黎曼猜想

德國有名的數(shù)學家希爾伯特(D.Hibert 1862—1943)在老年時曾被人問一個有趣的問題:“假定你去世后一兩年能復活,您會做什么呢?”希爾伯特回答:“我會先問黎曼猜想是否已經獲得解決了?”

原來他在1900年把這問題列為20世紀數(shù)學家所面對的一個重要難題,如果他死能復活,當然關心的是這個問題是否解決了。

19世紀數(shù)論中的一個重要發(fā)展是由狄利克雷開創(chuàng)的解析方法和解析成果的導入,而黎曼開創(chuàng)了用復數(shù)解析函數(shù)研究數(shù)論問題的先例,取得跨世紀的成果。

    

1859年,黎曼發(fā)表了《在給定大小之下的素數(shù)個數(shù)》的論文。這是一篇不到十頁的內容極其深到的論文,他將素數(shù)的分布的問題歸結為函數(shù)的問題,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,并簡要地斷言了其它的性質而未予證明。

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程中為分析創(chuàng)立了新的內容豐富的新分支。如今,除了他的一個斷言外,其余都按黎曼所期望的那樣得到了解決。

現(xiàn)在來說黎曼猜想,在1858年黎曼寫的一篇長度只有8頁的關于素數(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——因為它的頂峰非常困難到達,目前已有人登上這世界高峰,可是卻沒有人能證明這猜想!

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

人們早知道下面的調和級數(shù)是不收斂(即和是無窮大)。

在1737年左右歐拉引進了齊打函數(shù)(Zeta function)

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

讓p跑遍所有的素數(shù)集合,取我們看到

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

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

在1858年黎曼在他寫的唯一一篇關于數(shù)論的文章里把齊打函數(shù)的定義域擴大到復數(shù)域上,他要研究什么樣的復數(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”

“所有的非實數(shù)的復數(shù)s使得ζ(s)=0,,必定在直線Re(s)=1/2 上!
     

這個未解決的問題是希爾伯特23個問題中的第8個問題,至今仍沒有人證明。對于某些其它的域 ,布爾巴基學派的成員已證明相應的黎曼猜想。數(shù)論中很多問題的解決有賴于這個猜想的解決。黎曼的這一工作既是對解析數(shù)論理論的貢獻,也極大地豐富了復變函數(shù)論的內容。

德國數(shù)學家F.克萊因這樣的評價他:“黎曼具有很強的直觀,由這天份他超越了當代的數(shù)學家,在他的興趣被激發(fā)的領域,他不管是否當局會接受對這研究的肯定,也不讓傳統(tǒng)來誤導他!窳餍且粯映霈F(xiàn)然后消失,他活躍的時間只不過15年,1851年他完成論文,1862年他生病,1866年他去世!杪乃枷,對現(xiàn)代函數(shù)論發(fā)展的影響是緩慢和逐漸的,他的工作不會在當代引起突然的革命。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世紀后半期的數(shù)學發(fā)展,許多杰出的數(shù)學家重新論證黎曼斷言過的定理,在黎曼思想的影響下數(shù)學許多分支取得了輝煌成就。

近年對黎曼假設的研究

荷蘭三位數(shù)學家J.van de Lune,H.J.Riele te及D.T.Winter利用電子計算機來檢驗黎曼的假設,他們對最初的二億個齊打函數(shù)的零點檢驗,證明黎曼的假設是對的,他們在1981年宣布他們的結果,目前他們還繼續(xù)用電子計算機檢驗底下的一些零點。在1982年11月蘇聯(lián)數(shù)學家馬帝葉雪維奇在蘇聯(lián)雜志《Kibernetika》宣布,他利用電腦檢驗一個與黎曼猜想有關的數(shù)學問題,可以證明該問題是正確的,從而反過來可以支持黎曼的猜想很可能是正確的。