- 北营
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美国麻州的克雷(Clay)数学研究所于2000年5月24日在巴黎法兰西学院宣布了一件被媒体炒得火热的大事:对七个“千僖年数学难题”的每一个悬赏一百万美元。以下是这七个难题的简单介绍。
“千僖难题”之一:P(多项式算法)问题对NP(非多项式算法)问题
在一个周六的晚上,你参加了一个盛大的晚会。由于感到局促不安,你想知道这一大厅中是否有你已经认识的人。你的主人向你提议说,你一定认识那位正在甜点盘附近角落的女士罗丝。不费一秒钟,你就能向那里扫视,并且发现你的主人是正确的。然而,如果没有这样的暗示,你就必须环顾整个大厅,一个个地审视每一个人,看是否有你认识的人。生成问题的一个解通常比验证一个给定的解时间花费要多得多。这是这种一般现象的一个例子。与此类似的是,如果某人告诉你,数13,717,421可以写成两个较小的数的乘积,你可能不知道是否应该相信他,但是如果他告诉你它可以因子分解为3607乘上3803,那么你就可以用一个袖珍计算器容易验证这是对的。不管我们编写程序是否灵巧,判定一个答案是可以很快利用内部知识来验证,还是没有这样的提示而需要花费大量时间来求解,被看作逻辑和计算机科学中最突出的问题之一。它是斯蒂文·考克(StephenCook)于1971年陈述的。
“千僖难题”之二: 霍奇(Hodge)猜想
二十世纪的数学家们发现了研究复杂对象的形状的强有力的办法。基本想法是问在怎样的程度上,我们可以把给定对象的形状通过把维数不断增加的简单几何营造块粘合在一起来形成。这种技巧是变得如此有用,使得它可以用许多不同的方式来推广;最终导至一些强有力的工具,使数学家在对他们研究中所遇到的形形色色的对象进行分类时取得巨大的进展。不幸的是,在这一推广中,程序的几何出发点变得模糊起来。在某种意义下,必须加上某些没有任何几何解释的部件。霍奇猜想断言,对于所谓射影代数簇这种特别完美的空间类型来说,称作霍奇闭链的部件实际上是称作代数闭链的几何部件的(有理线性)组合。
“千僖难题”之三: 庞加莱(Poincare)猜想
如果我们伸缩围绕一个苹果表面的橡皮带,那么我们可以既不扯断它,也不让它离开表面,使它慢慢移动收缩为一个点。另一方面,如果我们想象同样的橡皮带以适当的方向被伸缩在一个轮胎面上,那么不扯断橡皮带或者轮胎面,是没有办法把它收缩到一点的。我们说,苹果表面是“单连通的”,而轮胎面不是。大约在一百年以前,庞加莱已经知道,二维球面本质上可由单连通性来刻画,他提出三维球面(四维空间中与原点有单位距离的点的全体)的对应问题。这个问题立即变得无比困难,从那时起,数学家们就在为此奋斗。
“千僖难题”之四: 黎曼(Riemann)假设
有些数具有不能表示为两个更小的数的乘积的特殊性质,例如,2,3,5,7,等等。这样的数称为素数;它们在纯数学及其应用中都起着重要作用。在所有自然数中,这种素数的分布并不遵循任何有规则的模式;然而,德国数学家黎曼(1826~1866)观察到,素数的频率紧密相关于一个精心构造的所谓黎曼蔡塔函数z(s$的性态。著名的黎曼假设断言,方程z(s)=0的所有有意义的解都在一条直线上。这点已经对于开始的1,500,000,000个解验证过。证明它对于每一个有意义的解都成立将为围绕素数分布的许多奥秘带来光明。
“千僖难题”之五: 杨-米尔斯(Yang-Mills)存在性和质量缺口
量子物理的定律是以经典力学的牛顿定律对宏观世界的方式对基本粒子世界成立的。大约半个世纪以前,杨振宁和米尔斯发现,量子物理揭示了在基本粒子物理与几何对象的数学之间的令人注目的关系。基于杨-米尔斯方程的预言已经在如下的全世界范围内的实验室中所履行的高能实验中得到证实:布罗克哈文、斯坦福、欧洲粒子物理研究所和筑波。尽管如此,他们的既描述重粒子、又在数学上严格的方程没有已知的解。特别是,被大多数物理学家所确认、并且在他们的对于“夸克”的不可见性的解释中应用的“质量缺口”假设,从来没有得到一个数学上令人满意的证实。在这一问题上的进展需要在物理上和数学上两方面引进根本上的新观念。
“千僖难题”之六: 纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程的存在性与光滑性
起伏的波浪跟随着我们的正在湖中蜿蜒穿梭的小船,湍急的气流跟随着我们的现代喷气式飞机的飞行。数学家和物理学家深信,无论是微风还是湍流,都可以通过理解纳维叶-斯托克斯方程的解,来对它们进行解释和预言。虽然这些方程是19世纪写下的,我们对它们的理解仍然极少。挑战在于对数学理论作出实质性的进展,使我们能解开隐藏在纳维叶-斯托克斯方程中的奥秘。
“千僖难题”之七: 贝赫(Birch)和斯维讷通-戴尔(Swinnerton-Dyer)猜想
数学家总是被诸如x^2+y^2=z^2那样的代数方程的所有整数解的刻画问题着迷。欧几里德曾经对这一方程给出完全的解答,但是对于更为复杂的方程,这就变得极为困难。事实上,正如马蒂雅谢维奇(Yu.V.Matiyasevich)指出,希尔伯特第十问题是不可解的,即,不存在一般的方法来确定这样的方法是否有一个整数解。当解是一个阿贝尔簇的点时,贝赫和斯维讷通-戴尔猜想认为,有理点的群的大小与一个有关的蔡塔函数z(s)在点s=1附近的性态。特别是,这个有趣的猜想认为,如果z(1)等于0,那么存在无限多个有理点(解),相反,如果z(1)不等于0,那么只存在有限多个这样的点。
- 真颛
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希尔伯特的23个问题
1900年希尔伯特应邀参加巴黎国际数学家大会并在会上作了题为《数学问题》重要演讲。在这具有历史意义的演讲中,首先他提出许多重要的思想:
正如人类的每一项事业都追求着确定的目标一样,数学研究也需要自己的问题。正是通过这些问题的解决,研究者锻炼其钢铁意志,发现新观点,达到更为广阔的自由的境界。
希尔伯特特别强调重大问题在数学发展中的作用,他指出:“如果我们想对最近的将来数学知识可能的发展有一个概念,那就必须回顾一下当今科学提出的,希望在将来能够解决的问题。” 同时又指出:“某类问题对于一般数学进程的深远意义以及它们在研究者个人的工作中所起的重要作用是不可否认的。只要一门科学分支能提出大量的问题,它就充满生命力,而问题缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”
他阐述了重大问题所具有的特点,好的问题应具有以下三个特征:
1 清晰性和易懂性;
2 虽困难但又给人以希望;
3 意义深远。
同时他分析了研究数学问题时常会遇到的困难及克服困难的一些方法。就是在这次会议上他提出了在新世纪里数学家应努力去解决的23个问题,即著名的“希尔伯特23个问题”。
编号 问题 推动发展的领域 解决的情况
1 连续统假设 公理化集合论 1963年,Paul J.Cohen 在下述意义下证明了第一个问题是不可解的。即连续统假设的真伪不可能在Zermelo_Fraenkel公理系统内判定。
2 算术公理的相容性 数学基础 希尔伯特证明算术公理的相容性的设想,后来发展为系统的Hilbert计划(“元数学”或“证明论”)但1931年歌德尔的“不完备定理”指出了用“元数学”证明算术公理的相容性之不可能。数学的相容性问题至今未解决。
3 两等高等底的四面体体积之相等 几何基础 这问题很快(1900)即由希尔伯特的学生M.Dehn给出了肯定的解答。
4 直线作为两点间最短距离问题 几何基础 这一问题提得过于一般。希尔伯特之后,许多数学家致力于构造和探索各种特殊的度量几何,在研究第四问题上取得很大进展,但问题并未完全解决。
5 不要定义群的函数的可微性假设的李群概念 拓扑群论 经过漫长的努力,这个问题于1952年由Gleason, Montqomery , Zipping等人最后解决,答案是肯定的。
6 物理公理的数学处理 数学物理 在量子力学、热力学等领域,公理化方法已获得很大成功,但一般地说,公理化的物理意味着什么,仍是需要探讨的问题。概率论的公理化已由A.H.Konmoropob等人建立。
7 某些数的无理性与超越性 超越数论 1934年A.O.temohm 和Schneieder各自独立地解决了这问题的后半部分。
8 素数问题 数论 一般情况下的Riemann猜想至今仍是猜想。包括在第八问题中的Goldbach问题至今也未解决。中国数学家在这方面做了一系列出色的工作。
9 任意数域中最一般的互反律之证明 类域论 已由高木贞治(1921)和E.Artin(1927)解决.
10 Diophantius方程可解性的判别 不定分析 1970年由苏、美数学家证明Hilbert所期望的一般算法是不存在的。
11 系数为任意代数数的二次型 二次型理论 H.Hasse(1929)和C. L.Siegel(1936,1951)在这问题上获得了重要的结果。
12 Abel域上 kroneker定理推广到任意代数有理域。 复乘法理论 尚未解决。
13 不可能用只有两个变数的函数解一般的七次方程。 方程论与实函数论 连续函数情形于1957年由苏数学家否定解决,如要求是解析函数,则问题仍未解决。
14 证明某类完全函数系的有限性 代数不变式理论 1958年永田雅宜给出了否定解决。
15 Schubert记数演算的严格基础 代数几何学 由于许多数学家的努力,Schubert演算的基础的纯代数处理已有可能,但Schubert演算的合理性仍待解决。至于代数几何的基础,已由B.L.Vander Waerden(1938-40)与 A.Weil(1950)建立。
16 代数曲线与曲面的拓扑 曲线与曲面的拓扑学、常微分方程的定性理论 问题的前半部分,近年来不断有重要结果。
17 正定形式的平方表示式 域(实域)论 已由Artin 于1926年解决。
18 由全等多面体构造空间 结晶体群理论 部分解决。
19 正则变分问题的解是否一定解析 椭圆型偏微分方程理论 这个问题在某种意义上已获解决。
20 一般边值问题 椭圆型偏微分方程理论 偏微分方程边值问题的研究正在蓬勃发展。
21 具有给定单值群的线性偏微分方程的存在性 线性常微分方程大范围理论 已由Hilbert本人(1905)年和 H.Rohrl(德,1957)解决。
22 解析关系的单值化 Riemann 曲面体 一个变数的情形已由 P.Koebe (德,1907)解决。
23 变分法的进一步发展 变分法 Hilbert本人和许多数学家对变分法的发展作出了重要的贡献。
- ardim
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发育生物学五大未解难题
1 分化难题:开始为单细胞的受精卵经不断分裂可以产生上百种(人至少有250种)诸如:肌肉细胞、表皮细胞、神经细胞、淋巴细胞、血细胞和脂肪细胞等不同类型的细胞。由于体内每一个细胞都含有相同的基因组,因此必须了解相同的基因组怎样产生不同类型的细胞。
2 形态发生难题:分化的各种类型的细胞并不随机分布,而是构成复杂的组织和器官,器官又按照一定的方式排列。如手指长在手的顶端,而不是长在手中间;眼睛长在脸上,而不是长在肚皮上,细胞是如何组建自己又如何形成恰当的排序也是长期困惑发育生物学家的难题。
3 生长难题:如果某人脸上的细胞多分裂一次,他的脸肯定会严重变形;如果我们手臂上的每一个细胞多分裂一次,我们在系鞋带时就不用弯腰,生物体内的细胞知道它何时该长,何时该停。
4 生殖难题:精子和卵子都是非常特化的细胞,只有它们才能将创造生命的指令代代相传。而这些生殖细胞时如何发出指令形成下一代呢?在细胞核和细胞质中允许它们完成这一使命的指令又是什么呢?
5 进化难题:进化涉及发育中的遗传变化。当我们说今天的一趾马有一个五趾的祖先,我们是说这匹马的祖先在多代的胚胎发育过程中其软骨和肌肉发生了变化。在发育中的变化怎样创造新体型呢?哪些变化能够起到进化的作用?这是发育生物学家最近重新强调的进化难题。
- 余辉
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数理化未解之谜
是隶首创造了数字吗
--数字起源之谜(159)
神秘的天文数字
--大数之谜(159)
自然数的奥秘
--素数之谜(161)
神秘的"陷阱"
--数学黑洞之谜(162)
几道数学难题
--"不足数"、"富裕数"和"完全数"之谜(163)
神秘的0.618
--"黄金分割"之谜(163)
这是奇妙的巧合吗
--金字塔里的数学之谜(164)
等了几个世纪的数学猜想
--费马大定理之谜(165)
数学王国的皇冠
--哥德巴赫"猜想"之谜(166)
奇妙的数字题
--菲波纳斯数列之谜(167)
一个有趣的数学现象
--"富顿猜想"之谜(168)
为什么最终得数总是"1"
--"角谷猜想"之谜(168)
它们是物质世界最基本的物质吗
--基本粒子之谜(169)
还会发现新的家族吗
--物质多种状态之谜(170)
牛顿留下的遗憾
--万有引力之谜(172)
万有引力是谁传递的
--引力子之谜(174)
世界上有比光跑得更快的东西吗
--光速之谜(175)
一个未解的物理学难题
--摩擦之谜(176)
神奇的力量哪里来
--地磁场的形成之谜(178)
从动物的"回归本领"说起
--地磁场与生物的关系之谜(180)
神秘的移动
--地磁场的变化之谜(182)
蓝色天空哪里来
--地球大气层的形成之谜(183)
天边大洞何处来
--南极臭氧洞之谜(185)
谁持彩练当空舞
--极光之谜(186)
恐怖的闪光哪里来
--地光之谜(188)
雷鸣电闪的奥秘
--闪电形成之谜(189)
神秘的火球
--球形闪电之谜(191)
有记性的神奇金属
--形状记忆合金之谜(193)
怎样才能驯服"天火"
--控制热核反应之谜(194)
坦克、火炮的"护身符"
--变色伪装材料之谜(196)
寻找另一个物质世界
--反物质之谜(198)
鼓舞人心的物理发现
--超导现象之谜(200)
世界万物哪里来
--元素的起源之谜(201)
还会有新的发现吗
--元素世界里的未解之谜(203)
生命之源哪里来
--水的起源之谜(206)
能把氢变成金属吗
--金属氢之谜(208)
航天飞机的"火龙衣"
--玻璃陶瓷结构之谜(209)
千年古剑为什么不会生锈
--我国的古代冶金技术之谜(210)
水果为什么自己会变色
--氧化酶之谜(211)
比铝还轻的国防金属
--镁元素之谜(212)
从拿破仑的豪华帅盔说起
--铝元素之谜(213)
从一封老师的回信谈起
--钒元素之谜(216)
铜有毒吗
--铜元素与生物的关系之谜(217)
它们是恒星爆炸的产物吗
--锂和铍的起源之谜(218)
揭开毒魔的真面目
--鸦片使人上瘾之谜(221)
神奇的笑气
--一氧化二氮之谜(222)
精神病人的福音
--锂盐的药理作用之谜(222)
"月亮"里的奥秘
--硒元素之谜(223)
止血的好助手
--维生素K之谜(224)
从农奴得夜盲症说起
--维生素A能增进视力之谜(225)
维持生命的神秘要素
--维生素里的未解之谜(226)
从恶狗向人扑来说起
--胸腺激素之谜(228)
神奇的"生命钥匙"
--酶的催化作用之谜(229)
沉默的水下杀手
--无声鱼雷的化学燃料之谜(231)
植物的"秘密化学武器"
--植物受害激素之谜(233)
大脑里的奥秘
--记忆的化学物质之谜(233)
- 黑桃花
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哥德巴赫猜想
哥德巴赫猜想 :(Goldbach Conjecture)
是不是所有的大于2的偶数,都可以表示为两个素数的呢?
这个问题是德国数学家哥德巴赫(C.Goldbach,1690-1764)于1742年6月7日在给大数学家欧拉的信中提出的,所以被称作哥德巴赫猜想。同年6月30日,欧拉在回信中认为这个猜想可能是真的,但他无法证明。从此,这道数学难题引起了几乎所有数学家的注意。哥德巴赫猜想由此成为数学皇冠上一颗可望不可及的“明珠”。“用当代语言来叙述,哥德巴赫猜想有两个内容,第一部分叫做奇数的猜想,第二部分叫做偶数的猜想。奇数的猜想指出,任何一个大于等于7的奇数都是三个素数的和。偶数的猜想是说,大于等于4的偶数一定是两个素数的和。”(引自《哥德巴赫猜想与潘承洞》)
哥德巴赫猜想貌似简单,要证明它却着实不易,成为数学中一个著名的难题。18、19世纪,所有的数论专家对这个猜想的证明都没有作出实质性的推进,直到20世纪才有所突破。直接证明哥德巴赫猜想不行,人们采取了“迂回战术”,就是先考虑把偶数表为两数之和,而每一个数又是若干素数之积。如果把命题"每一个大偶数可以表示成为一个素因子个数不超过a个的数与另一个素因子不超过b个的数之和"记作"a+b",那么哥氏猜想就是要证明"1+1"成立。
1900年,20世纪最伟大的数学家希尔伯特,在国际数学会议上把“哥德巴赫猜想”列为23个数学难题之一。此后,20世纪的数学家们在世界范围内“联手”进攻“哥德巴赫猜想”堡垒,终于取得了辉煌的成果。
到了20世纪20年代,有人开始向它靠近。1920年,挪威数学家布爵用一种古老的筛选法证明,得出了一个结论:每一个比6大的偶数都可以表示为(9+9)。这种缩小包围圈的办法很管用,科学家们于是从(9十9)开始,逐步减少每个数里所含质数因子的个数,直到最后使每个数里都是一个质数为止,这样就证明了“哥德巴赫猜想”。
1920年,挪威的布朗(Brun)证明了 “9+9 ”。
1924年,德国的拉特马赫(Rademacher)证明了“7+7 ”。
1932年,英国的埃斯特曼(Estermann)证明了 “6+6 ”。
1937年,意大利的蕾西(Ricei)先后证明了“5+7 ”, “4+9 ”, “3+15 ”和“2+366 ”。
1938年,苏联的布赫 夕太勃(Byxwrao)证明了“5+5 ”。
1940年,苏联的布赫 夕太勃(Byxwrao)证明了 “4+4 ”。
1948年,匈牙利的瑞尼(Renyi)证明了“1+c ”,其中c是一很大的自然数。
1956年,中国的王元证明了 “3+4 ”。
1957年,中国的王元先后证明了 “3+3 ”和 “2+3 ”。
1962年,中国的潘承洞和苏联的巴尔巴恩(BapoaH)证明了 “1+5 ”, 中国的王元证明了“1+4 ”。
1965年,苏联的布赫 夕太勃(Byxwrao)和小维诺格拉多夫(BHHopappB),及 意大利的朋比利(Bombieri)证明了“1+3 ”。
1966年,中国的陈景润证明了 “1+2 ”[用通俗的话说,就是大偶数=素数+素数*素数或大偶数=素数+素数(注:组成大偶数的素数不可能是偶素数,只能是奇素数。因为在素数中只有一个偶素数,那就是2。)]。
其中“s + t ”问题是指: s个质数的乘积 与t个质数的乘积之和
20世纪的数学家们研究哥德巴赫猜想所采用的主要方法,是筛法、圆法、密率法和三角和法等等高深的数学方法。解决这个猜想的思路,就像“缩小包围圈”一样,逐步逼近最后的结果。
由于陈景润的贡献,人类距离哥德巴赫猜想的最后结果“1+1”仅有一步之遥了。但为了实现这最后的一步,也许还要历经一个漫长的探索过程。有许多数学家认为,要想证明“1+1”,必须通过创造新的数学方法,以往的路很可能都是走不通的。
- 苏州马小云
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数学大师费马的失误
我们都知道17世纪的法国数学大师费马提出过费马大定理,也叫费马猜想:当n为大于2的正整数时,方程Xn+Yn=Zn没有整数解。1995年,美国普林斯顿大学的安德鲁·怀尔斯教授经过8年的孤军奋战,用130页长的篇幅证 明了费马大定理。费马大定理为费马赢得了巨大的名声,但是,费马还提出了另一个鲜为人知的猜想:费马数猜想。这个猜想却很有可能成为费马这位数学大师的一次大失误。1640年,费马发现当n取0、1、2、3、4时,22 +1的值分别为3、5、17、257、65537,这五个数都是素数,也称质数。由此,费马提出一个猜想:当n为正整数,形如22 +1的数一定为素数。费马所研究的22 +1这种具有美妙形式的数,后人称之为费马数,这个猜想被称为费马数猜想。
费马:业余数学家之王
费马,1601年8月出生在法国一个皮革商人家中,逝世于1665年1月。费马最初的职业是律师,后来以图卢兹议会议员的身份终其一生。他的一生过得极其平凡,没有任何传奇经历。然而,这个度过平静一生,性情淡泊的人,却谱写出了数学史上最美妙的故事之一。
费马在年近三十时开始认真研究数学,并且只是利用业余的时间从事这种研究。然而,这并不妨碍他在数学上取得累累硕果。他在几何学、概率论、微积分和数论等众多数学领域都留下了自己的足迹。
费马和笛卡儿同时或较早地得到了解析几何的要旨,因而与笛卡尔分享了创立解析几何的荣誉;他与帕斯卡在一段有趣的通信中一起奠定了古典概率论的基础,因而与帕斯卡被公认为概率论的创始人;他提出光学的“费马原理”,给后来变分法的研究以极大的启示;他是创建微积分学的杰出先驱者。
任何人,即便只是完成了上述工作中的某一项,就足以使自己在数学史上留下不朽的名声,更不用说能同时拥有这众多的成果了。然而,费马的成就尚不止于此,他将更多的业余时间与精力奉献给了自己最喜爱的数论。在这方面的研究中,他显示出自己过人的才华,完成了自己最伟大的工作。可以说,近代数论是从费马真正开始的,他是数论发展史上一个承前启后的人物。他提出了为数可观的数论定理,奠定了近代数论的基础,因而他被当之无愧地被称为“近代数论之父”。事实上,在高斯名著《算术研究》出版之前,数论的发展始终是跟费马的推动联系在一起的。如数学史家E.T.贝尔所评价的:费马是一个第一流的数学家,一个无可指责的诚实的人,一个历史上无与伦比的算术学家.