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解法:陶哲轩利用对数平均相关性给出的埃尔德什差异问题证明(2015年)

第 7/9 步:g\mathbf{g} 被困住了:它必须假装成一个伪装的狄利克雷特征
通俗地说

把对数平均相关性估计应用到 g\mathbf{g} 与其自身平移的相关上,陶证明了第4步的有界性假设,只有在 g\mathbf{g} 是假装的时候才成立。具体来说,这意味着:以很高的概率,存在某个周期 q\mathbf{q}(其大小依赖于假设的常数 CC 而有界)以及某个实数 t\mathbf{t},使得 g\mathbf{g} 在素数上平均地,与该周期对应的某个狄利克雷特征 χ\boldsymbol{\chi} 所给出的具体函数 n↦χ(n)nitn\mapsto\boldsymbol{\chi}(n)n^{i\mathbf{t}} 一致。

这是一个异常强的结论:一个最初只是关于平均值有界的模糊假设,最终被提炼成「这个随机函数,一旦揭去伪装,其实就是第二步中那些非常具体的险些成功的反例函数之一」。

∑p≤X1−Re⁡ g(p)χ(p)‾p−itp≪ε1for some Dirichlet character χ, t=OC,ε(X)\sum_{p\le X}\frac{1-\operatorname{Re}\,\mathbf{g}(p)\overline{\boldsymbol{\chi}(p)}p^{-i\mathbf{t}}}{p} \ll_\varepsilon 1 \quad \text{for some Dirichlet character } \boldsymbol{\chi}, \ \mathbf{t}=O_{C,\varepsilon}(X)
详细分析

把第4步中平移后的二阶矩界与定理1.10(第5–6步)结合起来,陶在他论文的第4节(《推广的 Borwein–Choi–Coons 分析》)中证明:以概率 1−O(ε)1-O(\varepsilon),存在周期为 q=Oε(1)\mathbf{q}=O_\varepsilon(1) 的狄利克雷特征 χ\boldsymbol{\chi} 与实数 t=OC,ε(X)\mathbf{t}=O_{C,\varepsilon}(X),使得 ∑p≤X1−Re⁡ g(p)χ(p)‾p−itp≪ε1\sum_{p\le X}\frac{1-\operatorname{Re}\,\mathbf{g}(p)\overline{\boldsymbol{\chi}(p)}p^{-i\mathbf{t}}}{p}\ll_\varepsilon 1;这恰恰是说 g\mathbf{g} 在素数处的取值,在平均意义下与 χ(n)nit\boldsymbol{\chi}(n)n^{i\mathbf{t}} 的取值一致。一个更细致的论证(引理4.1,利用狄利克雷 LL-函数的 Vinogradov–Korobov 无零区域来排除两个都很吻合、却相差很大的候选值 t\mathbf{t})进一步把 t\mathbf{t} 确定为很小,t=OC,ε(X)\mathbf{t}=O_{C,\varepsilon}(X),且在此误差范围内唯一。

把 g(n)=χ~(n)nith(n)\mathbf{g}(n) = \tilde{\boldsymbol{\chi}}(n) n^{i\mathbf{t}} \mathbf{h}(n) 这样写出,其中显式完全积性函数 χ~\tilde{\boldsymbol{\chi}} 在不整除 q\mathbf{q} 的素数处与 χ\boldsymbol{\chi} 一致,上面的界就转化为 ∣∑p≤X1−Re⁡ h(p)p∣≪ε1\left|\sum_{p\le X}\frac{1-\operatorname{Re}\,\mathbf{h}(p)}{p}\right|\ll_\varepsilon 1:「误差」因子 h\mathbf{h} 本身也被迫假装成常数函数 11。

剩下的工作是说明:一个真正取值于 {−1,+1}\{-1,+1\}(或单位圆)的完全积性函数,如果如此强烈地假装成一个被扭曲的狄利克雷特征,终究不可能有有界的二阶矩——这恰好把第二步中那个险些成功的反例反转了过来。

本步骤用到的知识