Произведение различных простых множителей a, b, c, где c равно a+b, редко бывает намного меньше c
Гипотеза abc (также известная как гипотеза Эстерле–Массера ) — гипотеза в теории чисел , возникшая в результате дискуссии Джозефа Эстерле и Дэвида Массера в 1985 году. [1] [2] Она сформулирована в терминах трех положительных целых чисел и (отсюда и название), которые являются взаимно простыми и удовлетворяют . Гипотеза по сути утверждает, что произведение различных простых множителей обычно не намного меньше . Ряд известных гипотез и теорем в теории чисел немедленно вытекают из гипотезы abc или ее версий. Математик Дориан Голдфельд описал гипотезу abc как «самую важную нерешенную проблему в диофантовом анализе ». [3]
Гипотеза abc возникла как результат попыток Эстерле и Массера понять гипотезу Шпиро об эллиптических кривых , [4] которая включает в себя больше геометрических структур в своем утверждении, чем гипотеза abc . Было показано, что гипотеза abc эквивалентна модифицированной гипотезе Шпиро. [1]
Были предприняты различные попытки доказать гипотезу abc , но ни одна из них не получила широкого признания. Шиничи Мочизуки заявил, что у него есть доказательство в 2012 году, но гипотеза до сих пор считается недоказанной основным математическим сообществом. [5] [6] [7]
Если a , b , и c являются взаимно простыми [примечания 1] положительными целыми числами, такими что a + b = c , то оказывается, что "обычно" . Гипотеза abc имеет дело с исключениями. В частности, она утверждает, что:
Для каждого положительного действительного числа ε существует лишь конечное число троек ( a , b , c ) взаимно простых положительных целых чисел, причем a + b = c , таких, что [8]
Эквивалентная формулировка:
Для каждого положительного действительного числа ε существует константа K ε такая, что для всех троек ( a , b , c ) взаимно простых положительных целых чисел, где a + b = c : [8]
Типичная тройка ( a , b , c ) взаимно простых положительных целых чисел с a + b = c будет иметь c < rad( abc ), т.е. q ( a , b , c ) < 1. Тройки с q > 1, такие как во втором примере, довольно особенные, они состоят из чисел, делящихся на высокие степени малых простых чисел . Четвертая формулировка:
Для каждого положительного действительного числа ε существует лишь конечное число троек ( a , b , c ) взаимно простых положительных целых чисел, где a + b = c, таких, что q ( a , b , c ) > 1 + ε .
В то время как известно, что существует бесконечно много троек ( a , b , c ) взаимно простых положительных целых чисел с a + b = c, таких что q ( a , b , c ) > 1, гипотеза предсказывает, что только конечное число из них имеет q > 1,01 или q > 1,001 или даже q > 1,0001 и т. д. В частности, если гипотеза верна, то должна существовать тройка ( a , b , c ), которая достигает максимально возможного качества q ( a , b , c ).
Примеры троек с малым радикалом
Условие ε > 0 необходимо, так как существует бесконечно много троек a , b , c с c > rad( abc ). Например, пусть
Целое число b делится на 9:
Используя этот факт, производится следующий расчет:
Заменяя показатель 6 n другими показателями, заставляющими b иметь большие квадратные множители, отношение между радикалом и c можно сделать сколь угодно малым. В частности, пусть p > 2 будет простым числом и рассмотрим
Теперь можно с полным основанием утверждать, что b делится на p 2 :
Последний шаг использует тот факт, что p 2 делит 2 p ( p −1) − 1. Это следует из малой теоремы Ферма , которая показывает, что при p > 2, 2 p −1 = pk + 1 для некоторого целого числа k . Возведение обеих сторон в степень p затем показывает, что 2 p ( p −1) = p 2 (...) + 1.
И теперь, при аналогичном расчете, как указано выше, получаем следующие результаты:
Список троек наивысшего качества (троек с особенно малым радикалом относительно c ) приведен ниже; наивысшее качество, 1,6299, было найдено Эриком Рейссатом (Ландо и Звонкин 2004, стр. 137) для
а = 2,
б = 3 10 · 109 =6 436 341 ,
с = 23 5 =6 436 343 ,
рад( абв ) =15 042 .
Некоторые последствия
Гипотеза abc имеет большое количество следствий. Они включают как известные результаты (некоторые из которых были доказаны отдельно только после того, как была высказана гипотеза), так и гипотезы, для которых она дает условное доказательство . Следствия включают:
Последняя теорема Ферма имеет известное трудное доказательство Эндрю Уайлса . Однако оно легко следует, по крайней мере для , из эффективной формы слабой версии гипотезы abc . Гипотеза abc утверждает, что предельный предел множества всех качеств (определенных выше) равен 1, что подразумевает гораздо более слабое утверждение о том, что существует конечная верхняя граница для качеств. Гипотеза о том, что 2 является такой верхней границей, достаточна для очень короткого доказательства Великой теоремы Ферма для . [15]
L -функция L ( s , χd ) , образованная с помощью символа Лежандра , не имеет нуля Зигеля , если принять равномерную версию гипотезы abc в числовых полях , а не только гипотезу abc , сформулированную выше для рациональных целых чисел. [17]
Обобщение теоремы Тейдемана относительно числа решений уравнения y m = x n + k (теорема Тейдемана отвечает на случай k = 1) и гипотезы Пиллаи (1931) относительно числа решений уравнения Ay m = Bx n + k .
Эквивалентом является гипотеза Гранвиля–Ланжевена о том, что если f — бесквадратная бинарная форма степени n > 2, то для каждого действительного β > 2 существует константа C ( f , β ) такая, что для всех взаимно простых целых чисел x , y радикал f ( x , y ) превышает C · max{| x |, | y |} n − β . [19]
все многочлены (x^n-1)/(x-1) имеют бесконечное множество значений, свободных от квадратов. [20]
Как эквивалент, модифицированная гипотеза Шпиро , которая дала бы оценку rad( abc ) 1.2+ ε . [1]
Домбровски (1996) показал, что гипотеза abc подразумевает, что диофантово уравнение n ! + A = k 2 имеет лишь конечное число решений для любого заданного целого числа A.
Существует ~ c f N положительных целых чисел n ≤ N, для которых f ( n )/B' является свободным от квадратов, причем c f > 0 — положительная константа, определяемая как: [21]
Гипотеза Била , обобщение Великой теоремы Ферма, предполагающее, что если A , B , C , x , y и z — положительные целые числа с A x + B y = C z и x , y , z > 2, то A , B и C имеют общий простой множитель. Гипотеза abc подразумевала бы, что существует лишь конечное число контрпримеров.
Гипотеза abc подразумевает, что c может быть ограничена сверху почти линейной функцией радикала abc . Известны оценки, которые являются экспоненциальными . В частности, были доказаны следующие оценки:
(Стюарт и Тейдеман, 1986),
(Стюарт и Ю, 1991) и
(Стюарт и Ю, 2001).
В этих границах K 1 и K 3 являются константами , не зависящими от a , b или c , а K 2 является константой, зависящей от ε ( эффективно вычислимым образом), но не от a , b или c . Границы применимы к любой тройке, для которой c > 2.
Существуют также теоретические результаты, которые дают нижнюю границу для наилучшей возможной формы гипотезы abc . В частности, Стюарт и Тиджеман (1986) показали, что существует бесконечно много троек ( a , b , c ) взаимно простых целых чисел с a + b = c и
для всех k < 4. Константа k была улучшена до k = 6,068 Ван Франкенхейзеном (2000).
Результаты вычислений
В 2006 году математический факультет Лейденского университета в Нидерландах совместно с голландским научным институтом Kennislink запустил проект ABC@Home , систему сетевых вычислений , целью которой является обнаружение дополнительных троек a , b , c с rad( abc ) < c . Хотя никакой конечный набор примеров или контрпримеров не может разрешить гипотезу abc , есть надежда, что закономерности в тройках, обнаруженные в ходе этого проекта, приведут к пониманию гипотезы и теории чисел в целом.
По состоянию на май 2014 года ABC@Home обнаружила 23,8 миллиона троек. [25]
Примечание: качество q ( a , b , c ) тройки ( a , b , c ) определено выше.
Уточненные формы, обобщения и связанные с ними утверждения
Усиление, предложенное Бейкером (1998), утверждает, что в гипотезе abc можно заменить rad( abc ) на
ε − ω рад( abc ),
где ω — общее количество различных простых чисел, делящих a , b и c . [27]
Эндрю Грэнвилл заметил, что минимум функции над достигается, когда
Это вдохновило Бейкера (2004) предложить более точную форму гипотезы abc , а именно:
с κ — абсолютной константой. После некоторых вычислительных экспериментов он обнаружил, что значение было допустимым для κ . Эта версия называется «явной гипотезой abc ».
Бейкер (1998) также описывает родственные гипотезы Эндрю Грэнвилла , которые дали бы верхние границы для c в форме
где Ω( n ) — общее количество простых множителей числа n , а
где Θ( n ) — количество целых чисел до n, делящихся только на простые числа, делящие n .
Роберт, Стюарт и Тененбаум (2014) предложили более точное неравенство, основанное на Роберте и Тененбаум (2013). Пусть k = rad( abc ). Они предположили, что существует константа C 1 такая, что
выполняется, тогда как существует константа C 2 такая, что
выполняется бесконечно часто.
Браукин и Бжезинский (1994) сформулировали гипотезу n — версию гипотезы abc , включающую n > 2 целых чисел.
Заявленные доказательства
Люсьен Спиро предложил решение в 2007 году, но вскоре после этого оно было признано неверным. [28]
С августа 2012 года Шиничи Мочизуки заявил о доказательстве гипотезы Спиро и, следовательно, гипотезы abc . [5] Он выпустил серию из четырех препринтов, развивающих новую теорию, которую он назвал межуниверсальной теорией Тейхмюллера (IUTT), которая затем применяется для доказательства гипотезы abc . [29]
Статьи не были широко приняты математическим сообществом как предоставляющие доказательство abc . [30] Это произошло не только из-за их длины и сложности их понимания, [31] но и потому, что по крайней мере один конкретный момент в аргументации был определен как пробел некоторыми другими экспертами. [32] Хотя несколько математиков поручились за правильность доказательства [33] и попытались донести свое понимание через семинары по IUTT, им не удалось убедить сообщество теории чисел в целом. [34] [35]
В марте 2018 года Питер Шольце и Якоб Стикс посетили Киото для дискуссий с Мочизуки. [36] [37]
Хотя они не разрешили разногласия, они сделали их более ясными. Шольце и Стикс написали отчет, в котором утверждали и объясняли ошибку в логике доказательства и утверждали, что образовавшийся разрыв был «настолько серьезным, что ... небольшие изменения не спасут стратегию доказательства»; [32]
Мочизуки утверждал, что они неправильно поняли важные аспекты теории и сделали недействительные упрощения. [38] [39] [40]
3 апреля 2020 года два математика из Киотского научно-исследовательского института , где работает Мочизуки, объявили, что его заявленное доказательство будет опубликовано в Publications of the Research Institute for Mathematical Sciences , журнале института. Мочизуки является главным редактором журнала, но отказался от рецензирования статьи. [6] Это объявление было воспринято скептически Кираном Кедлайей и Эдвардом Френкелем , а также было описано журналом Nature как «маловероятное для многих исследователей, перешедших в лагерь Мочизуки». [6] В марте 2021 года доказательство Мочизуки было опубликовано в RIMS. [41]
^ Когда a + b = c , любой общий множитель двух значений обязательно разделяется третьим. Таким образом, взаимная простота a , b , c подразумевает попарную взаимную простоту a , b , c . Поэтому в этом случае неважно, какое понятие мы используем .
Ссылки
^ abc Oesterlé 1988.
^ Массер 1985.
^ Голдфельд 1996.
^ Фесенко, Иван (сентябрь 2015 г.). «Арифметическая теория деформаций через арифметические фундаментальные группы и неархимедовы тета-функции, заметки о работе Шиничи Мочизуки». European Journal of Mathematics . 1 (3): 405–440. doi : 10.1007/s40879-015-0066-0 .
^ ab Ball, Peter (10 сентября 2012 г.). «Доказательство глубокой связи между простыми числами». Nature . doi : 10.1038/nature.2012.11378 . Получено 19 марта 2018 г. .
^ abc Castelvecchi, Davide (9 апреля 2020 г.). «Математическое доказательство, которое потрясло теорию чисел, будет опубликовано». Nature . 580 (7802): 177. Bibcode :2020Natur.580..177C. doi :10.1038/d41586-020-00998-2. PMID 32246118. S2CID 214786566.
^ Грэнвилл, Эндрю; Такер, Томас (2002). «Это так просто, как abc» (PDF) . Уведомления AMS . 49 (10): 1224–1231.
^ Померанс (2008).
^ Грэнвилл и Старк (2000).
^ Гипотеза ABC, Фриц Бойкерс, ABC-DAY, Лейден, Утрехтский университет, 9 сентября 2005 г.
^ Моллин (2009); Моллин (2010, стр. 297)
^ Браукин (2000, стр. 10)
^ Грэнвилл (1998).
^ Пастен, Гектор (2017), «Определимость орбит Фробениуса и результат на рациональных множествах расстояний», Monatshefte für Mathematik , 182 (1): 99–126, doi : 10.1007/s00605-016-0973-2, MR 3592123, S2CID 7805117
^ arXiv :math/0408168 Андреа Суррока, Теорема Зигеля и гипотеза abc, Riv. Mat. Univ. Parma (7) 3, 2004, S. 323–332
^ "Synthese resultaten", RekenMeeMetABC.nl (на голландском), заархивировано из оригинала 22 декабря 2008 г. , извлечено 3 октября 2012 г..
^ "Данные, собранные sofar", ABC@Home , архивировано из оригинала 15 мая 2014 г. , извлечено 30 апреля 2014 г.
^ «100 непобедимых троек». Рекен Ми встретил ABC . 07.11.2010.
^ Бомбьери и Гублер (2006), с. 404.
^ "Теоремы конечности для динамических систем", Люсьен Спиро, доклад на конференции по L-функциям и автоморфным формам (по случаю 60-летия Дориана Голдфельда), Колумбийский университет, май 2007 г. См. Woit, Peter (26 мая 2007 г.), "Доказательство гипотезы abc?", Not Even Wrong.
^ Mochizuki, Shinichi (4 марта 2021 г.). «Inter-universal Teichmüller Theory IV: Log-Volume Computations and Set-Theoretic Foundations». Публикации Научно-исследовательского института математических наук . 57 (1): 627–723. doi :10.4171/PRIMS/57-1-4. S2CID 3135393.
^ Калегари, Фрэнк (17 декабря 2017 г.). «Гипотеза ABC (все еще) не доказана» . Получено 17 марта 2018 г.
^ Ревелл, Тимоти (7 сентября 2017 г.). «Озадачивающее доказательство математики ABC теперь имеет непостижимое 300-страничное «резюме». New Scientist .
^ ab Шольце, Питер ; Стикс, Якоб . «Почему abc все еще является гипотезой» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 8 февраля 2020 г. Получено 23 сентября 2018 г.(обновленная версия их майского отчета, архив 2020-02-08 на Wayback Machine )
↑ Фесенко, Иван (28 сентября 2016 г.). «Фукуген». Вывод . 2 (3) . Проверено 30 октября 2021 г.
^ Конрад, Брайан (15 декабря 2015 г.). «Заметки о семинаре Oxford IUT Брайана Конрада» . Получено 18 марта 2018 г.
^ Кастельвекки, Давиде (8 октября 2015 г.). «Самая большая загадка в математике: Шиничи Мочизуки и непроницаемое доказательство». Nature . 526 (7572): 178–181. Bibcode :2015Natur.526..178C. doi : 10.1038/526178a . PMID 26450038.
^ Кларрайх, Эрика (20 сентября 2018 г.). «Титаны математики сражаются за эпическое доказательство гипотезы ABC». Журнал Quanta .
^ "Обсуждения IUTeich за март 2018 г." . Получено 2 октября 2018 г.Веб-страница Мочизуки, описывающая обсуждения и дающая ссылки на последующие публикации и дополнительные материалы.
^ Мочизуки, Шиничи . «Отчет о дискуссиях, состоявшихся в период с 15 по 20 марта 2018 г. относительно межуниверсумной теории Тейхмюллера» (PDF) . Получено 1 февраля 2019 г. ... дискуссии ... представляют собой первые подробные, ... содержательные дискуссии, касающиеся отрицательных позиций ... IUTch.
^ Mochizuki, Shinichi (июль 2018 г.). «Комментарии к рукописи Шольце-Стикса относительно межуниверсальной теории Тейхмюллера» (PDF) . S2CID 174791744 . Получено 2 октября 2018 г. .
^ Мочизуки, Шиничи . «Комментарии к рукописи (версия 2018-08) Шольце-Стикса относительно межуниверсальной теории Тейхмюллера» (PDF) . Получено 2 октября 2018 г.
^ Мочизуки, Шиничи . «Доказательство Мочизуки гипотезы ABC» . Получено 13 июля 2021 г.
Источники
Бейкер, Алан (1998). «Логарифмические формы и abc -гипотеза». В Дьёри, Кальман (ред.). Теория чисел. Диофантовы, вычислительные и алгебраические аспекты. Труды международной конференции, Эгер, Венгрия, 29 июля – 2 августа 1996 г. Берлин: de Gruyter. стр. 37–44. ISBN 3-11-015364-5. Збл 0973.11047.
Бейкер, Алан (2004). «Опыты по abc-гипотезе». Публикации Mathematicae Дебрецен . 65 (3–4): 253–260. дои : 10.5486/PMD.2004.3348 . S2CID 253834357.
Бомбьери, Энрико (1994). «Теорема Рота и abc-гипотеза» (Препринт). ETH Zürich.[ ненадежный источник? ]
Browkin, Jerzy ; Brzeziński, Juliusz (1994). "Некоторые замечания по поводу abc -гипотезы". Math. Comp . 62 (206): 931–939. Bibcode :1994MaCom..62..931B. doi :10.2307/2153551. JSTOR 2153551.
Browkin, Jerzy (2000). " ABC -гипотеза". В Bambah, RP; Dumir, VC; Hans-Gill, RJ (ред.). Теория чисел . Тенденции в математике. Базель: Birkhäuser. стр. 75–106. ISBN 3-7643-6259-6.
Домбровский, Анджей (1996). «О диофантовом уравнении x !+ A = y2 » . Новый архив Вискунде, IV . 14 : 321–324. Збл 0876.11015.
Elkies, ND (1991). «ABC подразумевает Морделла». International Mathematics Research Notices . 1991 (7): 99–109. doi : 10.1155/S1073792891000144 .
Фрей, Герхард (1997). «О тернарных уравнениях типа Ферма и их связи с эллиптическими кривыми». Модулярные формы и Великая теорема Ферма . Нью-Йорк: Springer. С. 527–548. ISBN 0-387-94609-8.
Голдфельд, Дориан (1996). «За пределами последней теоремы». Math Horizons . 4 (сентябрь): 26–34. doi :10.1080/10724117.1996.11974985. JSTOR 25678079.
Goldfeld, Dorian (2002). «Modular forms, elliptic curves and the abc-conjecture». В Wüstholz, Gisbert (ed.). A panorama in number theory or The view from Baker's garden. Основано на конференции в честь 60-летия Алана Бейкера, Цюрих, Швейцария, 1999. Кембридж: Cambridge University Press . стр. 128–147. ISBN 0-521-80799-9. Збл 1046.11035.
Granville, A. (1998). «ABC позволяет нам подсчитывать квадратные элементы» (PDF) . Международные уведомления по математическим исследованиям . 1998 (19): 991–1009. doi : 10.1155/S1073792898000592 .
Грэнвилл, Эндрю ; Старк, Х. (2000). «ABC не подразумевает «нулей Зигеля» для L-функций символов с отрицательной экспонентой» (PDF) . Inventiones Mathematicae . 139 (3): 509–523. Bibcode :2000InMat.139..509G. doi :10.1007/s002229900036. S2CID 6901166.
Ландо, Сергей К.; Звонкин, Александр К. (2004). "Графы на поверхностях и их приложения". Энциклопедия математических наук: топология нижней размерности II . Т. 141. Springer-Verlag. ISBN 3-540-00203-0.
Ланжевен, М. (1993). «Cas d'égalité pour le theorème de Mason etapplications de la abgrowth abc ». Comptes rendus de l'Académie des Sciences (на французском языке). 317 (5): 441–444.
Masser, DW (1985). «Открытые проблемы». В Chen, WWL (ред.). Труды симпозиума по аналитической теории чисел . Лондон: Имперский колледж.
Mollin, RA (2009). "Заметка о гипотезе ABC" (PDF) . Far East Journal of Mathematical Sciences . 33 (3): 267–275. ISSN 0972-0871. Zbl 1241.11034. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2013-06-14 .
Mollin, Richard A. (2010). Расширенная теория чисел с приложениями . Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1-4200-8328-6. Збл 1200.11002.
van Frankenhuysen, Machiel (2000). «Нижняя граница в гипотезе abc». J. Number Theory . 82 (1): 91–95. doi : 10.1006/jnth.1999.2484 . MR 1755155.
Van Frankenhuijsen, Machiel (2002). «ABC-гипотеза подразумевает неравенство высоты Войты для кривых». J. Number Theory . 95 (2): 289–302. doi : 10.1006/jnth.2001.2769 . MR 1924103.
Вальдшмидт, Мишель (2015). «Лекция о гипотезе abc и некоторых ее следствиях» (PDF) . Математика в 21 веке . Springer Proceedings in Mathematics & Statistics. Том 98. С. 211–230. doi :10.1007/978-3-0348-0859-0_13. ISBN 978-3-0348-0858-3.