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世界七大数学难题与Hilbert的23个问题

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2016-12-15 算法与数学之美
作者:v_JULY_v

这七个“千年大奖问题”是: 
NP完全问题、霍奇猜想、庞加莱猜想、黎曼假设、杨-米尔斯理论、纳卫尔-斯托可方程、BSD猜想。

千年大奖问题
美国麻州的克雷(Clay)数学研究所于2000年5月24日在巴黎法兰西学院宣布了一件被媒体炒得火热的大事:对七个“千年数学难题”的每一个悬赏一百万美元。   

其中有一个已被解决(庞加莱猜想),还剩六个.(庞加莱猜想,已由俄罗斯数学家格里戈里·佩雷尔曼破解。我国中山大学朱熹平教授和旅美数学家、清华大学兼职教授曹怀东做了证明的封顶工作。)   

“千年大奖问题”公布以来, 在世界数学界产生了强烈反响。
这些问题都是关于数学基本理论的,但这些问题的解决将对数学理论的发展和应用的深化产生巨大推动。

认识和研究“千年大奖问题”已成为世界数学界的热点。不少国家的数学家正在组织联合攻关。 可以预期, “千年大奖问题” 将会改变新世纪数学发展的历史进程。


一、P问题对NP问题
  在一个周六的晚上,你参加了一个盛大的晚会。由于感到局促不安,你想知道这一大厅中是否有你已经认识的人。
你的主人向你提议说,你一定认识那位正在甜点盘附近角落的女士罗丝。不费一秒钟,你就能向那里扫视,并且发现你的主人是正确的。然而,如果没有这样的暗示,你就必须环顾整个大厅,一个个地审视每一个人,看是否有你认识的人。

生成问题的一个解通常比验证一个给定的解时间花费要多得多。这是这种一般现象的一个例子。

与此类似的是,如果某人告诉你,数13,717,421可以写成两个较小的数的乘积,你可能不知道是否应该相信他,但是如果他告诉你它可以因式分解为3607乘上3803,那么你就可以用一个袖珍计算器容易验证这是对的。

人们发现,所有的完全多项式非确定性问题,都可以转换为一类叫做满足性问题的逻辑运算问题。
既然这类问题的所有可能答案,都可以在多项式时间内计算,人们于是就猜想,是否这类问题,存在一个确定性
算法,可以在多项式时间内,直接算出或是搜寻出正确的答案呢?这就是著名的NP=P?的猜想。

不管我们编写程序是否灵巧,判定一个答案是可以很快利用内部知识来验证,还是没有这样的提示而需要花费大量时间来求解,被看作逻辑和计算机科学中最突出的问题之一。它是斯蒂文·考克于1971年陈述的。


二、霍奇(Hodge)猜想
二十世纪的数学家们发现了研究复杂对象的形状的强有力的办法。基本想法是问在怎样的程度上,我们可以把给定对象的形状通过把维数不断增加的简单几何营造块粘合在一起来形成。这种技巧是变得如此有用,使得它可以用许多不同的方式来推广;最终导致一些强有力的工具,使数学家在对他们研究中所遇到的形形色色的对象进行分类时取得巨大的进展。

不幸的是,在这一推广中,程序的几何出发点变得模糊起来。在某种意义下,必须加上某些没有任何几何解释的部件。

霍奇猜想断言,对于所谓射影代数簇这种特别完美的空间类型来说,称作霍奇闭链的部件实际上是称作代数闭链的几何部件的(有理线性)组合。


三、庞加莱(Poincare)猜想
如果我们伸缩围绕一个苹果表面的橡皮带,那么我们可以既不扯断它,也不让它离开表面,使它慢慢移动收缩为一个点。另一方面,如果我们想象同样的橡皮带以适当的方向被伸缩在一个轮胎面上,那么不扯断橡皮带或者轮胎面,是没有办法把它收缩到一点的。

我们说,苹果表面是“单连通的”,而轮胎面不是。
大约在一百年以前,庞加莱已经知道,二维球面本质上可由单连通性来刻画,他提出三维球面(四维空间中与原点有单位距离的点的全体)的对应问题。这个问题立即变得无比困难,从那时起,数学家们就在为此奋斗。   

在2002年11月和2003年7月之间,俄罗斯的数学家格里戈里·佩雷尔曼在发表了三篇论文预印本,并声称证明了几何化猜想。   

在佩雷尔曼之后,先后有3组研究者发表论文补全佩雷尔曼给出的证明中缺少的细节。这包括密西根大学的布鲁斯·克莱纳和约翰·洛特;哥伦比亚大学的约翰·摩根和麻省理工学院的田刚;以及理海大学的曹怀东和中山大学的朱熹平。   

2006年8月,第25届国际数学家大会授予佩雷尔曼菲尔兹奖。
数学界最终确认佩雷尔曼的证明解决了庞加莱猜想。


四、黎曼(Riemann)假设
有些数具有不能表示为两个更小的数的乘积的特殊性质,例如,2、3、5、7……等等。这样的数称为素数;它们在纯数学及其应用中都起着重要作用。

在所有自然数中,这种素数的分布并不遵循任何有规则的模式;然而,德国数学家黎曼(1826~1866)观察到,素数的频率紧密相关于一个精心构造的所谓黎曼蔡塔函数z(s)的性态。

著名的黎曼假设断言,方程z(s)=0的所有有意义的解都在一条直线上。这点已经对于开始的1,500,000,000个解验证过。证明它对于每一个有意义的解都成立将为围绕素数分布的许多奥秘带来光明。


五、杨-米尔斯(Yang-Mills)存在性和质量缺口
量子物理的定律是以经典力学的牛顿定律对宏观世界的方式对基本粒子世界成立的。大约半个世纪以前,杨振宁和米尔斯发现,量子物理揭示了在基本粒子物理与几何对象的数学之间的令人注目的关系。

基于杨-米尔斯方程的预言已经在如下的全世界范围内的实验室中所履行的高能实验中得到证实:
布罗克哈文、斯坦福、欧洲粒子物理研究所和筑波。

尽管如此,他们的既描述重粒子、又在数学上严格的方程没有已知的解。特别是,被大多数物理学家所确认、并且在他们的对于“夸克”的不可见性的解释中应用的“质量缺口”假设,从来没有得到一个数学上令人满意的证实。在这一问题上的进展需要在物理上和数学上两方面引进根本上的新观念。


六、纳维叶-斯托克斯方程的存在性与光滑性
起伏的波浪跟随着我们的正在湖中蜿蜒穿梭的小船,湍急的气流跟随着我们的现代喷气式飞机的飞行。数学家和物理学家深信,无论是微风还是湍流,都可以通过理解纳维叶-斯托克斯方程的解,来对它们进行解释和预言。虽然这些方程是19世纪写下的,我们对它们的理解仍然极少。挑战在于对数学理论作出实质性的进展,使我们能解开隐藏在纳维叶-斯托克斯方程中的奥秘。


七、贝赫和斯维讷通-戴尔猜想
数学家总是被诸如x^2+y^2=z^2那样的代数方程的所有整数解的刻画问题着迷。欧几里德曾经对这一方程给出完全的解答,但是对于更为复杂的方程,这就变得极为困难。

事实上,正如马蒂雅谢维奇指出,希尔伯特第十问题是不可解的,即,不存在一般的方法来确定这样的方法是否有一个整数解。

当解是一个阿贝尔簇的点时,贝赫和斯维讷通-戴尔猜想认为,有理点的群的大小与一个有关的蔡塔函数z(s)在点s=1附近的性态。

特别是,这个有趣的猜想认为,如果z(1)等于0,那么存在无限多个有理点(解),相反,如果z(1)不等于0,那么只存在有限多个这样的点。
世界七大数学难题完。


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只看该作者 1  发表于: 2016-12-15
Hilbert提出的23个问题
大卫·希尔伯特(David Hilbert,1862年1月23日-1943年2月14日),德国数学家,是19世纪和20世纪初最具影响力的数学家之一。
他在数学上的领导地位充分体现于:
1900年,在巴黎的国际数学家大会提出的一系列问题(希尔伯特的23个问题)为20世纪的许多数学研究指出方向。
希尔伯特23个问题及其解决情况:   
1. 连续统假设
1874年,康托猜测在可列集基数和实数基数之间没有别的基数,这就是著名的连续统假设。
1938年,哥德尔证明了连续统假设和世界公认的策梅洛--弗伦克尔集合论公理系统的无矛盾性。
1963年,美国数学家科亨证明连续假设和策梅洛--伦克尔集合论公理是彼此独立的。
因此,连续统假设不能在策梅洛--弗伦克尔公理体系内证明其正确性与否。希尔伯特第1问题在这个意义上已获解决。   
2. 算术公理的相容性 欧几里得几何的相容性可归结为算术公理的相容性。
希尔伯特曾提出用形式主义计划的证明论方法加以证明。
1931年,哥德尔发表的不完备性定理否定了这种看法。
1936年德国数学家根茨在使用超限归纳法的条件下证明了算术公理的相容性。   
1988年出版的《中国大百科全书》数学卷指出,数学相容性问题尚未解决。   
3. 两个等底等高四面体的体积相等问题   
问题的意思是,存在两个等边等高的四面体,它们不可分解为有限个小四面体,使这两组四面体彼此全等。M.W.德恩1900年即对此问题给出了肯定解答。   
4. 两点间以直线为距离最短线问题
此问题提得过于一般。满足此性质的几何学很多,因而需增加某些限制条件。
1973年,苏联数学家波格列洛夫宣布,在对称距离情况下,问题获得解决。   
《中国大百科全书》说,在希尔伯特之后,在构造与探讨各种特殊度量几何方面有许多进展,但问题并未解决。   
5.一个连续变换群的李氏概念,定义这个群的函数不假定是可微的 这个问题简称连续群的解析性,即:是否每一个局部欧氏群都有一定是李群?
中间经冯·诺伊曼(1933,对紧群情形)、邦德里雅金(1939,对交换群情形)、谢瓦荚(1941,对可解群情形)的努力,1952年由格利森、蒙哥马利、齐宾共同解决,得到了完全肯定的结果。   
6.物理学的公理化
希尔伯特建议用数学的公理化方法推演出全部物理,首先是概率和力学。
1933年,苏联数学家柯尔莫哥洛夫实现了将概率论公理化。后来在量子力学、量子场论方面取得了很大成功。但是物理学是否能全盘公理化,很多人表示怀疑。   
7.某些数的无理性与超越性
1934年,A.O.盖尔方德和T.施奈德各自独立地解决了问题的后半部分,即对于任意代数数α≠0 ,1,和任意代数无理数β证明了αβ 的超越性。   
8.素数问题 包括黎曼猜想、哥德巴赫猜想及孪生素数问题等。
一般情况下的黎曼猜想仍待解决。哥德巴赫猜想的最佳结果属于陈景润(1966),但离最解决尚有距离。
目前孪生素数问题的最佳结果也属于陈景润。   
9.在任意数域中证明最一般的互反律
该问题已由日本数学家高木贞治(1921)和德国数学家E.阿廷(1927)解决。   
10. 丢番图方程的可解性
能求出一个整系数方程的整数根,称为丢番图方程可解。
希尔伯特问,能否用一种由有限步构成的一般算法判断一个丢番图方程的可解性?
1970年,苏联的IO.B.马季亚谢维奇证明了希尔伯特所期望的算法不存在。   
11. 系数为任意代数数的二次型
H.哈塞(1929)和C.L.西格尔(1936,1951)在这个问题上获得重要结果。   
12. 将阿贝尔域上的克罗克定理推广到任意的代数有理域上去
这一问题只有一些零星的结果,离彻底解决还相差很远。   
13. 不可能用只有两个变数的函数解一般的七次方程
七次方程 的根依赖于3个参数a、b、c,即x=x (a,b,c)。这个函数能否用二元函数表示出来?
苏联数学家阿诺尔德解决了连续函数的情形(1957),维士斯金又把它推广到了连续可微函数的情形(1964)。但如果要求是解析函数,则问题尚未解决。   
14. 证明某类完备函数系的有限性
这和代数不变量问题有关。1958年,日本数学家永田雅宜给出了反例。   
15. 舒伯特计数演算的严格基础
一个典型问题是:在三维空间中有四条直线,问有几条直线能和这四条直线都相交?
舒伯特给出了一个直观解法。希尔伯特要求将问题一般化,并给以严格基础。现在已有了一些可计算的方法,它和代数几何学不密切联系。但严格的基础迄今仍未确立。   
16. 代数曲线和代数曲线面的拓扑问题
这个问题分为两部分。前半部分涉及代数曲线含有闭的分枝曲线的最大数目。后半部分要求讨论 的极限环的最大个数和相对位置,其中X、Y是x、y的n次多项式.
苏联的彼得罗夫斯基曾宣称证明了n=2时极限环的个数不超过3,但这一结论是错误的,已由中国数学家举出反例(1979)。   
17. 半正定形式的平方和表示
一个实系数n元多项式对一切数组(x1,x2,...,xn) 都恒大于或等于0,是否都能写成平方和的形式?
1927年阿廷证明这是对的。   
18. 用全等多面体构造空间
由德国数学家比勃马赫(1910)、荚因哈特(1928)作出部分解决。   
19. 正则变分问题的解是否一定解析
对这一问题的研究很少。C.H.伯恩斯坦和彼得罗夫斯基等得出了一些结果。   
20. 一般边值问题
这一问题进展十分迅速,已成为一个很大的数学分支。目前还在继续研究。   
21. 具有给定单值群的线性微分方程解的存在性证明
已由希尔伯特本人(1905)和H.罗尔(1957)的工作解决。   
22. 由自守函数构成的解析函数的单值化
它涉及艰辛的黎曼曲面论,1907年P.克伯获重要突破,其他方面尚未解决。   
23. 变分法的进一步发展出
这并不是一个明确的数学问题,只是谈了对变分法的一般看法。20世纪以来变分法有了很大的发展。   
这23问题涉及现代数学大部分重要领域,推动了20世纪数学的发展。
基于MATLAB对希尔伯特矩阵的实现
在MATLAB中,生成希尔伯特矩阵的函数是hilb(n)。   
使用一般方法求逆会因为原始数据的微小扰动而产生不可靠的计算结果。
MATLAB中,有一个专门求希尔伯特矩阵的逆的函数invhilb(n),其功能是求n阶的希尔伯特矩阵的逆矩阵。   
例1 求4阶希尔伯特矩阵及其逆矩阵。命令如下:   
format rat %以有理形式输出   
H=hilb(4)   
K=invhilb(4)   
运行结果如下   
H =   1 1/2 1/3 1/4   1/2 1/3 1/4 1/5   1/3 1/4 1/5 1/6   1/4 1/5 1/6 1/7   
K =   16 -120 240 -140   -120 1200 -2700 1680   240 -2700 6480 -4200   -140 1680 -4200 2800
-------------------------------------
July:有资料[06年文献],显示希尔伯特23个问题大部分已经解决,
但仍有以下13个问题仍是悬而未决。
1、问题1连续统假设。
全体正整数(被称为可数集)的基数和实数集合(被称为连续统)的基数c之间没有其它基数。
背景:1938年奥地利数学家哥德尔证明此假设在集合论公理系统,即策莫罗-佛朗克尔公理系统里,不可证伪。
1963年美国数学家柯恩证明在该公理系统,不能证明此假设是对的。
所以,至今未有人知道,此假设到底是对还是错。
2、问题2 算术公理相容性。
背景:哥德尔证明了算术系统的不完备,使希尔伯特的用元数学证明算术公理系统的无矛盾性的想法破灭。
3、 问题7 某些数的无理性和超越性。
5、 问题8 素数问题。
6、 问题11 系数为任意代数数的二次型。
背景:德国和法国数学家在60年代曾取得重大进展。
7、 问题12 阿贝尔域上的克罗内克定理在任意代数有理域上的推广。
背景:此问题只有些零散的结果,离彻底解决还十分遥远。
8、 问题13 仅用二元函数解一般7次代数方程的不可能性。
背景:1957苏联数学家解决了连续函数情形。如要求是解析函数则此问题尚未完全解决。
9、 问题15 舒伯特计数演算的严格基础。
背景: 代数簌交点的个数问题。和代数几何学有关。
10、 问题16 代数曲线和曲面的拓扑。
要求代数曲线含有闭的分枝曲线的最大数目。和微分方程的极限环的最多个数和相对位置。
11、 问题18 用全等多面体来构造空间。
无限个相等的给定形式的多面体最紧密的排列问题,现在仍未解决。
12、 问题20 一般边值问题。
偏微分方程的边值问题,正在蓬勃发展。
13、 问题23 变分法的进一步发展。
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