“数学皇冠上的明珠”——哥德巴赫猜想

article/2025/6/8 22:05:44

1742年67日,哥德巴赫写信给欧拉,提出了著名的哥德巴赫猜想。

、提出背景

哥德巴赫在信中写道:随便取某一个奇数,比如77,可以把它写成三个素数之和,即77=53+17+7;再任取一个奇数,比如461,可以表示成461=449+7+5,也是三个素数之和,461还可以写成257+199+5,仍然是三个素数之和。例子多了,即发现“任何大于5的奇数都是三个素数之和。”

1742年630日欧拉给哥德巴赫回信。这个命题看来是正确的,但是他也给不出严格的证明。同时欧拉又提出了另一加强版本(想想为什么是加强的):任何一个大于2的偶数都是两个素数之和。但是这个命题他也没能给予证明。今日常见的猜想陈述为欧拉的版本。而哥德巴赫的原问题被称为弱哥德巴赫猜想,已于2013年被巴黎高等师范学院研究员哈洛德·贺欧夫各特证明。

、“a+b”问题的推进

就是这样一个小学生也能听懂的问题,至今也没有解决。如果把命题“任一充分大的偶数都可以表示成为一个素因子个数不超过a个的数与另一个素因子不超过b个的数之和”记作“a+b”。显然,哥德巴赫猜想就可以写成“1+1”。在“a + b”问题上的进展都是用所谓的筛法得到的,其推进情况如下:

1920年,挪威的布朗证明了“9 + 9”。

1924年,德国的拉特马赫证明了“7 + 7”。

1932年,英国的埃斯特曼证明了“6 + 6”。

1937年,意大利的蕾西先后证明了“5 + 7”,“4 + 9”,“3 + 15”和“2 + 366”。

1938年,苏联的布赫夕太勃证明了“5 + 5”。

1940年,苏联的布赫夕太勃证明了“4 + 4”。

1956年,中国的王元证明了“3 + 4”。稍后证明了“3 + 3”和“2 + 3”。

1948年,匈牙利的瑞尼证明了“1+ c”,其中c是一很大的自然数。

1962年,我国的潘承洞和苏联的巴尔巴恩证明了“1 + 5”, 中国的王元证明了“1 + 4”。

1965年,苏联的布赫 夕太勃和小维诺格拉多夫,及意大利的朋比利证明了“1+3”。

1966年,我国的陈景润证明了“1+2”成立,即“任一充分大的偶数都可以表示成两个素数之和,或是一个素数和一个半素数之和”,距离“1+1”仅“一步之遥”。这是目前这一研究方向的最好结果。关于陈景润证明“1+2”的故事,可参考距“哥猜”最近的数学家——陈景润。

三、其他研究方向

1)三素数定理

如果偶数的哥德巴赫猜想正确,那么奇数的猜想也正确。我们可以把这个问题反过来思考。已知奇数N可以表成三个素数之和,假如又能证明这三个素数中有一个非常小,譬如说第一个素数可以总取3,那么我们也就证明了偶数的哥德巴赫猜想。

这个思想就促使潘承洞先生在1959年,即他25岁时,研究有一个小素变数的三素数定理。这个小素变数不超过N的θ次方。我们的目标是要证明θ可以取0,即这个小素变数有界,从而推出偶数的哥德巴赫猜想。潘承洞先生首先证明θ可取1/4

后来的很长一段时间内,这方面的工作一直没有进展,直到1995年展涛教授把潘老师的定理推进到7/120。这个数已经比较小了,但是仍然大于0

2例外集合

在数轴上取定大整数x,再从x往前看,寻找使得哥德巴赫猜想不成立的那些偶数,即例外偶数。x之前所有例外偶数的个数记为E(x)。我们希望,无论x多大,x之前只有一个例外偶数,那就是2,即只有2使得猜想是错的。

这样一来,哥德巴赫猜想就等价于E(x)永远等于1。当然,直到现在还不能证明E(x)=1;但是能够证明E(x)远比x小。在x前面的偶数个数大概是x/2;如果当x趋于无穷大时,E(x)x的比值趋于零,那就说明这些例外偶数密度是零,即哥德巴赫猜想对于几乎所有的偶数成立。这就是例外集合的思路。

维诺格拉多夫的三素数定理发表于1937年。第二年,在例外集合这一途径上,就同时出现了四个证明,其中包括华罗庚先生的著名定理。业余搞哥德巴赫猜想的人中不乏有人声称“证明”了哥德巴赫猜想在概率意义下是对的。实际上他们就是“证明”了例外偶数是零密度。这个结论华老早在60年前就证明出来了。

3)几乎哥德巴赫问题

1953年,林尼克发表了一篇长达70页的论文。在文中,他率先研究了几乎哥德巴赫问题,证明了存在一个固定的非负整数k,使得任何大偶数都能写成两个素数与k2的方幂之和。这个定理,看起来好像丑化了哥德巴赫猜想,实际上它是非常深刻的。

我们注意,能写成k2的方幂之和的整数构成一个非常稀疏的集合;事实上,对任意取定的xx前面这种整数的个数不会超过log xk次方。因此,林尼克定理指出,虽然我们还不能证明哥德巴赫猜想,但是我们能在整数集合中找到一个非常稀疏的子集,每次从这个稀疏子集里面拿一个元素贴到这两个素数的表达式中去,这个表达式就成立。

这里的k用来衡量几乎哥德巴赫问题向哥德巴赫猜想逼近的程度,数值较小的k表示更好的逼近度。显然,如果k等于0,几乎哥德巴赫问题中2的方幂就不再出现,从而,林尼克的定理就是哥德巴赫猜想。

林尼克1953年的论文并没有具体定出k的可容许数值,此后四十多年间,人们还是不知道一个多大的k才能使林尼克定理成立。但是按照林尼克的论证,这个k应该很大。1999年,作者与廖明哲及王天泽两位教授合作,首次定出k的可容许值54000

这第一个可容许值后来被不断改进。其中有两个结果必须提到,即李红泽、王天泽独立地得到k=2000。目前最好的结果k=13是英国数学家希思-布朗和德国数学家普赫塔合作取得的,这是一个很大的突破。

结语

高斯曾经说过:数学,科学的皇后;算术,数学的皇后。”后来自希尔伯特提出23个问题以后(哥德巴赫猜想是第8个问题中的一个子问题),这句话又有了一个推广:如果说数学是科学的皇后,哥德巴赫猜想就是皇冠上的明珠。

至今为止,哥德巴赫猜想仍然是未解之谜。也许,真的就存在一个初等证明,只是我们还没发现。尽管陈景润做出了举世瞩目的成就,但不得不承认的是,很多数学家为之奋斗了一辈子却毫无进展。我不去评价这种生活态度的好坏,站在理性的角度,我不鼓励也不反对现在的学生以后励志去攻克这样的难题,凭着自己的兴趣发展,一切顺其自然就好。

另外,关于研究哥德巴赫猜想的意义和作用,目前没有人知道,但不代表今后不会知道。笔者读大学期间,也问过老师,研究费马大定理有什么用?老师的回答是,以前爱因斯坦推出质能方程“E=mc2”的时候也不知道它有什么用,后来这个方程竟成了制造原子弹的理论依据(简单来说,就算m很小,由于c2很大,也可能产生很大的能量)

所以我认为,基础数学研究,不应该以应用为目的,而应该以兴趣为基础。应用只是研究顺带产生的福利。传统的“经世致用”的思想可能也应该与时俱进了。

参考文献:

1.百度百科

2.历史上的今天

用加、减、乘、除和括号,将“1742年6月7日”中的4个数:6,7,17,42进行计算,得到32。

上期答案:(32-17)÷5×6=18

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