Содержание статьи

ЧИСЕЛ ТЕОРИЯ, раздел чистой математики, занимающийся изучением целых чисел 0, ± 1, ± 2,... и соотношений между ними. Иногда теорию чисел называют высшей арифметикой. Отдельные вычисления, производимые над конкретными числами, например, 9 + 16 = 25, не представляют особого интереса и обычно не входят в предмет теории чисел. С другой стороны, выписанное только что равенство становится несравненно более интересным, если заметить, что оно представляет собой простейшее решение в целых числах (если не считать тривиальных решений x = z , y = 0) уравнения Пифагора x 2 + y 2 = z 2 . С этой точки зрения последнее уравнение непосредственно приводит к некоторым подлинным теоретико-числовым проблемам, например, (1) имеет ли x 2 + y 2 = z 2 бесконечно много или только конечное число решений в целых числах и как их можно найти? (2) Какие целые числа представимы в виде x 2 + y 2 , где x и y – целые числа? (3) Существуют ли решения в целых числах аналогичного уравнения x n + y n = z n , где n – целое число, большее 2? Одна из интригующих особенностей теории чисел состоит в том, что эти три вопроса, формулируемые так легко и понятно, в действительности находятся на совершенно различных уровнях сложности. Пифагор и Платон, а возможно гораздо раньше вавилонские математики, знали, что уравнение x 2 + y 2 = z 2 имеет бесконечно много решений в целых числах, а древнегреческому математику Диофанту (ок. 250 до н.э.) было известно, что каждое такое решение представимо в виде x = r 2 – s 2 , y = 2rs , z = r 2 + s 2 при подходящих целых числах r и s и что при любых двух целых числах r и s соответствующие значения x , y и z образуют решение. Что касается второго вопроса, то структуру множества целых чисел, представимых в виде суммы двух квадратов, описал П.Ферма (1601–1665), основатель теории чисел в ее современной форме. Ферма показал, что целое число m представимо в виде суммы двух квадратов в том и только в том случае, когда частное от деления числа m на наибольший квадрат, делящий число m , не содержит простого множителя вида 4k + 3 (k – целое число). Этот результат гораздо тоньше, чем первый, а его доказательство далеко не очевидно, хотя и не является слишком трудным. Третий вопрос оставался без ответа, несмотря на упорнейшие усилия самых блестящих математических умов, на протяжении трех последних столетий. Ферма примерно в 1630 на полях одной из книг написал, что уравнение x n + y n = z n не имеет решений в целых числах x , y и z , отличных от нуля, при n больше 2, но самого доказательства не оставил. И только в 1994 Э.Вайлсу из Принстонского университета удалось доказать эту теорему, уже несколько веков носящую название «Великой теоремы Ферма».

Вне самой математики теория чисел имеет довольно мало приложений, и развивалась она не ради решения прикладных задач, а как искусство ради искусства, обладающее своей внутренней красотой, тонкостью и трудностью. Тем не менее теория чисел оказала большое влияние на математическую науку, поскольку некоторые разделы математики (в том числе и такие, которые впоследствии нашли применение в физике) были первоначально созданы для решения особенно сложных проблем теории чисел. МАТЕМАТИКА.

Мультипликативные основания.

Условимся считать, что в дальнейшем все латинские буквы будут означать (если особо не оговорено противное) целые числа. Мы говорим, что b является делителем числа a (или что b делит a ) и обозначаем это b |a , если существует такое целое число c , что a = bc . Числа 1 и - 1 («единицы»), обратные к которым – целые числа, являются делителями любого целого числа. Если ± 1 и ± a – единственные делители числа a , то оно называется простым; если же существуют другие делители, то число a называется составным. (Простыми числами являются, например, 2, 3, 5, 7, 11, 13.) Если положительное целое число a составное, то его можно представить в виде a = bc , где 1 b a и 1 c a; если либо b , либо c составное, то его в свою очередь можно разложить на множители. Продолжая разлагать на множители, мы в конце концов должны прийти к представлению числа a в виде произведения конечного числа простых чисел (не все из которых обязательно различны); например, 12 = 2Ч 2Ч 3, 13 = 1Ч1 3, 100 = 2Ч 2Ч 5Ч 5. В противном случае число a можно было бы записать в виде произвольно большого числа множителей, каждый из которых не меньше 2, что невозможно. Теорема о единственности разложения на простые множители, одна из фундаментальных теорем теории чисел, утверждает, что с точностью до очевидных изменений в знаках и порядке множителей любые два разложения числа a совпадают; например, любое разложение числа 12 на простые множители представимо тремя числами – 2Ч 2Ч 3; 2Ч 3Ч 2; 3Ч 2Ч 2; другие разложения получаются заменой любых двух множителей равными по абсолютной величине отрицательными числами. Теорема о единственности разложения на простые множители встречается в «Началах» Евклида, где она доказана с помощью понятия наибольшего общего делителя (НОД). Если d > 0 – общий делитель чисел a и b и, в свою очередь, делится на любое другое число, делящее a и b , то d называется наибольшим общим делителем чисел a и b , что записывается так: НОД(a , b ) = d ; например, НОД (12, 18) = 6. Если НОД (a , b ) = 1, то числа a и b называются взаимно простыми. Евклид показал, что для любых двух чисел a и b , отличных от нуля, существует единственный НОД, и предложил систематический метод, напоминающий «деление углом»; с НОД чисел a и b связано их наименьшее общее кратное (НОК) – наименьшее положительное число, которое делится на каждое из чисел a и b . Наименьшее общее кратное равно произведению чисел a и b , деленному на их НОД, или |ab |/НОД (a , b ).

Согласно теореме о единственности разложения на простые множители, простые числа являются теми «кирпичиками», из которых строятся целые числа. Помимо ± 2, все остальные простые числа нечетны, так как четным число называется только когда оно делится на 2. Уже Евклиду было известно, что простых чисел бесконечно много. Он доказал это, заметив, что число N = (p 1 p 2 ...p n ) + 1 (где p 1 , p 2 ,..., p n – все простые числа) не делится ни на одно простое число p 1 , p 2 ,..., p n и, потому либо само N , либо один из его простых множителей должен быть простым числом, отличным от p 1 , p 2 ,..., p n . Следовательно, p 1 , p 2 ,..., p n не может быть полным перечнем всех простых чисел.

Пусть m і 1 – некоторое заданное целое число. Любое число a при делении на m дает остаток, равный одному из чисел 0, 1, ..., m – 1. (Например, при m = 13 и a , принимающем последовательно значения 29, 7, - 21, 65, получаем: 29 = 2Ч 3 + 3, 7 = 0Ч 13 + 7, –21 = –2Ч 13 + 5, 65 = 5Ч 13 + 0, и остатки равны соответственно 3, 7, 5, 0.) Если числа a и b при делении на m дают один и тот же остаток, то в некоторых случаях их можно рассматривать как эквивалентные относительно m . Математики говорят в таких случаях, что числа a и b сравнимы по модулю m , что записывается так: a є b (mod m ) и называется сравнением по модулю m . Мы все знакомы со сравнением по модулю 12 в случае с часами: 17 часов означает то же самое, что 5 часов пополудни, так как 17 є 5 (mod 12). Это отношение, называемое сравнением, было введено К.Гауссом (1777–1855). Оно несколько похоже на равенство тем, что сравнения по одному и тому же модулю m можно складывать и умножать, как обычно: если a є b (mod m ) и c є d (mod m ), то a + c є b + d (mod m ), a – c є b – d (mod m ), aЧ c є bЧ d (mod m ) и ta є tb (mod m ) при любом целом t . Сокращение на общий множитель, вообще говоря, невозможно, т.к. 20 є 32 (mod 6), но 5 № 8 (mod 6). Однако если ta є tb (mod m ) и (t ,m ) = d , то a є b (mod (m /d )). При d = 1 это по существу сводится к сокращению на общий множитель; например, 28 є 40 (mod 3), и так как числа 4 и 3 взаимно простые, мы можем разделить обе части сравнения на 4 и получить 7 є 10 (mod 3). Можно также показать, что если a є b (mod m ), то НОД чисел a и m равен НОД чисел b и m . В качестве примера рассмотрим сравнение 6 є 10 (mod 4): НОД (6, 4) равен 2, и НОД (10, 4) также равен 2.

Все целые числа, сравнимые с каким-либо числом, образуют один класс вычетов . Для каждого модуля m существует m классов вычетов, соответствующих m остаткам 0, 1,..., m - 1; каждый из классов содержит одно из чисел 0, 1,..., m – 1 вместе со всеми числами, сравнимыми с этим числом по модулю m . Если два числа a и b принадлежат одному классу вычетов, т.е. удовлетворяют соотношению a є b (mod m ), то НОД (a ,m ) = НОД (b ,m ); следовательно, либо все элементы данного класса вычетов взаимно просты с m , либо ни один не взаимно прост. Число «приведенных» классов вычетов, т.е. классов вычетов, элементы которых взаимно просты с m , обозначается f (m ). Таким образом возникает функция на множестве целых чисел, называемая f -функцией Эйлера в честь Л.Эйлера (1707–1783). При m = 6 существует шесть классов вычетов, каждый из которых содержит одно из чисел 0, 1,..., 5. С этим m взаимно просты только элементы класса, содержащего число 5, и класса, содержащего число 1. Следовательно, f (m ) = 2.

Как и в случае уравнений, можно рассматривать сравнения с одним или более неизвестными. Простейшим служит линейное сравнение с одним неизвестным ax є b (mod m ). Оно выполняется только в том случае, когда m делит число (ax – b ), или ax – b = my при некотором целом y . Таким образом, это сравнение эквивалентно линейному уравнению ax – my = b . Так как левая его часть обязательно делится на НОД (a , m ), оно не может выполняться ни при каких целых числах x и y , если НОД (a , m ) не делит число b .

Можно показать, что сравнение ax є b (mod m ) разрешимо в том и только в том случае, когда НОД (a , m ) делит число b , а если это условие выполнено, то существует ровно НОД (a , m ) классов вычетов по модулю m , элементы которых удовлетворяют этому сравнению. Например, уравнение 2x + 6y = 5 неразрешимо в целых числах, т.к. НОД (2, 6) = 2, а число 5 не делится на 2; уравнение 2x + 3y = 5 разрешимо, т.к. НОД (2, 3) = 1; аналогично, уравнение 2x + 3y = b разрешимо при любом целом b . Действительно, при любых a и m , таких, что НОД (a , m ) = 1, уравнение ax – my = b разрешимо для любого b .

Уравнение ax – my = b – это, по-видимому, простейший пример «диофантова уравнения», т.е. уравнения с целыми коэффициентами, которое требуется решить в целых числах.

Общее квадратичное сравнение ax 2 + bx + c є 0 (mod m ) можно проанализировать весьма полно. Умножая на 4a , получаем 4a 2 x 2 + 4abx + 4ac є 0 (mod 4am ), или (2ax + b ) 2 є (b 2 – 4ac ) (mod 4am ). Полагая 2ax + b = u и b 2 – 4ac = r , мы сводим решение исходного сравнения к решению сравнения u 2 є r (mod 4am ). В свою очередь решения последнего сравнения с помощью чуть более сложных рассуждений можно свести к решению сравнений вида u 2 є r (mod p ), где p – простое число. Поэтому все сложности и весь интерес кроются в этом, казалось бы, частном случае общего квадратичного сравнения. Если сравнение u 2 є r (mod p ) разрешимо, то u называется квадратичным вычетом по модулю p , а в противном случае – квадратичным невычетом . «Квадратичный закон взаимности», открытый эмпирически Эйлером (ок. 1772) и доказанный Гауссом (1801), утверждает, что если p и q – различные нечетные простые числа, то каждое из них или является квадратичным вычетом по модулю другого, или это не верно ни для одного из них за исключением случая, когда и p , и q имеют вид 4k + 3 и когда лишь одно из этих чисел является квадратичным вычетом по модулю другого. Теорема Гаусса, названная им «золотой теоремой», служит мощным инструментом теоретико-числовых исследований и позволяет ответить на вопрос, разрешимо ли данное квадратичное сравнение.

Сравнения более высоких степеней вида f (x ) є 0 (mod m ), где f (x ) – многочлен степени выше 2, решаются с большим трудом. Согласно теореме Ж.Лагранжа (1736–1813), число решений (точнее, число классов вычетов, каждый из элементов которых является решением) не превышает степени многочлена f (x ), если модуль простой. Существует простой критерий разрешимости сравнения x n є r (mod p ), принадлежащий Эйлеру, но он неприменим к сравнениям общего вида, о разрешимости которых при n > 2 мало что известно.

Диофантовы уравнения.

Несмотря на то, что исследования диофантовых уравнений восходят к началу становления математики, общая теория диофантовых уравнений до сих пор отсутствует. Вместо этого имеется обширный набор отдельных приемов, каждый из которых полезен при решении лишь ограниченного класса задач. Приступая к изучению диофантова уравнения, хотелось бы получить описание всех его целочисленных решений, как это было сделано выше для уравнения x 2 + y 2 = z 2 . В этом смысле полностью решить удалось лишь небольшой класс уравнений, большинство из которых либо линейно, либо квадратично. Решение произвольной системы из m линейных уравнений с n неизвестными в случае, когда n > m , было получено Г.Смитом (1826–1883). Простейшим квадратным уравнением является т.н. уравнение Пелля x 2 – Dy 2 = N (где D и N – любые целые числа), которое было полностью решено Лагранжем (1766). Известны также решения различных отдельных уравнений или систем уравнений второй степени с более чем двумя неизвестными, а также немногих уравнений более высоких степеней. В последнем случае получены в основном отрицательные результаты – рассматриваемое уравнение не имеет решений или имеет только конечное число решений. В частности, К.Зигель показал в 1929, что единственными алгебраическими уравнениями с двумя неизвестными, имеющими бесконечно много целочисленных решений, являются линейные уравнения, уравнения Пелля и уравнения, получаемые из тех и других с помощью специальных преобразований.

Формы.

Формой называется однородный многочлен от двух или более переменных, т.е. многочлен, все члены которого имеют одну и ту же полную степень по совокупности переменных; например, x 2 + xy + y 2 – форма степени 2, x 3 – x 2 y + 3xy 2 + y 3 – форма степени 3. Одним из основных является вопрос, аналогичный сформулированному выше для формы x 2 + y 2 , а именно: какие целые числа представимы с помощью формы (т.е. какие целые значения может принимать форма) при целых значениях переменных? И на этот раз наиболее полно был рассмотрен квадратичный случай. Для простоты мы ограничимся лишь двумя переменными, т.е. формами вида f (x ,y ) = ax 2 + bxy + cy 2 . Величина D = 4ac – b 2 называется дискриминантом формы f (x ,y ); если дискриминант равен нулю, то форма вырождается в квадрат линейной формы. Такой случай обычно не рассматривается. Формы с положительным дискриминантом называются определенными, т.к. все значения, принимаемые формой f (x ,y ) в этом случае, имеют тот же знак, что и a ; при положительном a форма f (x ,y ) всегда положительна и называется положительно определенной. Формы с отрицательным дискриминантом называются неопределенными, так как f (x ,y ) принимает как положительные, так и отрицательные значения.

Если в f (x ,y ) произвести замену переменных x = Au + Bv , y = Cu + Dv , где A , B , C , D – целые числа, удовлетворяющие условию AD – BC = ± 1, то получим новую форму g (u ,v ). Так как любой паре целых чисел x и y соответствует пара целых чисел u и v , то каждое целое число, представимое формой f , представимо формой g , и наоборот. Поэтому в таком случае говорят, что f и g эквивалентны. Все формы, эквивалентные данной, образуют класс эквивалентности; число таких классов для форм с фиксированным дискриминантом D конечно.

Оказывается, что в случае положительно определенных форм в каждом классе эквивалентности существует единственная форма ax 2 + bxy + cy 2 с такими коэффициентами a , b , c , что либо –a b Ј a c, либо 0 Ј b Ј a = c . Такая форма называется приведенной формой данного класса эквивалентности. Приведенная форма используется как стандартный представитель своего класса, а информация, получаемая относительно нее, легко распространяется на остальные члены класса эквивалентности. Одной из основных задач, которая в этом простейшем случае полностью решена, является нахождение приведенной формы, эквивалентной данной форме; этот процесс называется приведением. В случае неопределенных форм мы не можем указать неравенств, которым должны удовлетворять коэффициенты лишь одной формы из каждого класса. Однако существуют неравенства, которым удовлетворяет некоторое конечное число форм в каждом классе, и все они называются приведенными формами.

Определенные и неопределенные формы различаются также тем, что любая определенная форма представляет (если представляет) целое число только конечным числом способов, тогда как число представлений целого числа неопределенной формой всегда либо равно нулю, либо бесконечно. Дело в том, что, в отличие от определенных форм, неопределенные обладают бесконечно многими «автоморфизмами», т.е. подстановками x = Au + Bv , y = Cu + Dv , оставляющими форму f (x ,y ) неизменной, так что f (x ,y ) = f (u ,v ). Эти автоморфизмы можно полностью описать в терминах решений уравнения Пелля z 2 + D w 2 = 4, где D – дискриминант формы f .

Некоторые частные результаты, связанные с представлением целых чисел квадратичными формами, были известны задолго до появления только что описанной общей теории, начало которой было положено Лагранжем в 1773 и которая получила развитие в работах Лежандра (1798), Гаусса (1801) и других. Ферма в 1654 показал, что каждое простое число вида 8n + 1 или 8n + 3 представимо формой x 2 + 2y 2 , каждое простое число вида 3n + 1 представимо формой x 2 + 3y 2 и не существует простого числа вида 3n – 1, представимого формой x 2 + 3y 2 . Он также установил, что любое простое число вида 4n + 1 представимо, причем единственным способом, в виде суммы двух квадратов. Ферма не оставил доказательств этих теорем (как, впрочем, и почти всех других своих результатов). Некоторые из них были доказаны Эйлером (1750–1760), причем доказательство последней из указанных теорем потребовало от него семи лет напряженных усилий. Ныне эти теоремы известны как простые следствия из квадратичного закона взаимности.

Сходным образом можно определить и эквивалентность квадратичных форм от n переменных. Существуют аналогичные теории приведения и представлений, естественно, более сложные, чем в случае двух переменных. К 1910 развитие теории продвинулось настолько, насколько это было возможно с помощью классических методов, и теория чисел пребывала в состоянии спячки вплоть до 1935, когда Зигель придал ей новый импульс, сделав основным инструментом исследований в этой области математический анализ.

Одна из наиболее удивительных теорем теории чисел была доказана Ферма и, по-видимому, была известна еще Диофанту. Она гласит, что любое целое число есть сумма четырех квадратов. Более общее утверждение без доказательства высказал Э.Варинг (1734–1798): каждое положительное целое число есть сумма не более девяти кубов, не более девятнадцати четвертых степеней и т.д. Общее утверждение о том, что для каждого положительного целого числа k существует целое число s , такое, что любое положительное целое число может быть представлено в виде суммы не более чем s k -х степеней, было в конце концов доказано Д.Гильбертом (1862–1943) в 1909.

Геометрия чисел.

В общих чертах можно сказать, что геометрия чисел включает в себя все приложения геометрических понятий и методов к теоретико-числовым проблемам. Отдельные соображения такого рода появились в 19 в. в работах Гаусса, П.Дирихле, Ш.Эрмита и Г.Минковского, в которых для решения некоторых неравенств или систем неравенств в целых числах использовались их геометрические интерпретации. Минковский (1864–1909) систематизировал и унифицировал все, сделанное в этой области до него, и нашел новые важные приложения, особенно в теории линейных и квадратичных форм. Он рассматривал n неизвестных как координаты в n -мерном пространстве. Множество точек с целыми координатами получило название решетки. Все точки с координатами, удовлетворяющими требуемым неравенствам, Минковский интерпретировал как внутренность некоторого «тела», и задача состояла в том, чтобы определить, содержит ли данное тело какие-либо точки решетки. Фундаментальная теорема Минковского утверждает, что если тело выпукло и симметрично относительно начала координат, то оно содержит хотя бы одну точку решетки, отличную от начала координат, при условии, что n -мерный объем тела (при n = 2 это площадь) больше, чем 2 n .

Многие вопросы естественно приводят к теории выпуклых тел, и именно эта теория была развита Минковским наиболее полно. Затем на долгое время опять наступил застой, но с 1940, в основном благодаря работам английских математиков, наметился прогресс в развитии теории невыпуклых тел.

Диофантовы приближения.

Этот термин был введен Минковским для описания задач, в которых некоторое переменное выражение должно быть сделано насколько возможно малым, когда переменная принимает целочисленные значения, не превышающие некоторого большого числа N . В настоящее время термин «диофантовы приближения» используется в более широком смысле для обозначения ряда теоретико-числовых задач, в которых встречается одно или несколько заданных иррациональных чисел. (Иррациональным называется число, которое нельзя представить в виде отношения двух целых чисел.) Почти все такого рода проблемы возникли из следующего фундаментального вопроса: если дано некоторое иррациональное число q , то каковы наилучшие рациональные приближения к нему и насколько хорошо они его приближают? Разумеется, если использовать достаточно сложные рациональные числа, то число q можно приблизить сколь угодно точно; поэтому вопрос имеет смысл только в том случае, когда точность приближения сопоставляется с величиной числителя или знаменателя, аппроксимирующего числа. Например, 22/7 – хорошее приближение к числу p в том смысле, что из всех рациональных чисел со знаменателем 7 дробь 22/7 ближе всех к числу p . Такие хорошие приближения всегда можно найти с помощью разложения числа q в непрерывную дробь. Подобные разложения, в чем-то похожие на разложения в десятичную дробь, служат мощным инструментом исследований в современной теории чисел. С их помощью, например, нетрудно убедиться в том, что для каждого иррационального числа q существует бесконечно много дробей y /x , таких, что погрешность |q – y /x | меньше, чем 1/x 2 .

Число b называется алгебраическим , если оно удовлетворяет некоторому алгебраическому уравнению с целочисленными коэффициентами a 0 b n + a 1 b n – 1 +... + a n = 0. В противном случае число b называется трансцендентным. То немногое, что известно о трансцендентных числах, получено с помощью методов диофантовых приближений. Доказательства обычно сводятся к нахождению аппроксимационных свойств трансцендентных чисел, которыми не обладают алгебраические числа. Примером может служить теорема Ж.Лиувилля (1844), согласно которой число b трансцендентно, если при сколь угодно большом показателе n найдется дробь y /x , такая, что 0 b – y /x | x n . Развивая идеи Эрмита, Ф.Линдеман в 1882 доказал, что число p трансцендентно и тем самым дал окончательный (отрицательный) ответ на вопрос, поставленный еще древними греками: можно ли с помощью циркуля и линейки построить квадрат, равный по площади данному кругу? В 1934 А.О.Гельфонд (1906–1968) и Т.Шнайдер (р. 1911) независимо друг от друга доказали, что если алгебраическое число a , отличное от 0 или 1, возвести в иррациональную алгебраическую степень b , то получившееся число a b трансцендентно. Например, число трансцендентно. То же самое можно сказать и о e p (значении выражения i –2i ).

Аналитическая теория чисел.

Математический анализ можно назвать математикой непрерывно изменяющихся величин; поэтому на первый взгляд может показаться странным, что при решении чисто теоретико-числовых задач такая математика может быть полезной. Первым, кто стал систематически использовать весьма мощные аналитические методы в арифметике, был П.Дирихле (1805–1859). Исходя из свойств «рядов Дирихле»

рассматриваемых как функции переменной s , он показал, что если НОД (a ,m ) = 1, то существует бесконечно много простых чисел вида p є a (mod m ) (таким образом, существует бесконечно много простых чисел вида 4k + 1, а также бесконечно много простых чисел вида 4k + 3). Частный случай ряда Дирихле 1 + 2 –s + 3 –s +... получил название дзета-функция Римана z (s ) в честь Б.Римана (1826–1866), который исследовал ее свойства при комплексном s , чтобы проанализировать распределение простых чисел. Задача состоит в следующем: если p (x ) обозначает число простых чисел, не превышающих x , то как велико значение p (x ) при больших значениях x ? В 1798 А.Лежандр высказал предположение, согласно которому отношение p (x ) к x /log x (где логарифм берется по основанию e ) приближенно равно 1 и с возрастанием x стремится к 1. Частичный результат был получен в 1851 П.Л.Чебышёвым (1821–1894), но полностью гипотеза Лежандра, т.н. «теорема о простых числах», была доказана лишь в 1896 с помощью методов, основанных на работе Римана (независимо Ж.Адамаром и Ш. де ла Валле Пуссеном). В 20 в. в области аналитической теории чисел было сделано немало, однако многие, казалось бы, легкие вопросы относительно простых чисел по-прежнему остаются без ответа. Например, поныне неизвестно, существует ли бесконечно много «пар простых чисел», т.е. пар последовательных простых чисел, таких, как 101 и 103. Существует еще одна до сих пор недоказанная гипотеза Римана, она касается комплексных чисел, являющихся нулями дзета-функции, и занимает настолько важное место во всей теории, что многие доказанные и опубликованные теоремы содержат слова «Если гипотеза Римана верна, то...».

Аналитические методы широко применяются и в аддитивной теории чисел, занимающейся представлениями чисел в виде сумм определенного вида. Аналитические методы были существенно использованы Гильбертом в его решении проблемы Варинга, о которой упоминалось выше. Попытки придать теореме Гильберта количественный характер с помощью оценки числа k -х степеней, необходимых для представления всех целых чисел, привели в 1920-х и 1930-х годах Г.Харди и Дж.Литлвуда к созданию кругового метода , усовершенствованного далее И.М.Виноградовым (1891–1983). Эти методы нашли применение в аддитивной теории простых чисел, например, при доказательстве теоремы Виноградова о том, что каждое достаточно большое нечетное число представимо в виде суммы трех простых чисел.

Алгебраическая теория чисел.

Чтобы доказать закон взаимности четвертых степеней (аналог квадратичного закона взаимности для соотношения x 4 є q (mod p )), Гаусс в 1828 исследовал арифметику комплексных чисел a + bi , где a и b – обычные целые числа, а . Делимость, «единицы», простые числа и НОД для «гауссовых чисел» определяются так же, как для обычных целых чисел, сохраняется также и теорема о единственности разложения на простые числа. Пытаясь доказать Великую теорему Ферма (о том, что уравнение x n + y n = z n не имеет решений в целых числах при n > 2), Э.Куммер в 1851 перешел к изучению арифметики целых чисел более общего типа, определяемых с помощью корней из единицы. Сначала Куммер полагал, что ему удалось найти доказательство теоремы Ферма, но он заблуждался, поскольку, вопреки наивной интуиции, для таких чисел не выполняется теорема о единственности разложения на простые множители. В 1879 Р.Дедекинд ввел общее понятие алгебраического целого числа , т.е. алгебраического числа, удовлетворяющего алгебраическому уравнению с целочисленными коэффициентами и коэффициентом a 0 при старшем члене, равном 1. Чтобы получить некоторое множество алгебраических целых чисел, аналогичное множеству обычных целых чисел, необходимо рассматривать только такие алгебраические целые числа, которые принадлежат фиксированному полю алгебраических чисел . Это множество всех чисел, которые можно получить из некоторого данного числа и рациональных чисел с помощью многократного применения сложения, вычитания, умножения и деления; поле алгебраических чисел аналогично множеству рациональных чисел. Алгебраические целые числа из данного поля в свою очередь подразделяются на «единицы», простые и составные числа, но в общем случае для двух таких чисел однозначно определенного НОД не существует и не выполняется теорема о единственности разложения на простые множители. Простейшие примеры полей алгебраических чисел, кроме множества рациональных чисел, это поля алгебраических чисел, определенные с помощью алгебраических чисел степени 2, т.е. иррациональных чисел, удовлетворяющих квадратным уравнениям с рациональными коэффициентами. Такие поля называются квадратичными числовыми полями .

Куммеру принадлежит фундаментальная идея введения новых т.н. идеальных чисел (1847), выбираемых таким образом, чтобы в расширенном множестве снова выполнялась теорема о единственности разложения на простые множители. Для той же цели Дедекинд в 1870 ввел несколько иное понятие идеалов, а Кронекер в 1882 – метод разложения многочлена с рациональными коэффициентами на неприводимые множители над полем рациональных чисел. Работы этих трех математиков не только заложили основы арифметической теории алгебраических чисел, но и ознаменовали начало современной абстрактной алгебры.

Вопрос о том, имеет ли место в данном поле единственное разложение на простые множители, весьма труден. Ситуация ясна только в одном случае: существует лишь конечное число квадратичных полей, обладающих этим свойством, и все такие поля, за исключением одного сомнительного случая, хорошо известны. С «единицами» поля ситуация проще: как показал Дирихле, все «единицы» (которых, вообще говоря, бесконечно много) можно представить в виде произведений степеней некоторого конечного множества «единиц». Рассмотрение такого рода проблем в связи с каким-нибудь конкретным полем непременно предваряет более глубокие арифметические исследования в рамках этого поля и приложения к проблемам классической теории чисел. Существует другая, более тонкая теория, начало которой было положено в 1894 Гильбертом, в которой одновременно рассматриваются все числовые поля, обладающие определенными свойствами. Она называется «теорией полей классов» и принадлежит к наиболее строгим в техническом отношении разделам математики. Существенный вклад в ее развитие внесли Ф.Фуртвенглер в 1902 и Т.Такаги в 1920. В последние годы в этой области математики наблюдается значительная активность.

Существует несколько определений понятия «теория чисел». Одно из них гласит, что это специальный раздел математики (или высшей арифметики), которая подробно изучает целые числа и объекты, сходные с ними.

Другое определение уточняет, что этот раздел математики изучает свойства чисел и их поведение в различных ситуациях.

Некоторые ученые считают, что теория настолько обширна, что дать ее точное определение невозможно, а достаточно лишь разделить на несколько менее объемных теорий.

Установить достоверно, когда зародилась теория чисел, не представляется возможным. Однако точно установлено: на сегодня древнейшим, но не единственным документом, свидетельствующим об интересе древних к теории чисел, является небольшой обломок глиняной таблички 1800 годов до нашей эры. В нем - целый ряд так называемых Пифагоровых троек (натуральных чисел), многие из которых состоят из пяти знаков. Огромное количество таких троек исключает их механический подбор. Это свидетельствует о том, что интерес к теории чисел возник, видимо, намного раньше, чем изначально предполагали ученые.

Самыми заметными лицами в разработке теории считаются пифагорейцы Евклид и Диофант, жившие в Средние века индийцы Ариабхата, Брахмагупта и Бхаскары, а еще позже - Ферма, Эйлер, Лагранж.

В начале ХХ века теория чисел привлекла внимание таких математических гениев, как А. Н. Коркин, Е. И. Золотарёв, Б. Н. Делоне, Д. К. Фаддеев, И. М. Виноградов, Г.Вейль, А. Сельберг.

Разрабатывая и углубляя выкладки и исследования древних математиков, они вывели теорию на новый, значительно более высокий уровень, охватывающий множество областей. Глубокие исследования и поиски новых доказательств привели и к открытию новых проблем, некоторые из которых не изучены до сих пор. Открытыми остаются: гипотеза Артина о бесконечности множества простых чисел, вопрос о бесконечности количества простых чисел, множество других теорий.

На сегодня основными составляющими, на которые делится теория чисел, являются теории: элементарная, больших чисел, случайных чисел, аналитическая, алгебраическая.

Элементарная теория чисел занимается изучением целых чисел, не привлекая методы и понятия из других разделов математики. малая - вот самые распространенные, известные даже школьникам понятия из этой теории.

Теория больших чисел (или Закон больших чисел) - подраздел теории вероятностей, стремящийся доказать, что среднее арифметическое (по другому - среднее эмпирическое) большой выборки приближается к математическому ожиданию (которое еще называют теоретическим средним) этой выборки при условии фиксированного распределения.

Теория случайных чисел, разделяя все события на неопределенные, детерминированные и случайные, пытается определить по вероятности простых событий вероятность сложных. В этот раздел входят свойства и теорема их умножения, Теорема гипотез (которую часто называют формулой Байеса) и пр.

Аналитическая теория чисел, как это понятно из ее названия, для изучения математических величин и числовых свойств применяет методы и приемы Одно из главных направлений этой теории - доказательство теоремы (при помощи комплексного анализа) о распределении простых чисел.

Алгебраическая теория чисел работает непосредственно с числами, их аналогами (например, алгебраическими числами), изучает теорию дивизоров, когомологии групп, функции Дирихле и т.п.

К появлению и развитию этой теории привели многовековые попытки доказать теорему Ферма.

До ХХ века теория чисел считалась отвлеченной наукой, "чистым искусством от математики", не имеющим абсолютно никакого практического или утилитарного применения. Сегодня ее выкладки используют в криптографических протоколах, при расчете траекторий спутников и космических зондов, в программировании. Экономика, финансы, информатика, геология - все эти науки сегодня невозможны без теории чисел.

Система 1 отлично приспособлена к одной форме мышления – она автоматически и без усилий опознает каузальные связи между событиями, иногда даже в тех случаях, когда связи не существует. Однако, Система 1 не слишком способна управляться с «чисто статистическими» фактами, которые меняют вероятность результатов, но не заставляют их случаться. Случайное событие – по определению – не подлежит объяснению, но серии случайных событий ведут себя чрезвычайно регулярным образом.

Большие выборки дают более точный результат, чем маленькие. Маленькие выборки чаще больших дают экстремумы. Наше с Амосом первое совместное исследование показало, что даже у опытных исследователей плохая интуиция и зыбкое представление о значении объема выборки.

Закон малых чисел. Для психолога-исследователя изменчивость выборки – не просто странность, это неудобство и помеха, которая дорого обходится, превращая любое исследование в игру случая. Предположим, вы хотите подтвердить гипотезу, что словарный запас шестилетних девочек в среднем больше, чем словарный запас мальчиков того же возраста. В объеме всего населения гипотеза верна, у девочек в шесть лет словарный запас в среднем больше. Однако девочки и мальчики бывают очень разными, и можно случайно выбрать группу, где заметной разницы нет, а то и такую, где мальчики набирают больше баллов. Если вы – исследователь, такой результат вам дорого обойдется, поскольку, потратив время и усилия, вы не подтвердите правильность гипотезы. Риск снижается только использованием достаточно большой выборки, а те, кто работает с маленькими выборками, отдают себя на волю случая. Первая статья, написанная мной в соавторстве с Амосом, называлась «Вера в закон малых чисел».

Предпочтение уверенности сомнению. Закон малых чисел – проявление общей склонности к уверенности вместо сомнений. Сильная предрасположенность верить, что маленькие выборки точно представляют все население, означает и нечто большее: мы склонны преувеличивать последовательность и когерентность увиденного. Излишняя вера исследователей в результаты нескольких наблюдений сродни эффекту ореола, часто возникающему у нас чувству, что мы знаем и понимаем человека, о котором нам, по сути, известно мало. Система 1 предвосхищает факты, составляя по обрывочным сведениям полную картину. Механизм для поспешных выводов ведет себя так, будто верит в закон малых чисел. В целом он создает чересчур осмысленную картину реальности.

Причина и случай. Ассоциативные механизмы ищут причины. Статистические закономерности трудно воспринимать, потому что к ним требуется принципиально иной подход. Рассматривая событие со статистической точки зрения, мы интересуемся его связью с тем, что могло произойти, а не как именно оно произошло. Никакой особой причины не было, случай выбрал его среди других.

Иллюзия закономерности влияет на наши жизни. Сколько выгодных сделок должен заключить ваш финансовый консультант, прежде чем вы решите, что он необычайно эффективен? Какое количество успешных приобретений убедит совет директоров, что у генерального директора талант к подобным сделкам? Простой ответ на эти вопросы гласит, что, следуя интуиции, вы чаще воспримете случайное событие как закономерное. Мы слишком охотно отвергаем мысль о том, что многое в нашей жизни случайно.

Исследование частоты рака почки, проведенное в 3141 округе США, выявило удивительную закономерность: самый низкий уровень заболеваемости обнаружен в сельских, малонаселенных округах, расположенных в традиционно республиканских штатах на Среднем Западе, Юге и Западе. Что вы думаете по этому поводу?
Ваш разум в последние несколько секунд был очень активен, причем работала преимущественно Сист ема 2. Вы планомерно искали в памяти информацию и формулировали гипотезы. Вам понадобились некоторые усилия: у вас расширились зрачки, измеримо участилось сердцебиение. Но и Система 1 не бездельничала: работа Системы 2 полагалась на факты и предложения, извлеченные из ассоциативной памяти. Вы, вероятно, отвергли мысль о том, что республиканские политические взгляды защищают от рака почки. Скорее всего, в итоге вы сосредоточились на том факте, что округа с низким уровнем заболеваемости в основном сельские. Остроумные статистики Говард Вейнер и Харрис Цверлинг, приводя в пример это исследование, прокомментировали: «Очень легко и соблазнительно сделать вывод, что низкий уровень заболеваемости – прямое следствие здоровой сельской жизни: воздух чистый, вода тоже, еда свежая и без добавок». Очень разумно.
Рассмотрим теперь округа с самым высоким уровнем заболеваемости раком почки. Эти нездоровые округа в основном сельские, малонаселенные и расположены в традиционно респ убликанских штатах на Среднем Западе, Юге и Западе. Вейнер и Цверлинг в шутку комментируют: «Легко предположить, что высокий уровень заболеваемости – прямое следствие бедности сельской жизни: хорошая медицина далеко, пища жирная, злоупотребление алкоголем и табаком». Конечно же, что-то не так. Сельская жизнь не может служить одновременным объяснением и для высокого, и для низкого уровня заболеваемости раком почки.
Основной фактор здесь – не то, что округа сельские или в основном республиканские. Все дело в том, что население сельских округов малочисленно. Главный урок, который нужно усвоить, касается не эпидемиологии, а сложных отношений между нашим разумом и статистикой. Система 1 отлично приспособлена к одной форме мышления – она автоматически и без усилий опознает каузальные связи между событиями, иногда даже в тех случаях, когда связи не существует. Услышав об округах с высоким уровнем заболеваемости, вы немедленно заключили, что они чем-то отличаются, что у э той разницы есть объяснение. Однако, как мы увидим, Система 1 не слишком способна управляться с «чисто статистическими» фактами, которые меняют вероятность результатов, но не заставляют их случаться.
Случайное событие – по определению – не подлежит объяснению, но серии случайных событий ведут себя чрезвычайно регулярным образом. Представьте себе сосуд, наполненный небольшими шариками. Половина из них – красные, половина – белые. Затем представьте очень терпеливого человека (или робота), который вслепую достает по четыре шарика, записывает число красных, бросает их обратно и повторяет так много-много раз. Если обобщить результаты, то обнаружится, что сочетание «два белых, два красных» появляется почти в шесть раз чаще, чем «четыре белых» или «четыре красных». Это соотношение – математический факт. Результат многократного извлечения шариков из урны можно предсказать с той же точностью, как результат удара молотком по яйцу. Предсказать, как именно разлетятся осколки скорлупы, вы не сможете, но в целом вы уверены в результате. Впрочем, есть одно различие: удовлетворенное ощущение причинной связи, которое вы испытываете, думая о молотке и яйце, в случае с шариками напрочь отсутствует.
С этим связан и другой статистический факт, относящийся к примеру о раке. Из одного и того же сосуда два очень терпеливых экспериментатора по очереди достают шарики. Джек в каждой попытке вытаскивает по 4 штуки, а Джилл – по 7. Они оба делают отметку каждый раз, когда им достаются шарики одного цвета, все белые или все красные. Если достаточно долго этим заниматься, то Джек будет наблюдать такие результаты примерно в 8 раз чаще Джилл (ожидаемый процент составляет 12,5 и 1,56 % соответственно). И вновь ни молотка, ни причины, просто математический факт: наборы из 4 шариков чаще дают однородные результаты, чем наборы из 7.
А теперь представьте население США шариками в огромном сосуде, причем некоторые шарики помечены буквами «Р П», что говорит о раке почки. Вы извлекаете наборы шариков и по очереди населяете каждый округ. Выборки в сельских местностях меньше остальных. Как и в игре Джека и Джилл, экстремумы – то есть очень высокие и/или очень низкие уровни заболеваемости раком – с большей вероятностью окажутся в малонаселенных округах. Вот и вся история.
Мы начали с факта, который требует объяснения: уровень заболеваемости раком почки сильно меняется в зависимости от округа, и в этих изменениях есть закономерность. Я предложил статистическое объяснение: экстремумы (высокие и низкие показатели) вероятнее появятся в маленьких выборках, чем в больших. Это – не причина. Маленькое население округа не порождает рак и не спасает от него. Оно просто позволяет уровню заболеваемости быть намного выше (или намного ниже), чем в более многочисленной популяции. Истина состоит в том, что объяснять здесь нечего. На самом деле уровень заболеваемости раком не выше и не ниже нормы; если в округе маленькое население, она лишь кажется такой в отдельно взятом году из-за случайности выборки. Если повторить анализ на следующий год, мы заметим, что в целом ситуация с экстремумами в малых выборках та же, но округа, где в предыдущем году было много случаев рака, необязательно и на этот раз покажут высокий уровень заболеваемости. Если так, то разница между плотно населенными и сельскими округами не считается, это просто артефакты, то есть явления, порожденные исключительно каким-то аспектом метода исследования, в данном случае – различиями в размере выборки.
Вы, может, и удивились моему рассказу, но не восприняли его как откровение. Вам давно известно, что результаты исследований надежнее на больших выборках, и о законе больших чисел слышали даже те, кто статистики совершенно не знает. Но просто «знать» недостаточно, и, возможно, вы обнаружите, что в отношении вас справедливы следующие утверждения:

Вы не придали значения признаку «малонаселенный» , когда читали историю об исследовании частоты заболеваний раком.
Вы сильно удивились, узнав о разнице между выборками в 4 и 7 шариков.
Даже сейчас вам требуются определенные умственные усилия, чтобы понять, что следующие два утверждения означают совершенно одно и то же:
– Большие выборки дают более точный результат, чем маленькие.
– Маленькие выборки чаще больших дают экстремумы.

Первое утверждение кажется истинным, но нельзя считать, что вы его поняли, пока интуиция не приняла второе.
Итак, вы знали, что результаты на больших выборках точнее, но сейчас вы, наверное, понимаете, что знали это не очень хорошо. Вы не одиноки. Наше с Амосом первое совместное исследование показало, что даже у опытных исследователей плохая интуиция и зыбкое представление о значении объема выборки.

закон малых чисел - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN law of small numbers … Справочник технического переводчика

Stokes, 1851, определяющий силу сопротивления, испытываемую твердым шаром при медленном движении в неограниченно вязкой жидкости: ||F = 6p m ru , где F сила сопротивления, m коэф. вязкости жидкости, r радиус шара, u… … Геологическая энциклопедия

Двойные отношения параметров (отрезков), отсекаемых двумя любыми гранями к ла на трех пересекающихся его ребрах, равны отношениям целых и сравнительно малых чисел. На основании этого закона могут быть выведены все возможные грани к ла, а с… … Геологическая энциклопедия

закон Парето - Теория о том, что модель распределения доходов является постоянной, исторически и географически, независимо от налогообложения или политику социальных выплат; также наз. Законом тривиального множества и критически малых чисел (law of the trivial… … Финансово-инвестиционный толковый словарь

Аюи закон целых чисел, закон рациональности параметров, один из основных законов кристаллографии (См. Кристаллография), а также один из первых количественных законов атомно молекулярной структуры твёрдых тел (См. Твёрдое тело). Установлен …

Закон, связывающий изменения объема газа при постоянной температуре с изменениями его упругости. Этот закон, открытый в 1660 г. англ. физиком Бойлем и позже, но, независимо от него, Мариоттом во Франции, по своей простоте и определенности… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Закон, определяющий силу сопротивления F, испытываемую твёрдым шаром при его медленном поступательном движении в неограниченной вязкой жидкости: , где μ коэффициент вязкости жидкости, r радиус шара и υ его скорость. Эта формула выведена… … Большая советская энциклопедия

- (выведен Дж. Г. Стоксом в 1851), закон, определяющий силу сопротивления F, испытываемую тв. шаром при его медленном поступат. движении в неогранич. вязкой жидкости: F=6pmirv, где m коэфф. динамич. вязкости жидкости, r радиус шара и v его скорость … Физическая энциклопедия

Раздел теории чисел. В А. т. ч. включают вопросы распределения простых чисел, аддитивные проблемы, исследование поведения теоретико числовых функций, теорию алгебраических и трансцендентных чисел. Распределение простых чисел, а) Одной из… … Математическая энциклопедия

Переломный момент: Как незначительные изменения приводят к глобальным переменам The Tipping Point: How Little Things Can Make a Big Difference Жанр: документальная проза

БОРОТ - БОРОТ, Макс (Max Borst), выдающийся патолог. Род. в 1869 г., кончил мед. факультет ун та в Вюрцбурге в 1892 г. С 1893 г. по 1904 г. состоял ассистентом пат. ин та Вюрц бургского ун та, где работал под руководством Риндфлейша (Rindfleisch), одного … Большая медицинская энциклопедия