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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 9/9 步:结论:假设不可能成立,埃尔德什差异问题得以解决
通俗地说

整条推理链已经完整地闭合了一圈:假设某个序列差异有界,一步步地导出一个特定的随机积性函数,它被迫伪装成一个狄利克雷特征,而正是这层伪装最终使它的差异无界增长——这与最初的假设相矛盾。既然这个假设不可能成立,每一个取值 {−1,+1}\{-1,+1\} 的序列都必须差异无穷,正如埃尔德什在1930年代所猜测的那样。

陶的论文于2015年9月提交,2016年发表于Discrete Analysis,终结了一个比埃尔德什本人(卒于1996年)、乃至直接攻克它的大规模Polymath5合作项目都存续得更久的问题。它是深刻的解析数论工具——最初为孪生素数问题这类完全不同的目的而建立——能够解决看似初等的组合数学问题的最清晰例证之一。

∀f:N→{−1,+1}: sup⁡n,d∣∑j=1nf(jd)∣=∞\forall f:\mathbb{N}\to\{-1,+1\}: \ \sup_{n,d} \left|\sum_{j=1}^n f(jd)\right| = \infty
详细分析

第4步到第8步共同构成了一个反证法:假设(第4步)某个随机完全积性函数 g\mathbf{g} 的部分和二阶矩有界,经由对数平均的埃利奥特猜想(第5–6步),得出 g\mathbf{g} 必须假装成一个被扭曲的狄利克雷特征的结论(第7步);但正是这种假装结构,经推广的Borwein–Choi–Coons构造(第8步)审视后,迫使 g\mathbf{g} 的部分和实际上按 log⁡n\log n 量级无界增长——这与假设相矛盾。因此不存在这样有界的 g\mathbf{g},于是根据第3步的等价性,原始的埃尔德什差异猜想对每一个取值 {−1,+1}\{-1,+1\} 的序列 ff 都成立(实际上,正如陶的定理1.1所述,对任意实或复希尔伯特空间单位球面上取值的每个序列都成立)。

这篇论文于2015年9月17日提交到arXiv,并于2016年发表于创刊号的期刊Discrete Analysis(DOI 10.19086/da.609)——该期刊正是为arXiv叠加式发表高质量组合数学论文而专门创立的。陶曾描述,用于证明关键定理1.10的熵减量论证的发现,正是直接源自他试图解决这个具体差异问题的尝试,这说明一个具体、易于陈述的组合数学挑战,能够激发解析数论中真正新颖的技巧。

埃尔德什差异问题由此加入了一份不长的名单——那些易于陈述、能抵抗初等方法、最终只能靠从看似遥远的数学领域引入机制才得以解决的猜想。

本步骤用到的知识