domniemanie abc

domniemanie abc
Pole Teoria liczb
Przypuszczalny przez
Przypuszczalny w 1985
Równoważny Zmodyfikowana hipoteza Szpiro
Konsekwencje
matematyk David Masser

Hipoteza abc , (znana również jako hipoteza Oesterlé-Massera ) jest hipotezą z teorii liczb która powstała w wyniku dyskusji Josepha Oesterlé i Davida Massera w 1985 r. Jest wyrażona za pomocą trzech liczb całkowitych dodatnich a , b i c (stąd nazwa), które są względnie pierwsze i spełniają a + b = c . Hipoteza zasadniczo stwierdza , że ​​iloczyn różnych czynników pierwszych abc jest zwykle niewiele mniejszy niż c . Szereg słynnych przypuszczeń i twierdzeń w teorii liczb wynikałoby bezpośrednio z abc lub jej wersji. Matematyk Dorian Goldfeld opisał hipotezę abc jako „najważniejszy nierozwiązany problem w analizie diofantycznej ”.

Hipoteza abc powstała w wyniku prób zrozumienia przez Oesterlé i Massera hipotezy Szpiro o krzywych eliptycznych , która zawiera w swoim stwierdzeniu więcej struktur geometrycznych niż hipoteza abc . Wykazano, że hipoteza abc jest równoważna zmodyfikowanej hipotezie Szpiro.

Podejmowano różne próby udowodnienia hipotezy abc , ale żadna nie jest obecnie akceptowana przez główny nurt społeczności matematycznej, a od 2020 r. Przypuszczenie to jest nadal uważane za nieudowodnione.

preparaty

należy wprowadzić pojęcie pierwiastka liczby całkowitej : dla dodatniej liczby całkowitej n , pierwiastek n , oznaczony rad( n ), jest iloczynem różnych czynników pierwszych n . Na przykład

rad(16) = rad(2 4 ) = rad(2) = 2,
rad(17) = 17,
rad(18) = rad(2 ⋅ 3 2 ) = 2 · 3 = 6,
rad(1000000) = rad(2 6 ⋅ 5 6 ) = 2 ⋅ 5 = 10.

Jeśli a , b i c są dodatnimi liczbami całkowitymi względnie pierwszymi takimi, że a + b = c , okazuje się, że „zwykle” c < rad( abc ). Hipoteza abc dotyczy wyjątków. W szczególności stwierdza, że:

Dla każdej dodatniej liczby rzeczywistej ε istnieje tylko skończenie wiele trójek ( a , b , c ) względnie pierwszych dodatnich liczb całkowitych, przy czym a + b = c , takie, że

Równoważny preparat to:

Dla każdej dodatniej liczby rzeczywistej ε istnieje stała K ε taka, że ​​dla wszystkich trójek ( a , b , c ) liczb całkowitych względnie pierwszych dodatnich, gdzie a + b = c :

Równoważnie (używając małej notacji o ):

Dla wszystkich trójek ( a , b , c ) liczb całkowitych względnie pierwszych dodatnich z a + b = c rad( abc ) wynosi co najmniej c 1- o (1) .

Czwarte równoważne sformułowanie hipotezy dotyczy jakości q ( a , b , c ) potrójnej ( a , b , c ), która jest zdefiniowana jako

Na przykład:

q (4, 127, 131) = log(131) / log(rad(4·127·131)) = log(131) / log(2·127·131) = 0,46820... q (3,
125 , 128) = log(128) / log(rad(3·125·128)) = log(128) / log(30) = 1,426565...

Typowa trójka ( a , b , c ) względnie pierwszych dodatnich liczb całkowitych z a + b = c będzie miała c < rad( abc ), tj. q ( a , b , c ) < 1. Trójki z q > 1, takie jak w drugi przykład jest raczej szczególny, składa się z liczb podzielnych przez duże potęgi małych liczb pierwszych . Trzecia formuła to:

Dla każdej dodatniej liczby rzeczywistej ε istnieje tylko skończenie wiele trójek ( a , b , c ) liczb całkowitych względnie pierwszych dodatnich z a + b = c takich , że q ( a , b , c ) > 1 + ε .

Chociaż wiadomo, że istnieje nieskończenie wiele trójek ( a , b , c ) liczb całkowitych względnie pierwszych dodatnich z a + b = c takich, że q ( a , b , c ) > 1, przypuszczenie przewiduje, że tylko skończenie wiele z nich ma q > 1,01 lub q > 1,001 lub nawet q > 1,0001 itd. W szczególności, jeśli przypuszczenie jest prawdziwe, to musi istnieć trójka ( a , b , c ), która osiąga maksymalną możliwą jakość q ( a , b , c ).

Przykłady trójek z małym rodnikiem

Warunek, że ε > 0 jest konieczny, ponieważ istnieje nieskończenie wiele trójek a , b , c gdzie c > rad( abc ). Na przykład niech

Liczba całkowita b jest podzielna przez 9:

Korzystając z tego faktu, dokonuje się następującego obliczenia:

Zastępując wykładnik 6 n innymi wykładnikami, zmuszając b do posiadania większych współczynników kwadratowych, stosunek między pierwiastkiem a c można dowolnie zmniejszyć. Konkretnie, niech p > 2 będzie liczbą pierwszą i rozważmy

Teraz można wiarygodnie twierdzić, że b jest podzielne przez p 2 :

Ostatni krok wykorzystuje fakt, że p 2 dzieli 2 p ( p −1) − 1. Wynika to z małego twierdzenia Fermata , które pokazuje, że dla p > 2, 2 p −1 = pk + 1 dla pewnej liczby całkowitej k . Podniesienie obu stron do potęgi p pokazuje wtedy, że 2 p ( p −1) = p 2 (...) + 1.

A teraz z podobnymi obliczeniami jak powyżej, następujące wyniki:

Lista trójek najwyższej jakości (trójek ze szczególnie małym rodnikiem w stosunku do c ) jest podana poniżej; najwyższą jakość, 1,6299, znalazł Eric Reyssat ( Lando & Zvonkin 2004 , s. 137) dla

za = 2,
b = 3 10 ·109 = 6 436 341 ,
do = 23 5 = 6 436 343 ,
rad( abc ) = 15 042 .

Niektóre konsekwencje

Hipoteza abc ma wiele konsekwencji. Należą do nich zarówno wyniki znane (niektóre z nich zostały udowodnione oddzielnie dopiero od czasu sformułowania przypuszczenia), jak i przypuszczenia, dla których daje dowód warunkowy . Konsekwencje obejmują:

  • Twierdzenie Rotha o aproksymacji diofantycznej liczb algebraicznych .
  • Hipoteza Mordella (ogólnie udowodniona już przez Gerda Faltingsa ).
  • Jako ekwiwalent przypuszczenie Vojty w wymiarze 1.
  • Erdősa -Woodsa dopuszczająca skończoną liczbę kontrprzykładów.
  • Istnienie nieskończenie wielu liczb pierwszych innych niż Wieferich w każdej bazie b > 1.
  • Słaba postać hipotezy Marshalla Halla o rozdzieleniu kwadratów i sześcianów liczb całkowitych.
  • Ostatnie twierdzenie Fermata ma słynny trudny dowód autorstwa Andrew Wilesa. Jednak łatwo wynika, przynajmniej dla , z efektywnej formy słabej wersji hipotezy abc . Hipoteza abc mówi, że lim sup zbioru wszystkich jakości (zdefiniowanych powyżej) wynosi 1, co implikuje znacznie słabsze twierdzenie, że istnieje skończona górna granica jakości. Przypuszczenie, że 2 jest taką górną granicą, wystarcza do bardzo krótkiego dowodu Wielkiego Twierdzenia Fermata dla .
  • Hipoteza Fermata-Catalana , uogólnienie Wielkiego Twierdzenia Fermata dotyczące potęg, które są sumami potęg.
  • Funkcja L biorąc pod ( s , χ d ) utworzona za pomocą symbolu Legendre'a nie ma zera Siegela , uwagę jednolitą wersję hipotezy abc w polach liczbowych , a nie tylko hipotezę abc sformułowaną powyżej dla liczb całkowitych wymiernych.
  • Wielomian P ( x ) ma tylko skończenie wiele doskonałych potęg dla wszystkich liczb całkowitych x , jeśli P ma co najmniej trzy zera proste .
  • Uogólnienie twierdzenia Tijdemana dotyczące liczby rozwiązań y m = x n + k (twierdzenie Tijdemana odpowiada przypadku k = 1) oraz hipoteza Pillai (1931) dotycząca liczby rozwiązań Ay m = Bx n + k .
  • Jako równoważnik, hipoteza Granville'a-Langevina , że jeśli f jest postacią binarną bez kwadratów stopnia n > 2, to dla każdego rzeczywistego β > 2 istnieje stała C ( f , β ) taka, że ​​dla wszystkich względnie pierwszych liczb całkowitych x , y , rodnik f ( x , y ) przekracza C · max{| x |, | y |} n - β .
  • Jako równoważnik, zmodyfikowana hipoteza Szpiro , która dawałaby granicę rad( abc ) 1,2+ ε .
  • Dąbrowski (1996) wykazał, że z hipotezy abc wynika, że ​​równanie diofantyczne n ! + A = k 2 ma tylko skończenie wiele rozwiązań dla dowolnej liczby całkowitej A .
  • Istnieje ~ c f N dodatnich liczb całkowitych n N , dla których f ( n )/B' jest niekwadratowe, przy czym c f > 0 jest dodatnią stałą zdefiniowaną jako:
  • Hipoteza Beala , uogólnienie ostatniego twierdzenia Fermata proponujące, że jeśli A , B , C , x , y i z są dodatnimi liczbami całkowitymi z A x + B y = C z i x , y , z > 2, to A , B i C mają wspólny czynnik pierwszy. Hipoteza abc sugerowałaby, że istnieje tylko skończenie wiele kontrprzykładów.
  • Hipoteza Langa , dolna granica wysokości nieskręcającego wymiernego punktu krzywej eliptycznej.
  • Negatywne rozwiązanie problemu Erdősa-Ulama na gęstych zbiorach punktów euklidesowych o racjonalnych odległościach.
  • Efektywna wersja twierdzenia Siegela o punktach całkowych na krzywych algebraicznych.

Wyniki teoretyczne

Hipoteza abc implikuje, że c może być ograniczone z góry przez prawie liniową funkcję rodnika abc . Znane są granice wykładnicze . W szczególności udowodniono następujące granice:

( Stewart & Tijdeman 1986 ),
( Stewart i Yu 1991 ) oraz
Stewart i Yu 2001 ).

W tych granicach K 1 i K 3 stałymi , które nie zależą od a , b lub c , a K 2 jest stałą zależną od ε (w efektywnie obliczalny sposób), ale nie od a , b lub c . Granice dotyczą dowolnej trójki, dla której c > 2.

Istnieją również wyniki teoretyczne, które zapewniają dolną granicę najlepszej możliwej postaci hipotezy abc . W szczególności Stewart i Tijdeman (1986) wykazali, że istnieje nieskończenie wiele trójek ( a , b , c ) liczb całkowitych względnie pierwszych z a + b = c oraz

dla wszystkich k < 4. Stała k została poprawiona do k = 6,068 przez van Frankenhuysena (2000) .

Wyniki obliczeń

W 2006 roku Wydział Matematyki Uniwersytetu Leiden w Holandii wraz z holenderskim instytutem naukowym Kennislink uruchomił projekt ABC@Home , system obliczeń siatkowych , którego celem jest odkrycie dodatkowych trójek a , b , c z rad( abc ) < do . Chociaż żaden skończony zbiór przykładów ani kontrprzykładów nie może rozwiązać abc , mamy nadzieję, że wzorce trójek odkryte w ramach tego projektu doprowadzą do wglądu w tę hipotezę i bardziej ogólnie w teorię liczb.

Rozkład trójek z q > 1
Q
C
q > 1 q > 1,05 q > 1,1 q > 1,2 q > 1,3 q > 1,4
c < 10 2 6 4 4 2 0 0
c < 10 3 31 17 14 8 3 1
c < 10 4 120 74 50 22 8 3
c < 10 5 418 240 152 51 13 6
c < 10 6 1268 667 379 102 29 11
c < 10 7 3499 1669 856 210 60 17
c < 10 8 8987 3869 1801 384 98 25
c < 10 9 22316 8742 3693 706 144 34
c < 10 10 51677 18233 7035 1159 218 51
c < 10 11 116 978 37612 13266 1947 327 64
c < 10 12 252 856 73714 23773 3028 455 74
c < 10 13 528275 139762 41438 4519 599 84
c < 10 14 1 075 319 258168 70 047 6665 769 98
c < 10 15 2131671 463446 115041 9497 998 112
c < 10 16 4119410 812 499 184727 13118 1232 126
c < 10 17 7801334 1 396 909 290 965 17 890 1530 143
c < 10 18 14 482 065 2352105 449194 24013 1843 160

Od maja 2014 r. ABC@Home znalazło 23,8 miliona trójek.

Najwyższej jakości potrójne
Ranga Q A B C Odkryty przez
1 1,6299 2 3 10 ·109 23 5 Eryk Reyssat
2 1.6260 11 2 3 2 ·5 6 ·7 3 2 21 ·23 Benne de Weger
3 1,6235 19·1307 7·29 2 ·31 8 2 8 ·3 22 ·5 4 Jerzy Browkin, Juliusz Brzeziński
4 1,5808 283 5 11 ·13 2 2 8 ·3 8 ·17 3 Jerzy Browkin, Juliusz Brzeziński, Abderrahmane Nitaj
5 1,5679 1 2·3 7 5 4 ·7 Benne de Weger

Uwaga: jakość q ( a , b , c ) trójki ( a , b , c ) jest zdefiniowana powyżej .

Wyrafinowane formy, uogólnienia i powiązane stwierdzenia

Hipoteza abc jest całkowitym analogiem twierdzenia Masona-Stothersa dla wielomianów.

Wzmocnienie zaproponowane przez Bakera (1998) stwierdza, że ​​w hipotezie abc można zastąpić rad( abc ) przez

ε ω rad( abc ),

gdzie ω jest całkowitą liczbą różnych liczb pierwszych dzielących a , b i c .

Andrew Granville zauważył, że minimum funkcji nad występuje, gdy

To zainspirowało Bakera (2004) do zaproponowania ostrzejszej formy hipotezy abc , a mianowicie:

gdzie κ jest stałą bezwzględną. Po kilku eksperymentach obliczeniowych że wartość jest dopuszczalna Ta wersja nosi nazwę „wyraźnej hipotezy abc ”.

Baker (1998) opisuje również powiązane przypuszczenia Andrew Granville'a , które dawałyby górne granice c formy

gdzie Ω( n ) jest całkowitą liczbą czynników pierwszych n , oraz

gdzie Θ( n ) jest liczbą liczb całkowitych do n podzielnych tylko przez liczby pierwsze dzielące n .

Robert, Stewart i Tenenbaum (2014) zaproponowali bardziej precyzyjną nierówność na podstawie Roberta i Tenenbauma (2013) . Niech k = rad( abc ). Przypuszczali, że istnieje stała C 1 taka, że

zachodzi, podczas gdy istnieje stała C 2 taka, że

zachodzi nieskończenie często.

Browkin i Brzeziński (1994) sformułowali hipotezę n — wersję hipotezy abc obejmującą n > 2 liczby całkowite.

Domniemane dowody

Lucien Szpiro zaproponował rozwiązanie w 2007 roku, ale wkrótce potem okazało się, że jest ono błędne.

Od sierpnia 2012 roku Shinichi Mochizuki domaga się dowodu hipotezy Szpiro, a zatem hipotezy abc . Wydał serię czterech przedruków, w których opracował nową teorię, którą nazwał międzyuniwersalną teorią Teichmüllera (IUTT), która jest następnie stosowana do udowodnienia hipotezy abc . Artykuły nie zostały zaakceptowane przez społeczność matematyczną jako dowód abc . Dzieje się tak nie tylko ze względu na ich długość i trudność w ich zrozumieniu, ale także dlatego, że co najmniej jeden konkretny punkt argumentacji został zidentyfikowany jako luka przez innych ekspertów. Chociaż kilku matematyków poręczyło za poprawność dowodu i próbowało przekazać swoje zrozumienie podczas warsztatów na temat IUTT, nie udało im się przekonać całej społeczności zajmującej się teorią liczb.

W marcu 2018 roku Peter Scholze i Jakob Stix odwiedzili Kioto , aby porozmawiać z Mochizukim. Chociaż nie rozwiązali różnic, postawili je w wyraźniejszej pozycji. Scholze i Stix napisali raport, w którym stwierdzili i wyjaśnili błąd w logice dowodu oraz twierdzą, że wynikająca z tego luka była „tak poważna, że… małe modyfikacje nie uratuje strategii dowodowej”; Mochizuki twierdził, że źle zrozumieli istotne aspekty teorii i dokonali nieważnych uproszczeń.

3 kwietnia 2020 r. dwóch matematyków z instytutu badawczego w Kioto , w którym pracuje Mochizuki, ogłosiło, że jego rzekomy dowód zostanie opublikowany w „ Publications of the Research Institute for Mathematical Sciences” , czasopiśmie instytutu. Mochizuki jest redaktorem naczelnym czasopisma, ale zrezygnował z recenzji artykułu. Ogłoszenie zostało przyjęte ze sceptycyzmem przez Kiran Kedlaya i Edwarda Frenkla , a także zostało opisane przez Nature jako „mało prawdopodobne, aby przeniosło wielu badaczy do obozu Mochizukiego”. W marcu 2021 roku dowód Mochizuki został opublikowany w RIMS.

Zobacz też

Notatki

Źródła

Linki zewnętrzne