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華氏定理與華氏不等式

1936年華羅庚到劍橋大學(xué)進(jìn)修了兩年,他師從哈代,積極參加劍橋大學(xué)數(shù)論小組的學(xué)術(shù)討論班活動(dòng),迅速進(jìn)入到該領(lǐng)域前沿。華羅庚潛心研究數(shù)論的重要問題,解決了華林(Waring)問題,他利(Tarry)問題等數(shù)學(xué)難題,其杰出才華在劍橋沃土上顯露出來,在國際數(shù)學(xué)界引人注目。

華羅庚抓緊這兩年的時(shí)間,學(xué)習(xí)非�?炭嗯Γ瑢懥耸似P(guān)于“華林問題”、“他利問題”,“奇數(shù)的哥德巴赫問題”的論文,先后發(fā)表在英、蘇、印度、法、德等國的雜志上。他的工作成績得到了大家的認(rèn)可與贊許。其中他的最有名的一篇論文“論高斯的完整三角和估計(jì)問題”,代表了他的工作在這個(gè)領(lǐng)域的有著長期與重要的影響。

       

蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家維諾格拉朵夫(1891-1983),從1934年至1983年一直擔(dān)任蘇聯(lián)科學(xué)院斯捷克洛夫數(shù)學(xué)研究所的所長。他對韋爾和的估計(jì)方法及以素?cái)?shù)為變數(shù)的指數(shù)和估計(jì)方法自30年代以來,對數(shù)論發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。他在堆壘數(shù)論方面得到不少深刻的結(jié)果,尤其是他對奇數(shù)的哥德巴赫猜想的基本解決及關(guān)于華林問題的結(jié)論是最為有名。

維諾格拉朵夫的主要成就是發(fā)表在30年代,這也是華羅庚進(jìn)入數(shù)論研究的高峰時(shí)期。他認(rèn)真學(xué)習(xí)了維諾格拉朵夫的方法,雖然華羅庚是自學(xué)維諾格拉朵夫方法的。但他對這個(gè)方法的了解和貢獻(xiàn)卻不在旁人之下。維諾格拉朵夫在他的書《數(shù)論中的三角和方法》的序言中,提到這個(gè)方法是我與柯坡爾特、朱達(dá)柯夫、華羅庚及其他人一起合作得出的。

華羅庚最重要的數(shù)論工作當(dāng)然還是他自己獨(dú)創(chuàng)性的工作。

華氏定理

華氏定理(1940)命q是一個(gè)正整數(shù),f(x)=akxk+...+a1x 為一個(gè)k次整系數(shù)多項(xiàng)式且最大公約(ak, ...,a1,q=1,則對于任何 ε>0皆有

華氏定理溯源于高斯(C.F. Gauss)他首先引進(jìn)f(x)=ax2 的特例情況,

即所謂高斯和: S(q, ax2),(a,q)=1,

并得到估計(jì) S(q, ax2)=O(q1/2 ).

高斯引進(jìn)并研究高斯和的目的在于給出初等數(shù)論中非常重要的二次互反律一個(gè)證明。以后,不少數(shù)學(xué)家企圖推廣高斯和及他的估計(jì),但他們只能對特殊的多項(xiàng)式所對應(yīng)的S(q, f(s)),取得成功,這一歷史名題直到1940年,才由華羅庚解決。

華氏定理是臻于至善的,即誤差主階1-1/k 已不能換成一個(gè)更小的數(shù)。這只是取f(x)=xk q=pk ,p為素?cái)?shù),就可以知道。所以依維諾格拉朵夫稱贊華氏定理是驚人的。

華氏定理的直接應(yīng)用是,可以處理比希爾伯特一華林定理更為廣泛的問題:

N為一個(gè)正整數(shù),fi(x)(1<=i <=s )是首項(xiàng)系數(shù)為正的k次整值多項(xiàng)式 ,

考慮不定方程 N = f1(x1)+...+fs(xs)                                     (1)

的求解問題,特別取f1(x)+...+fs(x) = xk 即得

N =x1k +...+xsk     .                       (2)

1770年,華林提出猜想:當(dāng)s>=s0(k) , (2)有非零非負(fù)整數(shù)解 。華林猜想是希爾伯特于1900年證明的。于是華林猜想就成了著名的希爾伯特一華林定理,但用希爾伯特方法所能得到的s0(k)將是很大的 ,20年代以后,哈代、李特伍德與依·維諾格拉朵夫用圓法及指數(shù)和估計(jì)法對s0(k)作了精致的定量估計(jì)。用華氏定理基本上可以將依·維諾格拉朵夫關(guān)于華林問題的重要結(jié)果推廣至不定方程(1), 即假定(1)滿足必須滿足的條件,則當(dāng)s>=s0 =O(Klog K)N充分大時(shí), (1)有非零非負(fù)整解。當(dāng) s >=  s0'=O(K2log K) 時(shí) ,方程(1)的解數(shù)有一個(gè)漸近公式。

華氏不等式

華氏不等式(1938)命N 為一個(gè)正整數(shù),f(x)為一個(gè)k次整系數(shù)多項(xiàng)式,則 T(a)=∑x=1Ne(af(x)),

則對于任何ε>01<=j<=k  時(shí)皆有     

華氏不等式的直接應(yīng)用為不定方程(1),由圓法來處理方程(1),則首先需將方程(1)的解數(shù)表示成(0,1), 上的一個(gè)積分 ,然后將(0,1)分成互不相交的優(yōu)孤與劣孤之并, 優(yōu)孤上的積分給出(1)的解數(shù)的主項(xiàng),需證明劣孤上的積分是一個(gè)低階項(xiàng) ,從而可以忽略不計(jì),這樣就得到了解數(shù)漸近公式。華羅庚證明了fi(x)(1<=i<=s)假定。為滿足必須滿足的條件的k次整值多項(xiàng)式 ,則當(dāng)s >= 2k +1 時(shí),方程(1)的解數(shù)有一個(gè)漸近公式。特別對于華林問題,即方程(2),當(dāng)s >= 2k +1 時(shí),對充分大的N,有非尋常非負(fù)解,且解數(shù)有漸近公式。當(dāng)k <=10時(shí),這一結(jié)果是華林問題的最佳結(jié)果 。直到半個(gè)世紀(jì)之后,基于對華氏不等式的某些改良,沃恩(R.F.Vaughan)與希斯布朗(D.R. Heath-Brown )才能對華羅庚關(guān)于華林問題的結(jié)果作點(diǎn)改進(jìn),但他們所用的方法卻繁得多了。

基于華羅庚關(guān)于解析數(shù)論的基本方法,即關(guān)于指數(shù)和估計(jì)的華氏定理與華氏不等式,再加上依· 維諾格拉朵夫的韋爾 (H. Weyl)和估計(jì)與關(guān)于素?cái)?shù)變數(shù)的指數(shù)和估計(jì),華羅庚系統(tǒng)地研究了不定方程及其他堆壘問題的求解問題,并限制變數(shù) x1,x2,...xs均取素?cái)?shù)值。華羅庚的結(jié)果總結(jié)在他的專著《堆壘素?cái)?shù)論》中,這本書被譯成俄文、英文、德文、匈牙利文與日文,它是圓法、指數(shù)和估計(jì)及其應(yīng)用方面最重要的經(jīng)典著作之一 。