MathLabs

解法: MRDP定理:ディオファントス集合は帰納的可算集合と一致する(1970年)

ステップ 6/9: Matiyasevich 1970年:フィボナッチ数はディオファントス的な速さで増大する
ざっくり言うと

フィボナッチ数 FnF_n(1,1,2,3,5,8,13,…1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, \ldots、それぞれ直前の二つの和)は単純な加法によって定義されるが、指数的に速く増大する——おおよそ黄金比 φ\varphi に対する φn\varphi^n のように。1970年、22歳のソビエトの数学者Yuri Matiyasevichは、これらの数がRobinsonのJR仮説が必要としていたまさにその種の指数的増大関係を、その整除性のみを通じて表現可能な形で隠し持っていることに気づいた。

彼は、関係 v=F2uv = F_{2u}(偶数番目のフィボナッチ数であり、uu に対して指数的に増大する)自体が、「FmF_m が FnF_n を割り切るのはちょうど mm が nn を割り切るとき」といった恒等式を用いて、真の多項式方程式によって特定できることを証明した——Robinson、Davis、Putnamが残した18年の隙間を埋めたのである。

v=F2u   ⟹   ∃ polynomial Q, Q(u,v,x1,…,xk)=0  ⟺  v=F2uv = F_{2u} \ \implies \ \exists \text{ polynomial } Q,\ Q(u,v,x_1,\ldots,x_k)=0 \iff v = F_{2u}
詳しい解説

1970年、Yuri Matiyasevichは、F0=0,F1=1,Fn+1=Fn+Fn−1F_0=0, F_1=1, F_{n+1}=F_n+F_{n-1} で定義されるフィボナッチ数 FnF_n を用いて、欠けていたJR関係を供給した。黄金比 φ=(1+5)/2\varphi = (1+\sqrt{5})/2 について Fn∼φn/5F_n \sim \varphi^n/\sqrt{5} であるから、関係 v=F2uv = F_{2u} は uu に対して指数的に増大し、まさにRobinsonのJR仮説が要求した種類の増大である。

Matiyasevichは、フィボナッチ数の間の深い整除の恒等式——最も重要なのは Fm∣Fn  ⟺  m∣nF_m \mid F_n \iff m \mid n と gcd⁡(Fm,Fn)=Fgcd⁡(m,n)\gcd(F_m, F_n) = F_{\gcd(m,n)} である——と、行列の恒等式 (1110)n=(Fn+1FnFnFn−1)\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}^n = \begin{pmatrix} F_{n+1} & F_n \\ F_n & F_{n-1} \end{pmatrix} を利用することで、v=F2uv = F_{2u} 自体がディオファントスであることを証明した。この行列の恒等式はフィボナッチ数をペル型方程式の解に結び付け、その再帰的な定義を純粋に多項式的な制約の有限系として書き直すことを可能にする。

これはまさに、ほぼ二十年前にRobinsonが特定していたJR仮説そのものであり、Robinson、Davis、Putnamからの帰着の連鎖を完成させる:Robinsonがすでにあらゆる JR関係から従うことを示していたべき乗、二項係数、階乗は、今やすべて真にディオファントスとなる。

このステップの用語
フィボナッチ数列
F0=0,F1=1,Fn+1=Fn+Fn−1F_0=0, F_1=1, F_{n+1}=F_n+F_{n-1} で定まる数列であり、黄金比 φ\varphi について φn\varphi^n のように指数的に増大し、Matiyasevichがそれをディオファントスにするために利用した豊かな整除の恒等式を満たす。
このステップで使う知識