陶哲轩与埃尔德什差异问题

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  2015年9月17日,2006年菲尔茨奖得主、华裔数学家陶哲轩宣布破解了80年悬而未决的埃尔德什差异问题(the Erdos Discrepancy Problem),关于解决这个问题的论文预印本发表在arXiv,org(全球最大的预印本系统)上。
  埃尔德什差异问题由数学家保罗·埃尔德什(Paul ErdSs)在1932年提出,指的是在任意只由1和-1组成的无限数列中,能找到项与项之间等距的有限子列,使子列各项之和的绝对值大于一个任意大的常数c,和许多数论问题一样,埃尔德什差异问题描述起来很简单,但证明难度却很大,埃尔德什于1996年去世,没能看到这一问题被证明。
  从直觉上看,对有些数列而言,这个问题的答案非常简单:在只有1的数列中,把各项加起来一定能得到任意大的数;对无限数列(-1.1.-1.1.-1.1.…)来说,要找到一个各项之和大于2.且间隔固定的子数列,取第二位和第四位就行;要找到各项之和大于4的子数列,可以取第二位、第四位、第六位、第八位;无论多大的数,都能在(-1.1.-1.1.-1.1)中找到加起来等于这个数的子数列,但埃尔德什的猜想是,无论这些正负1怎么排列,这个结论都成立:给出一个任意大的常数,就能找到这样的数列。
  这到底是什么意思呢?假设你和你的朋友玩一个抛硬币游戏,掷出正面,你往左走一步;掷出反面,你往右走一步,你知道他在硬币上做了手脚,出来正面还是反面,他说了算,但你也有杀手锏:你可以忽略某些硬币的结果,忽略的方法就是:每过固定数量的硬币就有一个算数,剩下的全不算,具体隔几个,你在结束的时候说了算,埃尔德什猜想的意义在于,虽然你最后往左还是往右,你说了不算,但是你想离出发点多远,就能有多远。
  陶哲轩的证明说明了埃尔德什的猜想是对的,但他并没有给出计算这个数值的方法,虽然他的证明还没有经过严格的同行评议,但数学家们对他的结果很有信心,“我绝对相信他的结果”,以色列希伯来大学的数学家吉尔·卡莱(Gil Kalai)这样说道。
  数学家们最近一次向这个问题发起挑战的行动始于2009年12月,并在2010年组建起了团队,来自剑桥大学的数学家蒂莫西·高尔(Timothv Gowers)建议用“博学项目”(Polymath Project)(一个数学家合作的在线平台)来解决这个问題,陶哲轩是这个项目的几十位参与者之一。
  这次合作在2012年告一段落,但数学家们确定了只要能证明埃尔德什猜想对一类数列成立,就能推广到普遍情况,这种数列是这样的:在质数项中,数值是随机的,但其它项的数值是它的质数因子项上的数值的积,比如说,第十五项的数值是第三项和第五项的积。
  2014年2月,研究人员用计算机证明了埃尔德什问题的一个特殊情况:子列的和一定能大于2.但没能证明一定能大于3.陶哲轩的证明说明了这个和一定能大于任意大的有限数。
  在研究人员用计算机证明了埃尔德什问题的一个特殊情况后,数学家们在很长一段时间里都没能取得新的进展,2015年9月初,陶哲轩的博客收到了一条评论,提醒他正在研究的另一个问题可能与埃尔德什猜想有关,陶哲轩在一封电子邮件中这样写道:“一开始,我觉得这两个问题之间的联系只是表面的,”但他很快意识到,将新思路和之前的结果结合在一起,很可能可以得到问题的证明,过了不到两周的时间,他就发表了论文,并在致谢信中感谢了这位评论者——图宾根大学的数学博士尤威·斯特罗斯基(Uwe Stroinski)。
  陶哲轩把论文发表在了菲尔茨奖得主、英国数学家蒂莫西·高尔创办的开源期刊《离散分析》上,这本免费在线期刊提供了传统的同行评议,由于只接受已经发表在arXiv,org上的论文,所以避免了大量的发行成本,“蒂莫西·高尔的期刊是对论文完全开源出版的一次前景大好的实验,”陶哲轩说。
  埃尔德什经常对自己提出的猜想提供现金奖励,他为解决埃尔德什差异问题设立的奖金是500美元,在他去世后,别人接管了这些奖金的颁发事宜,埃尔德什在陶哲轩申请普林斯顿大学的博士项目时,曾为他写过推荐信,陶哲轩也被问到,如果别人决定把奖金授予他,会不会真的去领奖,他的回答是:“在埃尔德什还在世的时候,传统做法是不兑现奖金支票,人们一般会把它裱起来。”
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