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什么是好数学? (下)

- 作者:Terence Tao    译者:卢昌海 -

<< 接中篇

与这些各态历经理论的进展相平行, 其他数学家则在寻找用别的方式来理解、 重新证明及改进 Szemerédi 定理。 Ruzsa 和 Szemerédi 取得了一个重要的概念突破, 他们用上面提到的 Szemerédi 正规性引理确立了一些图论中的结果, 包括现在被称为三角消除引理 (triangle removal lemma) 的引理, 其大致内容是说一个包含少数三角形的图中的三角形可以通过删除数目少得令人惊讶的边而消除。 他们随后发现前面提到的 Behrend 例子对这一引理的定量下界给出了某种极限, 特别是它排除了许多类型的初等方法 (因为那些方法通常给出多项式型的下界), 事实上迄今所知消除引理的所有证明都是通过正规性引理的某些变种。 将这一联系反过来应用, 人们发现其实三角消除引理蕴含了 Roth 关于长度 3 序列的定理。 这一发现首次开启了通过纯图论技巧证明 Szemerédi 型定理的可能性, 从而抛弃了问题中几乎所有的加性结构 (注意各态历经方法仍然保留了这一结构, 以作用在系统上的移位算符的面目而出现; Szemerédi 的原始证明也只是部分是图论的, 因为它在许多不同环节用到了序列的加性结构)。 不过, 一段时间之后人们才意识到图论方法与先于它出现的 Fourier 分析方法在很大程度上局限于检测象三角形或长度 3 序列那样的 “低复杂度” 结构, 检测更长的序列将需要复杂得多的超图理论。 特别是, 这启示了 (由 Frankl 和 Rödl 率先提出的) 一个计划, 意在寻找超图理论中正规性引理的类比, 这将足以产生象 Szemerédi 定理 (及其变种和推广) 那样的推论。 这被证明是一项复杂得令人吃惊的工作, 尤其是要仔细安排这种正规化中参数的等级[注十三], 使之以正确的顺序相互主导。 事实上, 能够从中推出 Szemerédi 定理的正规性引理及与之相伴的记数引理 (counting lemma) 的最终证明直到最近才出现。 Gowers 的很有教益的反例也是值得一提的, 它表明原始的正规性引理中的定量下界必须至少是塔状指数形式 (tower-exponential), 从而再次显示这一引理非同寻常的性质 (和力量)。 [译者注: 1. 三角形消除引理中的 “少得令人惊讶” 是相对于三角形的数目而言的, 它指的是用删除 O(n2) 条边来消除 O(n3) 个三角形。 2. 超图 (hypergraph) 是普通图的推广, 在其中边可以连接两个以上的顶点 (类似于多元关系)。]

自 Roth 之后未曾有实质进展的 Fourier 分析方法最终由 Gowers 做了重新考察。 和其它方法一样, Fourier 分析方法首先确立了整数集中的二向性, 即他们在某种意义上要么是有结构的, 要么是伪随机的。 这里的结构这一概念是由 Roth 提出的: 有结构的集合在中等长度算术序列上有一个密度增量, 但有关伪随机或 “均匀性” 的正确概念却没那么清楚。 Gowers 提出了一个反例 (事实上这一反例与前面提到的 Host 与 Kra 的例子有着密切的关系), 表明以 Fourier 分析为基础的伪随机概念对于控制长度 4 或更长的序列是不够的, 他随后引进了一个满足需要的不同的均匀性概念 (与 Host 和 Kra 的立方体平均有很密切的关系, 与某些超图正规性的概念也有关系)。 剩下的工作就是为二向性确立一个定量且严格的形式。 这却是一项困难得出人意料的工作 (主要是由于这一方法中 Fourier 变换的效用有限), 并且在许多方面与 Host-Kra 及 Ziegler 试图将特征因子赋予零系统代数结构的努力相类似。 但是, 通过将 Fourier 分析工具与诸如 Freiman 定理和 Balog-Szemerédi 定理等加性组合学的主要结果, 及一些新的组合与概率方法结合在一起, Gowers 用令人瞩目的高超技巧成功地完成了这一工作, 他并且得到了有关 Szemerédi 定理和 van der Waerden 定理的非常强的定量下界[注十四][译者注: Freiman 定理是一个有关具有小和集的整数集中算术序列性质的定理 (一个整数集 A 的和集 A+A 是由该整数集本身及其中任意两个数的和组成的集合, 小和集则是指 |A+A|<c|A| 的情形, 其中 c 为常数)。]

总结起来, 人们给出了 Szemerédi 定理的四种平行的证明; 一种是通过直接的组合方法, 一种是通过各态历经理论, 一种是通过超图理论, 还有一种是通过 Fourier 分析及加性组合学。 即便有了这么多的证明, 我们依然觉得有关自己对这一结果的理解还不完全。 比方说, 这些方法中没有一种强到能够检测素数中的序列, 这主要是由于素数序列的稀疏性 (不过, Fourier 方法, 或更确切地说 Hardy-Littlewood-Vinogradov 圆法, 可以用来证明素数中存在无穷多长度 3 序列, 并且在付出很大努力后可以部分地描述长度 4 序列)。 但是通过调和分析中的限制理论 (这是另一个我们将不在这里讨论的引人入胜的故事), Green 能够将素数 “当成” 稠密来处理, 由此得到了一个有关素数稠密子集的类似于 Roth 定理的结果。 这为相对 Szemerédi 定理 (relative Szemerédi theorem) 开启了可能性, 使人们能检测整数集以外的其它集合, 比如素数, 的稠密子集中的算术序列。 事实上, 一个与相当稀疏的随机集合的稠密子集有关的相对 Roth 定理 (relative Roth theorem) 的原型已经出现在了图论文献中。

在与 Ben Green 的合作[注十五]中, 我们开始试图将 Gowers 的 Fourier 分析及组合论证方法相对化到诸如稀疏随机集合或伪随机集合的稠密子集这样的情形中。 经过许多努力 (部分地受到超图理论的启示, 它已被很好地用来计算稀疏集合中的结构; 也部分地受到 Green 正规性引理的启示, 它将图论中的 “算术正规性引理” 转用到了加性理论中), 我们逐渐能够 (在一项尚未发表的工作中) 检测这类集合中的长度 4 序列。 这时候, 我们意识到了我们所用的正规性引理与 Host-kra 有关特征因子的构造之间的相似性。 通过对这些构造的置换[注十六] (特别依赖于立方体平均), 我们可以确立一个令人满意的相对 Szemerédi 定理, 它依赖于一个特定的转化原理 (transference principle), 粗略地说, 该原理断言稀疏伪随机集合的稠密子集的行为 “就好比” 它们在初始集合中就是稠密的。 为了将这一定理应用于素数, 我们需要将素数包裹在一个适当的伪随机集合 (或者更确切地说, 伪随机测度) 中。 对我们来说很偶然的是, Goldston 和 Yildirim 最近有关素数隙的突破[注十七][注十八]几乎恰好构造了我们所需要的东西, 使我们最终确立了早年的猜想, 即素数集包含任意长度的算术序列。 [译者注: 1. 这里提到的 Tao 与 Green 合作所得的结果 “素数集包含任意长度的算术序列” 被称为 Green-Tao 定理。 2. 这里提到的 Goldston 和 Yildirim 的工作, 及原文 [注十七] 提到的故事可参阅拙作 孪生素数猜想 及该文末尾的补注。]

故事到这里仍未结束, 而是继续沿几个方向发展着。 一方面转化原理现在已经有了一些进一步的应用, 比如获得高斯素数中的组团 (constellation) 或有理素数中的多项序列。 另一个很有前途的研究方向是 Fourier 分析、 超图理论及各态历经方法的彼此汇聚, 比如发展图论与超图理论的无穷版本 (它在其它数学领域, 如性质检验, 中也有应用), 或各态历经理论的有限版本。 第三个方向是使控制各态历经情形下的回归的零系统也能控制算术序列的各种有限平均。 特别是, Green 和我正在积极地计算素数及由零系统 (通过 Vinogradov 方法) 产生的序列之间的关联, 以便确立能够在素数中找到的各种结构的精确渐进形式。 最后, 但并非最不重要的是最初的 Erdös-Turán 猜想, 它在所有这些进展之后仍未得到解决, 不过现在 Bourgain 已经取得了一些非常有希望的进展, 这应该能引导出进一步的发展。 [译者注: 1. 高斯素数 (Gaussian prime) 是素数概念在高斯整数集 (即形如 m+ni 的复数组成的集合, 其中 m、 n 均为整数) 中的推广。 2. 有理素数 (rational prime) 是普通素数在高斯整数集中的称谓。]

3. 结论

如我们在上述个例研究中可以看到的, 好数学的最佳例子不仅满足本文开头所列举的数学品质判据中的一项或多项, 更重要的, 它是一个更宏大的数学故事的一部分, 那个故事的展开将产生许多不同类型的进一步的好数学。 实际上, 人们可以将整个数学领域的历史看成是主要由少数几个这类好故事随时间的演化及相互影响所产生的。 因此我的结论是, 好数学不仅仅是用前面列举的一个或几个 “局部” 品质来衡量的 (尽管那些品质无疑是重要且值得追求与争论的), 还要依赖于它如何通过继承以前的成果或鼓励后续发展来与其它好数学相匹配这样更 “全局” 的问题。 当然, 如果不凭借后见之利, 要确切地预言什么样的数学会具有这种品质是困难的。 不过实际上似乎存在某种无法定义的感觉, 使我们能感觉到某项数学成果 “触及了什么东西”, 是一个有待进一步探索的更大谜团的一部分。 在我看来, 追求这种对发展潜力的难以言状的保障, 对数学进展来说起码是与前面列举的更具体更显然的数学品质同等重要的。 因此我相信, 好数学并不是单纯的解题、 构筑理论、 对论证进行简化、 强化、 明晰化、 使论证更优美、 更严格, 尽管这些无疑都是很好的目标。 在完成所有这些任务 (及争论一个给定领域中哪一个应该有较高的优先权) 的同时, 我们应该关注我们的结果所可能从属的任何更大的范围, 因为那很可能会对我们的结果、 相应的领域, 乃至整个数学产生最大的长期利益。

4. 鸣谢

感谢 Laura Kim 阅读并评论本文的早期文稿, 以及 Gil Kalai 的许多深思熟虑的评论与建议。

注释

  1. 这一等级看来与 Furstenberg 在其使保测体系 “正规化” 的类似探索中所遇到的一系列拓展有关, 尽管我们现在对其确切关联还了解得很少。
  2. 同样值得一提的是 Shelah 有关 van der Waerden 定理的杰出的创造性证明, 它曾经保持着有关这一定理的最佳常数的纪录。
  3. 顺便说一下, 我最初被这些问题所吸引是因为它们与另一个重大的数学故事, 我们在此处没有篇幅讨论的 Kakeya 猜想, 之间的联系。 它们与前面提到的有关限制理论的故事之间的关系则是多少有点出人意料的。
  4. 出于几个原因, 这里有一点技巧性。 最明显的是各态历经构造本质上是无穷的, 但为了处理素数却必须在有限的情况下使用。 幸运的是, 我曾经尝试过将各态历经方法有限化以便应用于 Szemerédi 定理。 虽然那一尝试在当时并不完全, 但后来发现它足以对我们研究素数提供帮助。
  5. 在我们写论文的时候, 我们所采用的构造来自于 Goldston 和 Yıldırım 的一篇文章, 那篇文章曾因为一个与我们工作无关的缺陷而被他们收回, 后来他们通过一些聪明的新想法弥补了缺陷。 这对我们前面提到的一个观点, 即一项数学工作不一定要在所有细节上都绝对正确才能对未来的 (严密) 工作有所助益, 是一种支持。
  6. 有关素数隙的故事也是一个我们无法在这里讲述的有趣的故事。

附录: Alain Connes 的评论

Good Mathematics?

... ... 很难评论 Tao 的这篇文章, 第二部分有关 Szemeredi 定理的个例不错且很有趣, 但第一部分有那种艺术家试图通过一系列标准来定义美的痛苦意味。 这种类型的判断是如此主观, 我很真切地感到除了显而易见的傲慢自大外没学到任何东西 ... ... [译者注: Connes 提到的这种 “傲慢自大” Tao 自己也提到了, 并试图予以说明 (本译文 上篇 最后两段), 但看来 “Resistance is Fertile”。 还是 Hardy 看得比较透彻, 他说: “对一位职业数学家来说, 发觉自己在 writing about mathematics 是一种郁闷的感觉”, Hardy 自己虽然也做了这件 “郁闷” 的事, 但那时他已经 63 岁, 比 Tao 大了一倍。]

Alain Connes 发表于 "Noncommutative Geometry" (2007-02-19)

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