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数学史与数学哲学

19至21世纪的数学

以 ∀ε>0 ∃δ>0:0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0:0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon 定义使分析学严格化,伽罗瓦判据将“根式可解”与群结构联系起来,黎曼流形 ds2=gij dxidxjds^2=g_{ij}\,dx^i dx^j 与黎曼ζ函数 ζ(s)=∑n=1∞n−s\zeta(s)=\sum_{n=1}^{\infty} n^{-s},康托尔的集合论,以及希尔伯特纲领、格罗滕迪克概形直至当今开放问题的历程。

直观从严格性到研究前沿的旅程

到1800年,微积分已经辉煌了两个世纪,但地基却并不稳固:没有人能精确说清“无穷小量”到底是什么。19世纪用严密的逻辑填补了这一空白;20和21世纪则打开了牛顿与莱布尼茨从未想象过的大门——抽象结构、超过三维的空间,以及由机器验证的证明。本主题正是沿着这条轨迹展开:从极限的 ε\varepsilon-δ\delta 定义,经过伽罗瓦的群论与黎曼的几何学,直到格罗滕迪克的概形、佩雷尔曼对庞加莱猜想的证明,以及当今借助人工智能的形式化验证。

复平面上显示零点与极点的复变函数着色图
复变函数的定义域着色图:19世纪的分析学家(柯西、黎曼)研究复平面上的函数,其中零点与极点揭示了深刻的结构——至今未被证明的黎曼假设,正是关于ζ函数零点确切位置的论断。

中学分析学的严格化:极限的 ε\varepsilon-δ\delta 定义

定义: 柯西–魏尔斯特拉斯极限

我们说 lim⁡x→af(x)=L\lim_{x\to a}f(x)=L 是指:∀ε>0 ∃δ>0:0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0:0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon。用文字来说:无论你对输出要求的容差 ε\varepsilon 多么小,在输入端 aa 周围总存在一个半径为 δ\delta 的窗口能够保证这一点。柯西(1821年)以及后来的魏尔斯特拉斯,为牛顿与莱布尼茨仅凭直觉描述为“趋近”某极限的概念,赋予了这种基于量词的精确含义。

∀ε>0 ∃δ>0:0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0:0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon

每个符号都承载着含义:∀ε>0\forall\varepsilon>0 表示“对任意正容差”,∃δ>0\exists\delta>0 表示“存在一个正的输入半径”,而蕴含式 0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon 表示只要落在 aa 的 δ\delta 邻域内(但不等于 aa),就必然使 f(x)f(x) 落在 LL 的 ε\varepsilon 邻域内。仅这一行,就取代了两个世纪里关于“消逝量”的含糊论证,使数学家能够证明——而不仅仅是相信——关于连续性、导数与收敛性的命题。

大学伽罗瓦理论:用群结构看根式可解性

定义: 伽罗瓦可解性判据

埃瓦里斯特·伽罗瓦为每个多项式方程都对应了一个群——它的伽罗瓦群,即保持各根之间一切有理关系的对称群——并证明了:该方程可用根式求解(用 +,−,×,÷+,-,\times,\div 与 nn 次根构成的公式求解),当且仅当这个群是可解群,也就是说存在子群链 1=G0◃G1◃⋯◃Gk=G1=G_0\triangleleft G_1\triangleleft\cdots\triangleleft G_k=G,使每个商 Gi+1/GiG_{i+1}/G_i 都是交换群。例如,Q\mathbb{Q} 上的 x3−2x^3-2 的伽罗瓦群是 S3S_3,通过链 1◃A3◃S31\triangleleft A_3\triangleleft S_3 可解(两个商 A3/1≅Z/3ZA_3/1\cong\mathbb{Z}/3\mathbb{Z} 与 S3/A3≅Z/2ZS_3/A_3\cong\mathbb{Z}/2\mathbb{Z} 都是交换群)。

1◃A3◃S31\triangleleft A_3\triangleleft S_3

相比之下,像 x5−x−1x^5-x-1 这样的一般五次方程,其伽罗瓦群是 S5S_5,而 S5S_5 不可解——它唯一的正规子群是 11、A5A_5 和 S5S_5 本身,而 A5A_5 是单群且非交换,因此不存在交换商的链。这正是用伽罗瓦语言表述的阿贝尔–鲁菲尼定理:五次(或更高次)方程不存在通用的根式求解公式,尽管像 x5−1x^5-1(其根是5次单位根,伽罗瓦群为交换群,因而可解)这样特定的五次方程仍可用根式求解。

19世纪也把几何学从欧几里得式的平坦性中解放出来。伯恩哈德·黎曼提出,在任意光滑空间上,可以通过度量 ds2=gij dxidxjds^2=g_{ij}\,dx^i dx^j(重复指标求和)内在地测量距离:距离与角度可以在每一点由张量 gijg_{ij} 读出,而无需把空间嵌入更大的平坦空间。在同样发表于1859年、关于素数计数的研究中,黎曼把级数 ζ(s)=∑n=1∞n−s\zeta(s)=\sum_{n=1}^{\infty} n^{-s} 延拓为复变量 ss 的函数,并猜测其所有非平凡零点的实部都等于 1/21/2——这就是黎曼假设,至今仍是公开问题,并且在理解素数分布中处于核心地位。

ds2=gij dxidxjds^2=g_{ij}\,dx^i dx^j
ζ(s)=∑n=1∞n−s\zeta(s)=\sum_{n=1}^{\infty} n^{-s}

与此同时,格奥尔格·康托尔建立了严格的无穷集合理论,并证明了(见下文定理1)某些无穷确实比另一些无穷更大——实数集 R\mathbb{R} 无法像自然数那样被排成一个数列。1900年,在巴黎举行的国际数学家大会上,大卫·希尔伯特为这个严谨的世纪加冕:提出23个公开问题的清单,并抱有把整个数学奠定在牢固逻辑基础之上、加以形式化的更大野心。三十年后,库尔特·哥德尔的不完备定理(参见"相关主题"中的"不完备定理")表明这一野心永远无法完全实现——任何足以包含算术、且自身相容的形式系统,都存在它无法证明的真命题。

一览三个世纪的数学
世纪代表数学家标志性成果关键年代
19柯西、黎曼、伽罗瓦、康托尔严格的极限 ∀ε>0 ∃δ>0:0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0:0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon;伽罗瓦可解性判据;黎曼几何 ds2=gij dxidxjds^2=g_{ij}\,dx^i dx^j 与ζ函数 ζ(s)=∑n=1∞n−s\zeta(s)=\sum_{n=1}^{\infty} n^{-s};集合论与不可数无穷1821–1874年
20希尔伯特、哥德尔、格罗滕迪克、庞加莱希尔伯特23个问题;哥德尔不完备定理;格罗滕迪克概形 Spec(R)\mathrm{Spec}(R);朗兰兹纲领1900–1970年代
21佩雷尔曼、梅纳德、维亚佐夫斯卡庞加莱猜想的证明;素数间的有界间隙;8维与24维的最优球堆积;AI辅助的形式化证明验证2002–2024年

区间 [0,1][0,1](从而 R\mathbb{R})是不可数的:不存在把它的所有元素排成一个由自然数编号的数列 x1,x2,x3,…x_1, x_2, x_3, \ldots 的方法。

为什么成立?

这是第一个证明无穷集合也有不同“大小”的定理:自然数集与实数集都是无穷的,但其中一个无穷严格大于另一个。它解释了为何绝大多数实数无法用任何有限公式描述,也是逻辑学与计算机科学中(例如停机问题)广泛使用的对角线论证方法的鼻祖。

证明

用反证法。假设 [0,1][0,1] 是可数的:其中每个实数都恰好出现在某个枚举 x1,x2,x3,…x_1, x_2, x_3, \ldots 中一次。把每个数写成小数形式 xn=0.dn1dn2dn3…x_n = 0.d_{n1}d_{n2}d_{n3}\ldots,当一个数有两种表示时,选择不以无穷多个9结尾的那种展开。

现在沿着这份列表的对角线,逐位构造一个新数 yy:y=0.e1e2e3…y = 0.e_1e_2e_3\ldots,其中第 nn 位由 en={5dnn≠56dnn=5e_n=\begin{cases}5 & d_{nn}\neq5\\6 & d_{nn}=5\end{cases} 确定。把取值限制在 {5,6}\{5,6\} 之中,保证了 yy 不会以全0或全9结尾,因此它的小数展开是唯一且无歧义的。

对每个下标 nn,按照构造方式,yy 在第 nn 位小数上都与 xnx_n 不同(en≠dnne_n\neq d_{nn}),因此 y≠xn ∀ny\neq x_n\ \forall n。由于 yy 的每一位都是 55 或 66,所以 y∈[0,1]y\in[0,1]。

但这样一来,yy 就是 [0,1][0,1] 中的一个实数,却不等于那份"完整"列表中的任何 xnx_n——这与假设该列表包含 [0,1][0,1] 的每一个元素相矛盾。因此 [0,1][0,1] 不存在这样的枚举,[0,1][0,1](从而更大的集合 R\mathbb{R})是不可数的。

每个有界实数列 (xn)(x_n) 都存在收敛子列 (xnk)(x_{n_k})。

为什么成立?

这是使实分析得以运作的关键紧性事实:它保证一个有界的过程不可能永远游荡而不在某处聚集,并且是极值定理、最优化中极小点存在性以及分析学中各种完备性论证的基础。

证明

设 (xn)(x_n) 有界,即存在 a<ba<b 使得对每个 nn 都有 xn∈[a,b]x_n\in[a,b]。我们通过反复二分构造一列嵌套区间。把 [a,b][a,b] 分成两半 [a,a+b2][a,\tfrac{a+b}{2}] 和 [a+b2,b][\tfrac{a+b}{2},b]。由于数列(按下标计)有无穷多项,而只有两个半区间,根据鸽笼原理,至少有一半必须包含无穷多个下标 nn 对应的 xnx_n;把这一半记为 [ak,bk][a_k,b_k],取 k=1k=1。

对 [a1,b1][a_1,b_1] 重复同样的二分:将其一分为二,再次由鸽笼原理,至少有一半包含无穷多个 nn 对应的 xnx_n;记为 [a2,b2][a_2,b_2]。如此永远进行下去,得到嵌套链 [a,b]⊃[a1,b1]⊃[a2,b2]⊃⋯[a,b]\supset[a_1,b_1]\supset[a_2,b_2]\supset\cdots,每个区间都包含无穷多个下标对应的 xnx_n,且每个区间宽度是前一个的一半,因此 [ak,bk][a_k,b_k] 的宽度恰为 (b−a)/2k(b-a)/2^{k},当 k→∞k\to\infty 时趋于 00。

现在构造子列:由于 [a1,b1][a_1,b_1] 包含数列中无穷多项,任取一个下标 n1n_1 使 xn1∈[a1,b1]x_{n_1}\in[a_1,b_1]。由于 [a2,b2][a_2,b_2] 也包含无穷多项(除有限个下标外都仍可用),取 n2>n1n_2>n_1 使 xn2∈[a2,b2]x_{n_2}\in[a_2,b_2]。如此归纳下去,在第 kk 步选取 nk>nk−1n_k>n_{k-1} 使 xnk∈[ak,bk]x_{n_k}\in[a_k,b_k];这总是可行的,因为 [ak,bk][a_k,b_k] 包含无穷多项,所以超过 nk−1n_{k-1} 的下标仍有无穷多个可选。

根据实数的闭区间套性质(每个 [ak,bk][a_k,b_k] 都是闭的、嵌套的,且宽度收缩到 00),它们的交是单独一点:对某个 L∈[a,b]L\in[a,b] 有 ⋂k=1∞[ak,bk]={L}\bigcap_{k=1}^{\infty} [a_k,b_k] = \{L\}。由于 xnkx_{n_k} 与 LL 都属于宽度为 (b−a)/2k(b-a)/2^{k} 的 [ak,bk][a_k,b_k],故 ∣xnk−L∣≤(b−a)/2k→0|x_{n_k}-L|\le (b-a)/2^{k}\to 0。当 k→∞k\to\infty 时右边趋于 00,从而迫使 xnk→Lx_{n_k}\to L。因此 (xnk)(x_{n_k}) 是 (xn)(x_n) 的一个收敛子列,证毕。

进阶20世纪:概形与朗兰兹纲领

古典代数几何学研究复数或实数域上多项式方程解集的性质。20世纪60年代,亚历山大·格罗滕迪克从根基上重建了这门学科:对任意交换环 RR,他都赋予其一个几何空间 Spec(R)\mathrm{Spec}(R)(其“谱”,其点为 RR 的素理想),从而把包括含幂零元的环、模 pp 的整数环在内的每一个环,都变成一个真正的几何对象,称为概形。这使得同一套几何直觉与工具(维数、光滑性、上同调)可以同时统一地应用于数论与几何,这对怀尔斯证明费马大定理以及德利涅证明韦伊猜想都至关重要。与此同时,由罗伯特·朗兰兹自1967年起提出的朗兰兹纲领,猜想伽罗瓦表示(多项式方程解的对称性,是伽罗瓦群的推广)与自守形式(调和分析中高度对称的函数)之间存在深刻的对应关系——这部统一的“词典”已经催生了众多重大定理,至今仍在推动现代数论的大部分研究。

研究21世纪:当今的研究前沿

大学实际应用与典型例题

这些抽象概念绝非纸上谈兵。有限域上的伽罗瓦理论是现代密码学的代数支柱:AES 利用有限域 GF(28)\mathrm{GF}(2^8) 上的运算加密数据,而保护绝大部分网络流量(TLS)与加密货币安全的椭圆曲线密码学(ECC),依赖的正是有限域上椭圆曲线上点集所构成的群结构——这正是19世纪域论与群论的直系后代。黎曼的内在几何 ds2=gij dxidxjds^2=g_{ij}\,dx^i dx^j 是爱因斯坦广义相对论的数学语言,其中时空曲率(编码于 gijg_{ij})取代了牛顿式引力。而在机器学习中,这段历史的两条脉络在今天都举足轻重:建立在希尔伯特所追求的同一逻辑基础之上的形式化验证工具(Lean、Isabelle),如今被用于机器检验数学证明;而表示论——伽罗瓦对称群的现代继承者——则指导着尊重物理或几何对称性的等变神经网络架构的设计。

例题: 用 ε\varepsilon-δ\delta 严格证明一个极限

请用 ∀ε>0 ∃δ>0:0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0:0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon 的定义严格证明 lim⁡x→2(3x−1)=5\lim_{x\to2}(3x-1)=5。

解答

设给定任意 ε>0\varepsilon>0。我们需要找到 δ>0\delta>0,使得 0<∣x−2∣<δ0<|x-2|<\delta 能推出 ∣(3x−1)−5∣<ε|(3x-1)-5|<\varepsilon。从目标不等式出发化简:∣(3x−1)−5∣=3∣x−2∣<3δ=ε|(3x-1)-5|=3|x-2|<3\delta=\varepsilon —— 即 ∣(3x−1)−5∣=∣3x−6∣=3∣x−2∣|(3x-1)-5|=|3x-6|=3|x-2|。

因此我们需要 3∣x−2∣<ε3|x-2|<\varepsilon,这等价于 ∣x−2∣<ε/3|x-2|<\varepsilon/3。这恰好告诉我们该如何选取 δ\delta:取 δ=ε/3\delta=\varepsilon/3。

现在验证它确实成立。设 0<∣x−2∣<δ=ε/30<|x-2|<\delta=\varepsilon/3。将 ∣x−2∣<ε/3|x-2|<\varepsilon/3 两边乘以 33 得到 3∣x−2∣<ε3|x-2|<\varepsilon,即 ∣(3x−1)−5∣<ε|(3x-1)-5|<\varepsilon,正是所需的结论。由于 ε>0\varepsilon>0 是任意的,而我们对每一个都给出了有效的 δ\delta,ε\varepsilon-δ\delta 定义得到满足,因此 lim⁡x→2(3x−1)=5\lim_{x\to2}(3x-1)=5 得到了严格证明——它不再只是图像上看起来合理,而是逻辑上的确定性。

例题: x3−2x^3-2 的伽罗瓦群是 S3S_3,且 S3S_3 可解

求 Q\mathbb{Q} 上 x3−2x^3-2 的伽罗瓦群,并确认它是可解的。

解答

x3−2x^3-2 在 C\mathbb{C} 中的三个根是 23\sqrt[3]{2}、ω23\omega\sqrt[3]{2} 与 ω223\omega^2\sqrt[3]{2},其中 ω=e2πi/3\omega=e^{2\pi i/3} 是1的本原三次单位根。分裂域——包含全部三个根的最小域——是 Q(23,ω)\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2},\omega)。

分两步构造该域。首先添加实根:[Q(23):Q]=3[\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}):\mathbb{Q}]=3,因为 x3−2x^3-2 在 Q\mathbb{Q} 上不可约(由 p=2p=2 处的艾森斯坦判别法),且是 23\sqrt[3]{2} 的极小多项式。仅这一步扩张还不是分裂域,因为 Q(23)⊂R\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})\subset\mathbb{R} 不包含像 ω23\omega\sqrt[3]{2} 这样的复根。接着添加 ω\omega:由于 ω\omega 满足 x2+x+1=0x^2+x+1=0,该多项式在 Q(23)\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}) 上仍不可约(该域是实数域,而 ω\omega 不是实数),所以第二步扩张次数为2。相乘得 [Q(23,ω):Q]=6[\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2},\omega):\mathbb{Q}]=6。

伽罗瓦群的阶等于该次数,故 ∣Gal∣=6|\mathrm{Gal}|=6,且它通过置换这3个根忠实地作用(由于这些根生成分裂域,任何自同构都由根的去向唯一确定)。唯一能够作为3个对象的全部置换而作用的6阶群就是 S3S_3 本身(阶为 3!=63!=6),并且可以显式给出生成元:一个3阶自同构 σ\sigma 循环置换三个根(固定 ω\omega,把 23↦ω23↦ω223↦23\sqrt[3]{2}\mapsto\omega\sqrt[3]{2}\mapsto\omega^2\sqrt[3]{2}\mapsto\sqrt[3]{2}),以及一个2阶自同构 τ\tau 通过复共轭交换两个根(固定 23\sqrt[3]{2},把 ω↦ω2\omega\mapsto\omega^2)。σ\sigma 与 τ\tau 共同生成一个6阶群,作用为根上的完整对称群,所以 Gal(Q(23,ω)/Q)≅S3\mathrm{Gal}(\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2},\omega)/\mathbb{Q})\cong S_3。

最后看可解性:S3S_3 有正规列 1◃A3◃S31\triangleleft A_3\triangleleft S_3,其中 A3={1,σ,σ2}≅Z/3ZA_3=\{1,\sigma,\sigma^2\}\cong\mathbb{Z}/3\mathbb{Z} 是指数为2的正规子群。两个商 A3/1≅Z/3ZA_3/1\cong\mathbb{Z}/3\mathbb{Z} 与 S3/A3≅Z/2ZS_3/A_3\cong\mathbb{Z}/2\mathbb{Z} 都是交换群(实际上是循环群),所以 S3S_3 可解——根据伽罗瓦判据,这证实了 x3−2x^3-2 可用根式求解,恰如其根的显式立方根公式早已表明的那样。

利用 ∀ε>0 ∃δ>0:0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0:0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon 的定义,用 ε\varepsilon 表示的哪个 δ\delta 值可以证明 lim⁡x→2(3x−1)=5\lim_{x\to2}(3x-1)=5?

Q\mathbb{Q} 上的多项式 x3−2x^3-2 的伽罗瓦群与哪个群同构?

现代椭圆曲线密码学(ECC,保护大部分网络流量TLS的安全)所依赖的19世纪代数结构是什么?

19世纪提出的黎曼内在几何学,为20世纪的哪个物理理论提供了数学语言?

参考文献

  1. Morris Kline (1980). Mathematics: The Loss of Certainty
  2. Maryna Viazovska (2016). The sphere packing problem in dimension 8 · arXiv:1603.04246
  3. DeepMind (2024). AI solves IMO problems at silver medal level