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解法:MRDP定理:丢番图集合恰为递归可枚举集合(1970年)

第 6/9 步:马季亚谢维奇1970年:斐波那契数以丢番图方式快速增长
通俗地说

斐波那契数 FnF_n(1,1,2,3,5,8,13,…1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, \ldots,每一个都是前两个之和)由简单的加法定义,却以指数速度增长——大致像黄金比例 φ\varphi 的 φn\varphi^n 那样。1970年,22岁的苏联数学家尤里·马季亚谢维奇意识到,这些数恰好隐藏着朱莉娅·鲁滨逊的JR假设所需要的那种指数增长关系,并且可以纯粹通过它们的整除性质表达出来。

他证明了关系 v=F2uv = F_{2u}(偶数下标的斐波那契数,相对 uu 呈指数增长)本身可以由一个真正的多项式方程确定下来,利用诸如“FmF_m 整除 FnF_n 当且仅当 mm 整除 nn”这样的恒等式——从而堵上了鲁滨逊、戴维斯与普特南留下的那道十八年的缺口。

v=F2u   ⟹   ∃ polynomial Q, Q(u,v,x1,…,xk)=0  ⟺  v=F2uv = F_{2u} \ \implies \ \exists \text{ polynomial } Q,\ Q(u,v,x_1,\ldots,x_k)=0 \iff v = F_{2u}
详细分析

1970年,尤里·马季亚谢维奇利用由 F0=0,F1=1,Fn+1=Fn+Fn−1F_0=0, F_1=1, F_{n+1}=F_n+F_{n-1} 定义的斐波那契数 FnF_n,提供了所缺的JR关系。由于对黄金比例 φ=(1+5)/2\varphi = (1+\sqrt{5})/2 有 Fn∼φn/5F_n \sim \varphi^n/\sqrt{5},关系 v=F2uv = F_{2u} 相对 uu 呈指数增长,恰好是鲁滨逊JR假设所要求的那种增长。

马季亚谢维奇通过利用斐波那契数之间深刻的整除恒等式——最重要的是 Fm∣Fn  ⟺  m∣nF_m \mid F_n \iff m \mid n 与 gcd⁡(Fm,Fn)=Fgcd⁡(m,n)\gcd(F_m, F_n) = F_{\gcd(m,n)}——并结合矩阵恒等式 (1110)n=(Fn+1FnFnFn−1)\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}^n = \begin{pmatrix} F_{n+1} & F_n \\ F_n & F_{n-1} \end{pmatrix},证明了 v=F2uv = F_{2u} 本身是丢番图的;这个矩阵恒等式把斐波那契数与一个类佩尔方程的解联系起来,使其递归定义能够重新表述为一个有限的纯多项式约束系统。

这正是鲁滨逊近二十年前分离出的JR假设本身,因此完成了鲁滨逊、戴维斯与普特南的归约链条:鲁滨逊此前已经证明由任意JR关系可以推出的幂运算、二项式系数与阶乘,现在全都真正成为丢番图的了。

本步骤中的术语
斐波那契数列
由 F0=0,F1=1,Fn+1=Fn+Fn−1F_0=0, F_1=1, F_{n+1}=F_n+F_{n-1} 定义的数列,像黄金比例 φ\varphi 的 φn\varphi^n 那样呈指数增长,并满足丰富的整除恒等式,马季亚谢维奇正是利用这些恒等式使它成为丢番图的。
本步骤用到的知识