数论就是指研究整数性质的一门理论。整数的基本元素是素数,所以数论的本质是对素数性质的研
究。2000年前,欧几里得证明了有无穷个素数。既然有无穷个,就一定有一个表示所有素数的素数通项公式,或者叫
素数普遍公式。它是和
平面几何学同样历史悠久的学科。高斯誉之为“数学中的皇冠” 按照研究方法的难易程度来看,数论大致上可以分为
初等数论(古典数论)和高等数论(近代数论)。
初等数论主要包括
整除理论、
同余理论、
连分数理论。它的研究方法本质上说,就是利用整数环的整除性质。
初等数论也可以理解为用
初等数学方法研究的数论。
其中最高的成就包括高斯的“
二次互反律”等。
高等数论则包括了更为深刻的数学研究工具。它大致包括
代数数论、
解析数论、算术代数几何等等。
初等数论
同上所述,
初等数论主要就是研究整数环的整除理论及同余理论。此外它也包括了连分数理论和少许
不定方程的问题。 本质上说,初等数论的研究手段局限在整除性质上。
初等数论中经典的结论包括
算术基本定理、
欧几里得的
质数无限证明、中国剩余定理、
欧拉定理(其特例是
费马小定理)、
高斯的二次互逆律 ,
勾股方程的
商高定理、
佩尔方程的连分数求解法等等。
《数论》英文版
解析数论
借助微积分及
复分析 (即
复变函数)来研究关于整数的问题,主要又可以分为乘性数论与加性数论两类。乘性数论藉由研究积性生成函数的性质来探讨质数分布的问题,其中质数定理与
狄利克雷定理为这个领域中最著名的古典成果。加性数论则是研究整数的加法分解之可能性与表示的问题,
华林问题是该领域最著名的课题。
解析数论的创立当归功于
黎曼。 他发现了黎曼zeta函数之解析性质与数论中的
素数分布问题存在深刻联系。确切的说, 黎曼ζ函数的非平凡
零点的分布情况决定了
素数的很多性质。黎曼猜测, 那些零点都落在
复平面上实部为1/2的直线上。这就是著名的黎曼假设--被誉为千禧年七大世界数学难题之一。值得注意的是,
欧拉实际上在处理素数无限问题时也用到了解析方法。
解析数论方法除了圆法、筛法等等之外, 也包括和
椭圆曲线相关的模形式理论等等。此后又发展到自守形式理论,从而和
表示论联系起来。
代数数论
代数数论,将整数环的数论性质研究扩展到了更一般的整环上,特别是代数数域。一个主要课题就是关于代数整数的研究,目标是为了更一般地解决不定方程
求解的问题。 其中一个主要的历史动力来自于寻找
费马大定理的证明。
代数数论更倾向于从代数结构角度去研究各类
整环的性质, 比如在给定整环上是否存在算术基本定理等等。
这个领域与
代数几何之间的关联尤其紧密, 它实际上也构成了
交换代数理论的一部分。 它也包括了其他深刻内容,比如表示论、p-adic理论等等。
《代数数论》英文版
几何数论 数的几何
主要在于通过几何观点研究整数(在此即
格点, 也称
整点)的分布情形。最著名的定理为Minkowski 定理。 这门理论也是有闵科夫斯基所创。 对于研究
二次型理论有着重要作用。
计算数论
借助电脑的
算法帮助数论的问题,例如素数测试和因数分解等和
密码学息息相关的话题。
超越数论
研究数的超越性,其中对于
欧拉常数与特定的 Zeta 函数值之研究尤其令人感到兴趣。此外它也探讨了数的
丢番图逼近理论。
组合数论
利用组合和机率的技巧,非构造性地证明某些无法用初等方式处理的复杂结论。这是由艾狄胥开创的思路。比如兰伯特猜想的简化证明。
算术代数几何
这是数论发展到目前为止最深刻最前沿的领域, 可谓集大成者。
它从代数几何的观点出发,通过深刻的数学工具去研究数论的性质。比如外尔斯证明
费马猜想就是这方面的经典实例。 整个证明几乎用到了当时所有最深刻的理论工具。
当代数论的一个重要的研究指导纲领,就是著名的郎兰兹纲领。
《计算数论》
其他的研究方法
除了上述传统方法之外,也有其他一些研究数论之法, 但是没有完全得到
数学家的认可。 比如有物理学家,通过
量子力学方法声称证明了
黎曼假设。
古代时期
公元前300年,古希腊数学家欧几里得就发现了数论的本质是素数,他自己证明了有无穷多个素数,公元前250年古希腊数学家埃拉托塞尼发明了一种筛法。
公元前300年,古希腊数学家欧几里得就发现了数论的本质是素数,他自己证明了有无穷多个素数,公元前250年古希腊数学家埃拉托塞尼发明了一种筛法:
(一)“要得到不大于某个自然数N的所有素数,只要在2---N中将不大于√N的素数的倍数全部划去即可”。 (二)後来人们将上面的内容等价转换:“如果N是合数,则它有一个因子d满足1<d≤√N”。(《基础数论》13页,U杜德利著,上海科技出版社)。.
(三)再将(二)的内容等价转换:“若
自然数N不能被不大于(根号)√N的任何素数整除,则N是一个素数”。见(代数学辞典[上海教育出版社]1985年。屉部贞世朗编。259页)。
(四)上面这句话的汉字可以等价转换成为用英文字母表达的公式:
N=
p1
m1+
a1=
p2
m2+
a2=......=
pk
mk+
ak
。
(1)
其中
p1,
p2,.....,
pk表示顺序素数2,3,5,,,,,。a≠0。即
N不能是2m+0,3m+0,5m+0,...,
pkm+0形。若
N<
P(k+1)的平方
[注:后面的1,2,3,....,k,(k+1)是脚标,由于打印不出来,凡字母后面的数字或者i与k都是脚标] ,则
N是一个素数。
(五)可以把(
1)等价转换成为用同余式组表示:
N≡a1(modp1), N≡a2(modp2),.....,N≡ak(modpk)。
(2)
例如,29,29不能够被根号29以下的任何素数2,3,5整除,29=2x14+1=3x9+2=5x5+4。
29≡1(mod2),29≡2(mod3), 29≡4(mod5)。29小于7的平方49,所以29是一个素数。
以后平方用“*”表示,即:㎡=m*。
由于(2)的模p1,p2,....,pk 两两互素,根据
孙子定理(中国剩余定理)知,(2)在p1p2.....pk范围内有唯一解。
例如k=1时,N=2m+1,解得N=3,5,7。求得了(3,3*)区间的全部素数。
k=2时,N=2m+1=3m+1,解得N=7,13,19;
N=2m+1=3m+2,解得N=5,11,17,23。求得了(5,5*)区间的全部素数。
k=3时,
---------------------| 5m+1-|- 5m+2-| 5m+3,| 5m+4.|
---------------------|---------|----------|--------|---------|
n=2m+1=3m+1= |--31----|--7, 37-|-13,43|--19----|
n=2m+1=3m+2= |-11,41-|-17,47-|--23---|---29---|
------------------------------------------------------------
求得了(7,7*)区间的全部素数。仿此下去可以求得任意大的数以内的全部素数。上图是文章出处。
自古以来,数学家对于整数性质的研究一直十分重视,但是直到十九世纪,这些研究成果还只是孤立地记载在各个时期的算术著作中,也就是说还没有形成完整统一的学科。
古希腊数学家——欧几里得
自我国古代,许多著名的数学著作中都关于数论内容的论述,比如求
最大公因数、
勾股数组、某些不定方程整数解的问题等等。在国外,古希腊时代的数学家对于数论中一个最基本的问题——整除性问题就有系统的研究,关于质数、
合数、
约数、
倍数等一系列概念也已经被提出来应用了。后来的各个时代的数学家也都对整数性质的研究做出过重大的贡献,使数论的基本理论逐步得到完善。
在整数性质的研究中,人们发现质数是构成正整数的基本“材料”,要深入研究整数的性质就必须研究质数的性质。因此关于质数性质的有关问题,一直受到数学家的关注。可以认为,
质数是整个数论的研究基石。
到了十八世纪末,历
代数学家积累的关于整数性质零散的知识已经十分丰富了,但是仍然没有找到素数产生的模式。德国数学家高斯集中前人的大成,写了一本书叫做《
算术研究》,1800年寄给了法国科学院,但是法国科学院拒绝了高斯的这部杰作,高斯只好在1801年自己发表了这部著作。这部书开始了现代数论的新纪元。
在《算术研究》中,高斯把过去研究整数性质所用的符号标准化了,把当时现存的定理系统化并进行了推广,把要研究的问题和已知的方法进行了分类,还引进了新的方法。
高斯在这一著作中主要提出了同余理论, 并发现了著名的二次互反律, 被其誉之为“数论之酵母”。
黎曼在研究ζ函数时,发现了复变函数的解析性质和素数分布之间的深刻联系,
由此将数论领进了分析的领域。这方面主要的代表人物还有英国著名数论学家
哈代
、李特伍德、
拉马努金等等。在国内,则有
华罗庚、
陈景润、
王元等等。
另一方面, 由于此前人们一直关注费马大定理的证明, 所以又发展出了代数数论的研究课题。
比如库莫提出了理想数的概念--可惜他当时忽略了代数扩环的唯一分解定理不一定成立)。高斯研究了复整数环的理论--即
高斯整数。他在3次情形的费马猜想中也用了扩环的代数数论性质。
代数数论发展的一个里程碑,则是
希尔伯特的《数论报告》。
随着数学工具的不断深化, 数论开始和代数几何深刻联系起来,
最终发展称为当今最深刻的数学理论,诸如算术代数几何, 它们将许多此前的研究方法和研究观点最终统一起来, 从更加高的观点出发,进行研究和探讨。
由于近代计算机科学和
应用数学的发展,数论得到了广泛的应用。比如在计算方法、代数编码、组合论等方面都广泛使用了初等数论范围内的许多研究成果;又文献报道,现在有些国家应用“孙子定理”来进行测距,用原根和指数来计算离散
傅立叶变换等。此外,数论的许多比较深刻的研究成果也在近似分析、差集合、快速变换等方面得到了应用。特别是现在由于计算机的发展,用离散量的计算去逼近连续量而达到所要求的精度已成为可能。
素数与圆周率关系
∑1/k2=∏(1/p2)-1=∏2/6
欧拉给出了圆周率与素数的关系,k=1,2,3,,,。
p=素数,并且遍历所有素数。
∏2/6分子表示圆周率的平方。
平方改成复数就是黎曼猜想了。真是神奇。
整除数的特征:
1.末位数是偶数能被2整除;末位数是0或5能被5整除。末两位是4或25的倍数的数,能被4或25整除。末三位是8或125的倍数的数,能被8或125整除。
2.各个数位数字之和是3或9的倍数的数,能被3或9整除。
3.奇数位各个数字之和与偶数位的各个之和的差位11的倍数,,则这个数能被11整除。
4.一个多位数把他的末三位和其他位数分成两部分,则两部分的茶是7,11,13的倍数,则这个是能被7,11,13整除。 人类从学会计数开始就一直和自然数打交道了,后来由于实践的需要,数的概念进一步扩充,自然数被叫做
正整数,而把它们的相反数叫做
负整数,介于正整数和负整数中间的中性数叫做
0。它们合起来叫做
整数。(注:现在,自然数的概念有了改变,包括正整数和0)
对于整数可以施行加、减、乘、除四种运算,叫做
四则运算。又叫算术,它与
几何学是最古老的两门数学分支。传统的几何学已经枯萎,而传统的数论(即算术)还有大量的问题无法解决。其中加法、减法和乘法这三种运算,在整数范围内可以毫无阻碍地进行。也就是说,任意两个或两个以上的整数相加、相减、相乘的时候,它们的和、差、积仍然是一个整数。但整数之间的除法在整数范围内并不一定能够无阻碍地进行,利用这一性质人们发明了大数密码体系。至今仍然关系着国家的安全。
人们在对整数进行运算的应用和研究中,逐步熟悉了整数的特性。比如,整数浅薄地划分可分为两大类—奇数和偶数(通常被称为单数、双数);深刻地划分可以分为素数,合数,“1”等。两千多年来,数论学有一个重要的任务,就是寻找素数性质及分布规律,为此,花费了巨大的心血。
利用素数的一些基本性质,可以进一步探索许多有趣和复杂的数学规律,正是这些特性的魅力,吸引了古往今来许多的数学家不断地研究和探索。
数论这门学科最初是从研究整数开始的,所以叫做整数论。后来整数论又进一步发展,就叫做数论了。确切的说,数论就是一门研究整数性质的学科。
数论是研究整数性质的一个数学分支,它历史悠久,而且有着强大的生命力。数论问题叙述简明,“很多数论问题可以从经验中归纳出来,并且仅用三言两语就能向一个行外人解释清楚,但要证明它却远非易事”。因而有人说:“用以发现天才,在初等数学中再也没有比数论更好的课程了。任何学生,如能把当今任何一本数论教材中的习题做出,就应当受到鼓励,并劝他将来从事数学方面的工作。”所以在国内外各级各类的
数学竞赛中,数论问题总是占有相当大的比重。
自古以来,数学家对于整数性质的研究一直十分重视,但是直到十九世纪,这些研究成果还只是孤立地记载在各个时期的算术著作中,也就是说还没有形成完整统一的学科。
古希腊数学家——欧几里得
自我国古代,许多著名的数学著作中都关于数论内容的论述,比如求最大公因数、勾股数组、某些不定方程整数解的问题等等。在国外,古希腊时代的数学家对于数论中一个最基本的问题——整除性问题就有系统的研究,关于质数、合数、约数、倍数等一系列概念也已经被提出来应用了。后来的各个时代的数学家也都对整数性质的研究做出过重大的贡献,使数论的基本理论逐步得到完善。
在整数性质的研究中,人们发现质数是构成正整数的基本“材料”,要深入研究整数的性质就必须研究质数的性质。因此关于质数性质的有关问题,一直受到数学家的关注。可以认为,
质数是整个数论的研究基石。
十八世纪末时期
到了十八世纪末,历代数学家积累的关于整数性质零散的知识已经十分丰富了,但是仍然没有找到素数产生的模式。德国数学家高斯集中前人的大成,写了一本书叫做《算术研究》,1800年寄给了法国科学院,但是法国科学院拒绝了高斯的这部杰作,高斯只好在1801年自己发表了这部著作。这部书开始了现代数论的新纪元。
在《算术研究》中,高斯把过去研究整数性质所用的符号标准化了,把当时现存的定理系统化并进行了推广,把要研究的问题和已知的方法进行了分类,还引进了新的方法。
高斯在这一著作中主要提出了同余理论, 并发现了著名的二次互反律, 被其誉之为“数论之酵母”。
黎曼在研究ζ函数时,发现了复变函数的解析性质和素数分布之间的深刻联系,
由此将数论领进了分析的领域。这方面主要的代表人物还有英国著名数论学家哈代 、李特伍德、拉马努金等等。在国内,则有华罗庚、陈景润、王元等等。
另一方面, 由于此前人们一直关注费马大定理的证明, 所以又发展出了代数数论的研究课题。
比如库莫提出了理想数的概念--可惜他当时忽略了代数扩环的唯一分解定理不一定成立)。高斯研究了复整数环的理论--即高斯整数。他在3次情形的费马猜想中也用了扩环的代数数论性质。
代数数论发展的一个里程碑,则是希尔伯特的《数论报告》。
随着数学工具的不断深化, 数论开始和代数几何深刻联系起来,
最终发展称为当今最深刻的数学理论,诸如算术代数几何, 它们将许多此前的研究方法和研究观点最终统一起来, 从更加高的观点出发,进行研究和探讨。
现代
由于近代计算机科学和应用数学的发展,数论得到了广泛的应用。比如在计算方法、代数编码、组合论等方面都广泛使用了初等数论范围内的许多研究成果;又文献报道,现在有些国家应用“孙子定理”来进行测距,用原根和指数来计算离散傅立叶变换等。此外,数论的许多比较深刻的研究成果也在近似分析、差集合、快速变换等方面得到了应用。特别是现在由于计算机的发展,用离散量的计算去逼近连续量而达到所要求的精度已成为可能。
数论在数学中的地位是独特的,高斯曾经说过“数学是科学的皇后,数论是数学中的皇冠”。因此,数学家都喜欢把数论中一些悬而未决的疑难问题,叫做“皇冠上的明珠”,以鼓励人们去“摘取”。下面简要列出几颗“明珠”:费马大定理、
孪生素数问题、
歌德巴赫猜想、
梅森素数问题、
黎曼猜想……
在我国近代,数论也是发展最早的数学分支之一。从二十世纪三十年代开始,在解析数论、刁藩都方程、一致分布等方面都有过重要的贡献,出现了华罗庚、
闵嗣鹤、
柯召、
潘承洞等第一流的数论专家。其中华罗庚教授在三角和估值、堆砌
素数论方面的研究是享有盛名的。1949年以后,数论的研究的得到了更大的发展。陈景润、王元等在“筛法”和“
哥德巴赫猜想”方面的研究,已取得世界领先的优秀成绩;
周海中在著名数论难题——梅森素数分布的研究中取得了世界领先的卓著成绩。