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发表于 2021-9-12 12:44
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关于华林问题
本帖最后由 qwerty 于 2021-9-13 10:06 编辑
关于华林问题
数论中有许多问题是关于正整数的表示方法的,就是给你一个正整数,能否表示某类数的和,最简单的是一个偶数可以表示成为两个奇数的和。这个问题太浅显了。
如果把奇数换成素数,就十分困难,因为素数一稀少二混乱。这个就是大家知道的哥德巴赫猜想。 特殊类型的数,除了奇数偶数,素数之外,还有平方数,立方数,四次方数,....。
一个容易想到的是:任何正整数是否可以表示成为两个平方数之和?例如
\(2=1^2+1^2\),
\(4=2^2\) ,
...
\(9=3^2=1^2+2^2+2^2\)
\(15=1^2+1^2+2^2+3^2\)
两个平方和不行,三个平方和也不行,从上面例子看,四个平方和是否行呢? 这个问题看起来很简单,其实很难。这个问题在巴夏公元三世纪数学家丢番图首先总结出来,十八世纪数学家欧拉没有能够证明出来。 第一个证明的是拉格朗日,他的证明用了欧拉的一个公式:\(x^2+y^2+z^2+u^2=(a^2+b^2+c^2+d^2)(p^2+q^2+r^2+s^2)\)
华林猜想
由平方数自然想到立方数,四次方数.....。但是,方幂越高,这样的方幂数就越少,因此,是否能够用有限个来表示每一个正整数就成问题。 1770年,华林发表了【代数沉思录】,其中说,每一个正整数至多是9个立方数之和;至多是19个四次方之和。还猜想,每一个正整数都是可以表示成为 至多r个k次幂之和,其中r依赖于k。
过程
这个问题发表以后,许多人进行了验证,一个正整数表示成为立方和至少需要9个立方数,第一个需要9个立方数的是23,第二个是239,但是,对于较大的正整数往往只需要7个或者6个立方数。这个就促使人们把所有正整数区分开来:
我们通常用g(k)表示每一个正整数至多可以表示为 g(k) 个k次方数之和。由g(k)定义知:华林问题就是:
g(2)=4},g(3)=9}, g(4)=19, g(5)=37,....。 第一个证明超越数存在的刘维尔证明了 g(4)}≤53,他的想法很简单,借助一个恒等式:
\(6n^2=6(x^2_1+x^2_2+x^2_3+x^2_4)^2=\displaystyle\sum_{i,j=1}^4 (x_i+y_j)^4+\displaystyle\sum_{i,j=1}^4 (x_i-y_j)^4\)
因为任何一个n可以表示成为四个平方数之和,所有 \(6n^2\)形数可以表示成为12个四次方之和。 ....。一直到20世纪初,53改进为38.。
= 研究进展=
1909年,大卫·希尔伯特首先用复杂的方法证明了g(k)的存在性。1943年,U.V.林尼克给出了关于g(k)存在性的另一个证明。然而,尽管g(k)的存在性已被证明,人们尚且无法知晓g(k)与k之间的关系。华林自己推测g(2)=4,g(3)=9,g(4)=19。
1770年,拉格朗日证明了拉格朗日四平方和定理,指出g(2)=4。1909年亚瑟·韦伊费列治证明了g(3)=9。1859年, 刘维尔证明了g(4)<=53;哈代和李特尔伍德得到g(4)<=21, 1986年巴拉苏布拉玛尼安证明了g(4)=19。1896年马力特得到g(5)<=192.
事实上,莱昂哈德·欧拉之子J.A.欧拉猜想:\((g)k=2^k+[(3/2)^k]-2\),("[q]"表示"q"的整数部分)。至1990年,对于6<k<471600000此式已经被计算机验证为正确。
更强的问题
由于g(k)的值严重依赖于正整数较小时的情况,人们提出了一个更强的问题,求对于每个充分大的正整数,可使它们分解为k次方数的个数G(k)。此问题进展较慢,至今G(3)仍无法确定。
问题还有不少
华林-哥德巴赫问题
假如表示正整数的平方数,立方数,四次方数,...限制为素数的平方,立方,四次方,...,那么问题会更加困难。已经知道,每一个充分大的奇数可以等于9个素数立方之和。
表法数问题
任给一个正整数都是可以表为四个平方数之和。更加进一步问,给你一个正整数,表示成为四个平方数的不同表示法有多少种?对于四平方和问题,早已解决了,但是,对于立方和,四次方和,...仍然非常困难。 |
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