破解数学史上的世纪难题


一个印度数学家在上世纪初提出的谜题终于获解。

斯里尼瓦萨·拉马努金(Srinivasa Ramanujan)是一位自学成才的印度数学家,32岁就英年早逝的他,给我们留下了一笔重要遗产。他提出的一些猜想像谜一般困扰着当代数学家,直到今天,数学家才真正理解了他在去世前一年,也就是1919年所写下的一个神秘论断。

天才数学家拉马努金(1887-1920)

这个论断涉及的整数分拆看起来似乎是一个很简单的概念。所谓分拆就是把一个整数分成若干个较小的整数。例如,5这个数有如下7种分拆方法:

5, 1+1+1+1+1, 1+1+1+2, 1+1+3, 1+2+2, 1+4, 2+3

我们可以说5的分拆数是7,而数学家则用p(5)=7来表示5的这种性质。对6来说,分拆方法有11种,因此可以记为p(6)=11。一般而言,我们用p(n)表示整数n的分拆数,当n变大时,p(n)很快便开始迅速增长,比方说p(100)=190569292,而p(1000)则是一个32位的天文数字。

多个世纪来,数学家竭尽全力想要弄清分拆数的奥秘,途径之一便是寻找能把各个分拆数联系起来的规律。拉马努金注意到,对于从9开始以5为公差数递增的整数序列,每个数的分拆数皆可被5整除:p(9)=30,p(9+5)=135,p(9+10)=490,p(9+15)=1575……他猜想,这个规律对该序列中的所有数都成立,并指出如果用紧接5之后的两个素数(即7或11)代替5,或用5、7、11的幂代替5,都应该有类似的规律存在(素数就是仅能被本身和1整除的整数)。因此,以5的立方为例,应该存在一个公差为5的立方(即125)的无穷整数序列,其中每个数对应的分拆数p(n)都能被125整除。接下来,拉马努金又以玄妙莫测的语气写道,对于更大的素数,应该找不到相应的“简单性质”。也就是说,对于13、17、19以及之后的所有素数,不存在对应的能全部被该数整除的分拆数序列。此后的多少年里,研究人员曾苦苦寻找可以把这些较大的质数联系起来的公式,但全都铩羽而归。

今年1月,美国埃默里大学数学家肯·奥诺(Ken Ono)及其合作者终于找到了一个解。对于以13的幂(13、13的平方、13的立方等)以及更大素数的幂为公差递增的整数序列,他们首次描述了显示分拆数规律的若干公式。不过,这些公式没有那么“简单”,表达的不是p(n)可被13的幂整除,而是相除后所得余数之间的关系。对于每个素数,随着指数的增大,这些公式的形式很容易让人想起分形(fractal)——也就是在多个尺度上,总会呈现出相同模式或形状的一些结构。


视频:绝美的分形

同样在今年1月,奥诺和另外一位合作者还公布了另一项成果:获得了第一个可以直接计算出任何整数n的分拆数p(n)的公式。这是多个世纪以来数学家一直梦寐以求,却始终未能实现的目标。

这些新的发现会不会有什么实际用途?这很难说,美国宾夕法尼亚州立大学的乔治·E·安德鲁(George E. Andrews)说,“基础性纯数学研究获得的深奥认识,或许要经过较长时间后才能逐渐渗透到实际应用中。”

原文来源: 环球科学•数学篇
作  者: Davide Castelvecchi
翻  译: 郭凯声
校  对: 褚波
推荐人: 刘明,《环球科学》新媒体经理/资深编辑