黎曼猜想到底是什么意思?

2018年,89岁的菲尔兹奖得主迈克尔·阿蒂亚爵士做了最后一次公开数学报告:

这篇报道是对“黎曼猜想”的一个证明。报道后仅三个月,老人猝死。

这份报告是否证明了“黎曼猜想”,我没有资格评论,这需要在数学界内部检讨。即使结果是错的,也有可能指出新的突破方向,这在数学史上也是无穷无尽的。留给学术界和时间去检验吧。

然而,黎曼猜想:

?函数的所有非平凡零点的实部是

你说了什么让这个老人在生命的最后一刻还在充电?让一代又一代的数学家去梦想吧(大数学家希尔伯特曾经说过,如果他能复活,第一件事就是问,黎曼猜想被证明了吗?)。

逝者安息,生者继承。让我们试着用我们的方式来数一数黎曼猜想,把老人的坚持和无数数学家的坚持传递下去。...

1质数

在大于1的自然数中,不能被除1以外的其他自然数和该数本身整除的数称为素数,如2、3、5、7、11。...

我们知道素数是无穷的(欧几里德定理),我们也可以用埃拉托斯特尼筛选法筛选出有限个素数:

但是,对素数的整体认识还是很少的。质数似乎完全随机地与自然数混合在一起。下面是一张1000以内的素数表,似乎没有什么规律(你说越来越稀疏,877,881,883,887突然连续出现四个素数,和10以内的素数一样多)。

且不说素数的精确分布,就是随机抽取一个足够大的自然数,也需要大量的辛苦计算来检验是否是素数。

在数学家眼中,以研究素数为核心的数论是:

你可能会想,为什么要研究质数?你能改善你的生活吗?提高寿命?粮食会增产吗?移民火星?

当然可以给出现实的理由。例如,流行的区块链中的加密算法依赖于一些素数分布的理论。但随着了解的深入,我发现这些对数学家来说根本不重要,不足以构成他们前进的动力。就像有人问著名登山家乔治·马洛里:“你为什么要爬山”,马洛里回答,“因为山就在那里”:

数学家研究素数的原因很简单,因为它就在那里。数论可能是最纯粹的数学,是数学的初心。

2素数计数功能

根据前面给出的素数表,画一个函数图像:

纵坐标代表内部质数的数目。例如,从图像中可以看出:

这意味着10以内有四个素数(我们知道分别是2,3,5,7)。这个?它被称为素数计数函数。(素数计数功能).

目前不可能得到素数的精确分布,所以数学家们退而求其次,想知道它是什么。这是几千年来素数研究的核心问题。

3素数定理

高斯和勒让德猜测:

后来,有一个改进的猜测:

把这三个函数图像放在一起,看起来好像真的可以视为近似,后一种近似更好:

这两种猜测,尤其是后者,可以称之为素理论,只是还没有被证明。

4“关于小于给定值的素数的个数”

格奥尔格·弗里德里希·波恩哈德·黎曼(1826-1866)是德国数学家,黎曼几何的创始人,复变函数论的创始人之一;

1859年,黎曼被任命为柏林科学院通信学院院士。作为见面礼,黎曼提交了他唯一一篇关于数论的论文,这也是唯一一篇完全不包含几何概念的论文。关于小于给定值的素数的个数:

这篇论文只有9页,却可以排在最难读的论文之列(黎曼显然高估了读者的水平,他的很多结论都没有得到证明,因为他认为这是不证自明的,一目了然的。但事实是,比如后人花了46年才证明了一小步),也是素数研究领域最重要的论文。

听这篇论文的名字也知道这篇论文是关于,的确,在这篇文章中,黎曼实际上给出了素数计数函数的精确表达式:

先不说这个函数的细节,看?黎曼干脆忽略了素数定理,直接给出了精确的表达式。这是王霸的气。不打擦边球就直奔黄龙,解决教练。

5黎曼猜想

的表达并不简单。你想想就明白了,初等数学能解决的问题,很可能已经被欧拉和高斯这两个数学守门员攻克了(形容你不要找这两个大神手里的错误)。

我重复一遍,看起来是这样的:

这个功能分为两部分:?

黎曼素数计数函数:在公式里,下面是它的代数表达式:

实际上是黎曼给出的对的近似,也称为?黎曼素数计数函数?这个代数表达式的含义将在后面详细描述。

修正案:即:

?称为莫比乌斯函数,具体代数表达式如下:

整个公式的意义:修正项调整后,黎曼给出的素数计数函数完全等于。

5.1?函数和非平凡零点

要介绍清楚,得先介绍一个??功能:

自变量为什么用和不用?因为这是一个定义在复数域的函数,也就是用复数域来表示自变量(如前所述,如果实数的问题解决不了,可以尝试把维数升级到复数)。

如果你试着理解下面的内容?函数相关方程:

这个方程有无数的解,可以分为两类:

1.平凡解:,表示所有负偶数。这个解看起来简单,容易找到,所以叫平凡解,也叫函数的平凡零点。

2.非平凡解:即复杂解。这种解法很复杂,现在还没有找到所有的解,估计找到所有的解和找到素数的精确分布一样难。目前只有部分是通过暴力操作找到的。所以叫非平凡解,也叫函数的非平凡零点。

至此,黎曼猜想中最重要的两个术语出现了:函数和非平凡零点。

5.2黎曼素数计数函数

好吧,回头看看:

该功能有四个部分:

1.:这是一个近似值,如前所述。

2.:?是函数的非平凡零点,也就是把所有非平凡零点。?总计

3.:这是常数

4.?: ?越大越接近0,在处取最大值不是很重要。

如我之前所说,它本身就是一个正确的近似值。从下面的动画可以看出,越多的非平凡的零参与运算(通过暴力计算得到),就越拟合,逼近效果比素数定理好得多:

5.3黎曼猜想

通过上面的分析,如果我们能知道函数的所有非平凡零点,那么我们就能得到精度。但是求解非平凡零点的难度似乎不亚于得到素数精确分布的难度。我该怎么办?

如果你知道范围,你也可以(真实部分如下图):

1.如果:那么素数定理成立,已经被证明了,历史上的素数定理本来就是据此证明的。

2.If其实是黎曼猜想的另一种描述。

如果黎曼猜想成立,可以证明:

那就是知道素数定理中的实数和实数之间有多大的误差。

证明黎曼猜想在素数分布上迈出了一大步。但这只是开始,离真正的素数分布还很远。

6“对质数的热爱”

希望你看完这篇文章能对黎曼猜想有个大概的了解。当然,还有很多疑问:

?函数的非平凡零点和素数分布有什么关系?

?函数如何扩展到复数域?

黎曼为什么会猜?

?为什么看起来像那样?

?这样定义的动机是什么?

目前我们对非平凡零有什么了解?

.......

你可以把这篇文章当成一个大纲,或者是素数之恋的读书笔记,所有的细节都可以在这本书里找到。这本书也是我认为关于黎曼猜想最好的一本。

7写在后面

黎曼的天才论文开启了一个时代,其中的许多结论虽然未经证实,但对数学家来说却是一笔财富。

出身贫寒的黎曼遇到了欧洲动乱,秩序重建,贵族自身难保,使得他很难像过去那些天才数学家一样得到贵族们的支持。贫穷多病,黎曼40岁时死于肺结核。仿佛上天嫉妒人才,似乎上天不想让人类过早地暴露自己所有的秘密。

如果黎曼活得久一点,也许黎曼猜想可以在自己手里解决。但不管怎样,质数的秘密,正如希尔伯特所说,“我们必须知道,我们也将知道”:

原文链接?马同学的高等数学-黎曼猜想是什么意思?