解法:米哈伊列斯库利用分圆域给出的卡塔兰猜想证明(2002年)
通俗地说
在卡塔兰的信发表后一个多世纪里,甚至没人能证明这个方程只有有限多个解,更不用说把它们全部找出来了。1976年,罗伯特·泰德曼彻底改变了这一局面:他利用阿兰·贝克关于代数数对数的线性型的深刻理论,证明指数 ——从而借助卡塞尔斯的关系式,底数 也——必须小于某个具体的、可显式计算(尽管极其庞大)的数。
这把卡塔兰猜想从一个真正未解的问题,变成了原则上的一个有限计算问题——尽管这个计算大到无法直接执行。它拉开了长达数十年的竞赛序幕,人们竞相把泰德曼的界缩小到可以真正验证的规模。
详细分析
贝克的理论(始于20世纪60年代)对由代数数 与整数系数 构成的非零“对数型” 的 给出了显式下界——这些界强大到足以超越仅由 得到的平凡估计(比卢2004年,第4.1节)。泰德曼(1976年)的洞见在于,将其应用于由卡塔兰方程本身构造的对数型,例如 ,并用卡塞尔斯的关系式控制其中涉及的辅助量(比卢2004年,第4.2–4.3节)。
把所得下界与直接由方程导出的平凡上界相比较,便迫使 与 之间满足一个不等式(大致为 ,对称地 ),两者结合便给出两个指数的一个绝对的、有效的上界——从而再次通过卡塞尔斯,也给出 的上界(比卢2004年,第4.2节,式15–17)。朗之万(1977年)、以及后来的奥尼尔与米尼奥特所做的显式数值计算,多年间把这个界压缩到了像 这样具体的数字。
这是一个真正的里程碑——卡塔兰问题原则上已经“可判定”——但泰德曼的界本身太大,无法用计算机直接验证。真正完成证明的突破需要一个更尖锐的、纯代数的想法,这正是米哈伊列斯库在下一步中的贡献。
- 对数的线性型(贝克理论)
- 由阿兰·贝克在20世纪60年代开创的超越数论分支,给出了非零组合 ( 为整数, 为代数数)能有多接近零的显式下界——从而把许多丢番图方程转化为具有可有效计算的解界的问题。