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费马大定理-模形式
作者:张天蓉 天舸 | 2024/9/27 20:09:26 | 浏览:1157 | 评论:0

怀尔斯证明费马大定理有三大要素:椭圆曲线、模形式、谷山-志村猜想,此篇介绍其二。

费马大定理-模形式


拉马努金是数学神才,他发现了数不尽的奇妙的数学公式,他研究这些公式的奇特性质。今天我们就从他写下的一个表达式开始……

费马大定理-模形式

图1:拉马努金tao函数


拉马努金(Ramanujan,1887-1920)研究的,乍一看好像也不是什么深奥的函数,展开后只是一个q的多项式级数而已。不过,拉马努金就是拉马努金,他善于发现一般人看不见的数学奥秘。他考察这个多项式的系数t(n),发现一些特点,比如下面这个,系数t(n)之间有种奇怪的关联:


如果m和n互质,则t(mn)= t(m)t(n)。            (公式1)


比如说,2和3是互质的,t(2)=-24,t(3)=252,计算t(2)xt(3)=-24*252=-6048,正好等于t(2x3)= t(6)。还可以检查别的互质数对应的系数,发现它们都符合(公式1)。


有关这个D(q)函数,拉马努金还发现了其它几个有趣的性质,他把它们总结成了几个猜想,我们不在这儿一一列举了。这种类似的函数还有很多别的,比如:

费马大定理-模形式  

等等。


以上所说的,与 D(q)具有“类似”性质的函数,被数学家们称之为“模形式”,在数学上,模形式(Modular form)被定义为一个上半复数平面上的全纯函数f(z):


费马大定理-模形式


其中k是整数,叫做模形式的权。例如,拉马努金研究的D(z)函数,是权k=12的判别模形式。


比拉马努金更早,模形式还有另外一位老祖宗:德国犹太人数学家爱森斯坦(Einsenstein,1823-1852)。爱森斯坦是喜欢数论的小神童,不幸从小健康不佳,患有脑膜炎等疾病,他于29岁时就死于肺结核。爱森斯坦由于研究数论的原因而研究模形式,并作出重要贡献。爱森斯坦以最简单的模形式“爱森斯坦级数”闻名,另一位同时代的德国数学家克罗内克(Leopold Kronecker ,1823–1891)也对此作出贡献,见图2。


几个世纪以来数学家们一直对模形式丰富的对称性着迷。模形式越来越多地出现在各种各样的问题中:它们是怀尔斯 1994 年证明费马大定理的关键要素;乌克兰数学家,2022年菲尔兹奖得主马林娜用它解决高维空间的球体堆积问题;它们在朗兰兹纲领(“数学大统一理论”)中发挥着核心作用;它们甚至被用来研究物理中的弦论和量子物理学中的模型。


费马大定理-模形式

图2:爱森斯坦模形式


在数学的发展过程中,开始时各个领域犹如一个个孤岛,之后,数学家们在孤岛之间架起桥梁,不仅应用不同的知识解决了难题,也建立起新的数学分支。例如,在数论的发展过程中就架起了多个桥梁,发展出了初等数论、解析数论、代数数论和几何数论四个部分。属于解析数论的模形式,便是复分析与数论之间的一座“桥梁”。人们可以通过模形式,利用复分析的工具,来研究整数的性质,解决数论难题。黎曼猜想中使用的黎曼zeta函数也是解析数论中的一个核心函数,它编码了有关素数分布的重要信息。   

为什么模形式更重要呢?因为它是一种在复上半平面上表现出特殊对称性的全纯函数。具有高度对称性的函数在科学研究中有重要的意义,最典型的例子就是三角函数(正弦、余弦函数),它们在物理及工程中的作用广为人知。模形式的对称性是如此惊人和复杂,使模形式比三角函数更为强大,特别是对数论问题而言,它们可用于编码有关整数的深层算术信息。


从模形式f(z)的定义来看,它们在离散矩阵群SL2(Z)的作用下以特定的线性分式的方式变换。模形式的对称性由2×2 的特殊线性群定义,其中矩阵中的四个数字始终为整数。


费马大定理-模形式


你可能会说,从三角函数的图像就可以看出它们的对称性,而模形式长什么样呢?怎么看出它们的对称性呢?的确如此,复数函数很难形象化,因为它是从一个复数平面映射到另一个复数平面,需要4维图像才能画出来。因此,目前的办法是求助于颜色和亮度,一定程度上也可以看出函数的对称性。


模形式定义在复数的上半平面H,H可以由共形映射转换到单位圆盘D中的点。因此,模形式的对称性可以用一个彩色的单位圆盘D来表示。有时也用H的方形彩色图表示。


例如,下图是判别模形式的图案:

费马大定理-模形式

图3:判别模形式


从中可看出,有平移对称性、反射对称性、周期性、和自相似性。


最简单的模形式“爱森斯坦级数”的图像:   

费马大定理-模形式

图4:爱森斯坦级数


模形式与椭圆函数密切相关,关键关系在于“模性定理”(之前也称为谷山-志村猜想),我们将于下一篇介绍。


参考资料:

Zagier, D.(2008). "Elliptic Modular Forms and Their Applications," in The 1-2-3 of Modular Forms(edited by K. Ranestad), Springer, Berlin, Heidelberg.   


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