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ヒルベルトの第10問題

解決済み、1970年数学の基礎算術と数論ヒルベルト #10
問題の内容

任意のディオファントス方程式(一つ以上の未知数について整数係数を持つ多項式方程式)が与えられたとき、それが整数解を持つかどうかを有限回の手順で判定する、一般的なアルゴリズムを考案せよ。

否定的な解答は、現在MRDP定理(マティヤセビッチ・ロビンソン・デイヴィス・パトナムの定理)と呼ばれ、段階を経て築かれた。1953年、マーティン・デイヴィスは、整数の再帰的可算集合はすべて、あるディオファントス方程式族の解集合と一致すると予想した——これは(チューリングの停止問題に由来する)判定不能性を数論へ移すために必要な鍵となる着想であった。ジュリア・ロビンソンは、指数的に増大するディオファントス関係(「JR仮説」)という本質的な技術的要素を特定した。1961年、デイヴィス、ヒラリー・パトナム、ロビンソンは、指数ディオファントス方程式についてデイヴィスの予想の一形態を証明し、問題全体を、真にディオファントス的(多項式的)である指数増大の関係を一つ見つけることに帰着させた。ユーリ・マティヤセビッチは1970年にその欠けていた部分を補い、フィボナッチ数列がディオファントス条件を満たすことを示し、証明を完成させて、そのようなアルゴリズムが存在しえないことを示した。

MRDP定理は、ディオファントス集合が正確に再帰的可算集合と一致することを示しており、これには顕著な帰結がある。すなわち、複数の変数を持つ一つの多項式が存在し、その変数を非負整数の範囲で動かしたときに取る正の値がちょうど素数全体に一致する、というものである。また、多様体上の整数点の存在やフェルマー型方程式など、他の多くの古典的問題も、一般的なアルゴリズムによる判定法を持たないことになる。変数の個数をあらかじめ小さく固定した方程式に限定した場合や、有理数 Q\mathbb{Q} のような他の環上で考えた場合(Q\mathbb{Q} 上のヒルベルトの第10問題は2026年時点で未解決である)については、今も活発な研究分野となっている。

参考文献

  1. Yuri Matiyasevich (1970). Enumerable sets are Diophantine · DOI:10.1007/bf01693980
  2. Yuri Matiyasevich (1993). Hilbert's Tenth Problem
  3. Martin Davis (1973). Hilbert's Tenth Problem is Unsolvable · DOI:10.1080/00029890.1973.11993265