗(yàn)底下的一些零點(diǎn)。在1982年11月蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家馬帝葉雪維奇在蘇聯(lián)雜志《Kibernetika》宣布,他利用電腦檢驗(yàn)一個(gè)與黎曼猜想有關(guān)的數(shù)學(xué)問(wèn)題,可以證明該問(wèn)題是正確的,從而反過(guò)來(lái)可以支持黎曼的猜想很可能是正確的。