數(shù)學家眼中的哥德巴赫猜想

也許是因為徐遲的那篇充滿激情和詩意的報告文學,也許是因為歷史的因緣湊合,哥德巴赫猜想居然成了中國人家喻戶曉的一個名詞。這個詞代表了一段傳奇,代表了一代人的集體記憶,也代表了一個民族的光榮和夢想。

直到今天,仍然有難以計數(shù)的人們,有大學老師、中學老師,甚至工人、農民,為哥德巴赫猜想著魔。那么,哥德巴赫猜想是神秘莫測還是明白易懂的呢?數(shù)學家劉建亞不久前在紀念潘承洞院士的講演中,再次提出哥德巴赫猜想問題,以下是部分節(jié)錄。 

 

數(shù)學王子高斯有一句名言:“數(shù)學是科學的女王”;他又講:“數(shù)論是數(shù)學的王冠”。俄國數(shù)學家辛欽曾經評論說,哥德巴赫猜想是王冠上的一顆明珠。當然,這個王冠上可能還有其它明珠。

哥德巴赫并不是職業(yè)數(shù)學家,而是一個喜歡研究數(shù)學的富家子弟。他于1690年生于德國哥尼斯堡,受過很好的教育。哥德巴赫喜歡到處旅游,結交數(shù)學家,然后跟他們通訊。1742年,他在給好友歐拉的一封信里陳述了他著名的猜想――哥德巴赫猜想。歐拉在回信中說,他相信這個猜想是正確的,雖然他不能給出證明。

用當代語言來敘述,哥德巴赫猜想有兩個內容,第一部分叫做奇數(shù)的猜想,第二部分叫做偶數(shù)的猜想。奇數(shù)的猜想指出,任何一個大于等于7的奇數(shù)都是三個素數(shù)的和。偶數(shù)的猜想是說,大于等于4的偶數(shù)一定是兩個素數(shù)的和。

任何人看了這個猜想之后,都能發(fā)現(xiàn)這是一個漂亮的猜想。本人認為,一個好的猜想應該具備以下四個條件。第一,它的表述應該很簡單,大凡智力正常的人一聽就能明白。我相信,小學四、五年級的學生都能明白哥德巴赫猜想的內容。第二個條件,雖然表述很簡單,但是這個猜想的證明斷然不能簡單。第三點,一旦有了證明,這個證明一定是出人意料的。一個好的猜想的證明一定是有趣的,絕對不能像愚公移山一樣,天天重復同樣枯燥的工作,重復了上萬年,才取得成功。第四點,這個猜想絕對不能是孤立的,任何孤立的猜想在數(shù)學中都沒有太大的意義。一個好的猜想的研究應該可以提升到人類文化史的高度上來看,能夠帶動其它相關領域,甚至是數(shù)學以外的學科的發(fā)展。具備上面這四點,那就是一個偉大的猜想。我個人認為,哥德巴赫猜想就具備以上這四個條件。

給定一個猜想,人們可以用各種各樣的方法進行研究。譬如,對于哥德巴赫猜想,有人可能用數(shù)手指頭的方法來研究,這人可能是小學生。有人想用打算盤的方法來研究,那這人可能是一個小店的會計兼出納。真正研究這個猜想,則需要可以看出數(shù)學的特性――數(shù)學是在所有科學當中唯一能夠處理無窮的學科。我們不能用做實驗的方法來研究哥德巴赫猜想。計算機算得再快,也只能在有限時間內算有限個數(shù);然而,遺憾的是,奇數(shù)和偶數(shù)都有無窮多個。所以,這個猜想讓迷信實驗的人非常沮喪。不過,在最好的計算機所能算到的范圍之內,哥德巴赫猜想全是對的

相對來講,奇數(shù)的猜想比較容易,因為它是偶數(shù)的猜想的推論。如果每個大偶數(shù)都能寫成兩個素數(shù)之和,那么我們就能夠證明任何大奇數(shù)都是三個素數(shù)之和,因為任何奇數(shù)減去3都是一個偶數(shù)。

關于哥德巴赫猜想的研究,歷史上第一個重要文獻是哈代和李特伍德1921年的偉大論文,在這篇長達70頁的文章里,他們提出了圓法。哈代在英國皇家學會演講時說:“我和李特伍德的工作是歷史上第一次嚴肅地研究哥德巴赫猜想”,雖然此前很多有名的數(shù)學家都研究過這個猜想,甚至有人宣布證明了猜想。然而,哈代和李特伍德對奇數(shù)猜想的證明依賴于一個條件――廣義黎曼猜想――這個猜想到現(xiàn)在也未被證明。在英國人看來,哈代重振了牛頓以后的英國分析。 

1937年,俄國數(shù)學家維諾格拉朵夫(I.M.Vinogradov)無條件地基本證明了奇數(shù)的哥德巴赫猜想。維諾格拉朵夫定理指出,任何充分大的奇數(shù)都能寫成三個素數(shù)之和。也就是說,在數(shù)軸上取一個大數(shù),從這個數(shù)往后看,哥德巴赫猜想都對;在這個數(shù)前面的奇數(shù),需要用手或計算機來驗證。然而,至今計算機還未能觸及那個大數(shù)。

維諾格拉朵夫的證明發(fā)表之后,又出現(xiàn)了幾個新證明。這些證明既簡潔,又提供了完全不同的方法。在這些新證明中,有三個特別應該強調的:一個是俄國數(shù)學家林尼克(Yu.V.Linnik)的,再一個是潘承洞先生的;還有英國數(shù)學家沃恩(R.C.Vaughan)的。在相當長的一個階段內,人們認為林尼克是離哥德巴赫猜想很近的人,他對哥德巴赫猜想進行了深入的研究。與此同時,他還是一個很好的數(shù)理統(tǒng)計學家。

很遺憾,偶數(shù)的哥德巴赫猜想到現(xiàn)在都沒有得到證明。但是,數(shù)學家們從各個方向逼近這個猜想,并且取得了輝煌的成就。其中,命題(1+2)的證明是陳景潤先生完成的。 

中國科技信息研究所加工整理 20030211