什么是數(shù)學(xué)猜想？盤點改變數(shù)學(xué)歷史的著名未解難題與傳奇故事

在數(shù)學(xué)中，猜想（Conjecture）是數(shù)學(xué)家提出但尚未被證明的命題(Proposition)或結(jié)論(conclusion)。這些命題雖然看起來很可能是正確的，但還缺乏嚴格的數(shù)學(xué)證明。

一些著名的猜想，如黎曼猜想（Riemann hypothesis）或費馬猜想（Fermat's conjecture，現(xiàn)已成為定理，由安德魯·懷爾斯于1995年證明），對數(shù)學(xué)史產(chǎn)生了深遠影響，它們推動了新數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，因為數(shù)學(xué)家們正是為了證明這些猜想而開辟新的研究方向。

猜想的解決方式 證明：將猜想轉(zhuǎn)變?yōu)槎ɡ?/p>

數(shù)學(xué)是建立在嚴格證明基礎(chǔ)上的學(xué)科。即使有成千上萬的例子支持一個猜想，也不足以證明它適用于所有情況。只要找到一個反例，整個猜想就會被推翻。

哥德巴赫猜想就是"每個大于2的偶數(shù)都可以表示為兩個質(zhì)數(shù)之和"，如果能找到一個不能拆分為兩個質(zhì)數(shù)之和的偶數(shù)，這個存在了近300年的猜想就會立即坍塌。

有時候，數(shù)學(xué)期刊會發(fā)表研究團隊在尋找可能反例方面的進展。比如考拉茲猜想（也稱為"3n+1問題"），它關(guān)注一個特定的數(shù)學(xué)規(guī)則是否總能把任何正整數(shù)最終變?yōu)?。研究者已經(jīng)驗證了高達1.2萬億的所有整數(shù)都符合這一猜想，但這仍然不是證明——因為該猜想可能在更大的數(shù)字中存在反例。

盡管尚未被完全證明，數(shù)學(xué)家們通常會根據(jù)各種證據(jù)判斷一個猜想的可信度。這些證據(jù)可能包括：驗證猜想的特殊情況、猜想與已知結(jié)果的聯(lián)系、猜想的各種推論被證實等。

一個猜想只有在被證明邏輯上不可能為假時，才被認為是已被證明。數(shù)學(xué)證明有多種方法，包括直接證明、反證法、歸納法等。

當(dāng)可能的反例只有有限數(shù)量時，一種稱為"暴力法"（brute force）的證明方法是可行的：這種方法會窮盡檢查所有可能的情況，證明沒有一種情況會產(chǎn)生反例。在某些問題中，可能的情況數(shù)量龐大，需要借助計算機算法進行檢驗。四色定理的證明就是一個著名例子，它在1976年由肯尼思·阿佩爾和沃爾夫?qū)す鲜褂糜嬎銠C完成，并在2005年通過定理證明軟件得到最終確認。

當(dāng)一個猜想被證明后，它就晉升為定理（theorem）。許多數(shù)學(xué)中的重要定理最初都是猜想，如解決了龐加萊猜想的幾何化定理、費馬大定理等。

反證：找到猜想的反例

如果找到了反例，猜想就被證明是錯誤的，這類被推翻的猜想有時被稱為假猜想（false conjectures）。著名的例子包括波利亞猜想(Pólya conjecture)和歐拉猜想(Euler's sum of powers conjecture)。

既不能證明也不能反駁的猜想

有些猜想既不能被證明為真，也不能被證明為假，這是因為它們獨立于當(dāng)前的數(shù)學(xué)公理系統(tǒng)。連續(xù)統(tǒng)假設(shè)（continuum hypothesis）就是這樣一個例子，它試圖確定實數(shù)集合的基數(shù)與自然數(shù)集合的基數(shù)之間的關(guān)系。庫爾特·哥德爾和保羅·科恩證明了這個假設(shè)既不能從標(biāo)準(zhǔn)集合論（ZFC公理系統(tǒng)）中被證明，也不能被反駁。

這意味著我們可以選擇接受或拒絕這個假設(shè)作為一個新的公理，兩種選擇都能產(chǎn)生自洽的數(shù)學(xué)體系。這類似于歐幾里德幾何中的平行公設(shè)——我們可以接受它（得到歐幾里德幾何）或拒絕它（得到非歐幾里德幾何）。

在這種情況下，如果一個證明依賴于這類獨立命題，數(shù)學(xué)家通常會尋找不依賴于這些命題的替代證明。在實踐中，選擇公理（axiom of choice）是一個例外，大多數(shù)數(shù)學(xué)家會自由使用它，除非他們專門研究公理本身。

有條件證明：基于未證明猜想的理論發(fā)展

有些猜想被頻繁用作其他結(jié)果證明中的假設(shè)，此時它們常被稱為假設(shè)（hypothesis）。黎曼猜想就是一個典型例子，它對素數(shù)分布做出預(yù)測。雖然尚未被證明，但大多數(shù)數(shù)論學(xué)家都相信它是正確的。

基于這種信心，一些數(shù)學(xué)家甚至發(fā)展了以黎曼猜想為前提的進一步理論和結(jié)果。這些被稱為條件證明（conditional proofs）：它們的有效性取決于猜想最終被證明為真。

許多關(guān)于素數(shù)分布的精確結(jié)果都以"假設(shè)黎曼猜想成立"為前提。這些結(jié)果提供了深刻的見解，但如果黎曼猜想最終被證明是錯誤的，這些結(jié)果也將失效。

正因如此，驗證這些核心猜想的真假對數(shù)學(xué)界至關(guān)重要。

改變數(shù)學(xué)歷史的重要猜想 費馬大定理：從猜想到定理的漫長旅程

在數(shù)論中，費馬大定理（曾被稱為費馬猜想）指出：對于任何大于2的整數(shù) ，方程 沒有正整數(shù)解。

這個定理的故事始于1637年，當(dāng)時皮埃爾·德·費馬在閱讀丟番圖的《算術(shù)》時，在書頁邊緣寫下了這個猜想，并聲稱自己有一個"精妙的證明"，但頁邊空白太小無法寫下。這個簡短的注記引發(fā)了長達358年的數(shù)學(xué)探索。

費馬大定理最終于1994年被英國數(shù)學(xué)家安德魯·懷爾斯證明。他的證明融合了現(xiàn)代數(shù)學(xué)的多個前沿領(lǐng)域，涉及代數(shù)數(shù)論、橢圓曲線和模形式等復(fù)雜理論。證明如此深奧，以至于只有少數(shù)專家能完全理解。在被證明前，它被《吉尼斯世界紀錄》列為"最難數(shù)學(xué)問題"。

四色定理：第一個使用計算機證明的重要定理

四色定理是關(guān)于地圖著色的一個經(jīng)典問題：任何平面地圖都可以用四種或更少的顏色著色，使得任何兩個共享邊界的區(qū)域顏色不同。

這個看似簡單的問題首次被法蘭西斯·古德里在1852年提出，當(dāng)時他在為英格蘭郡地圖著色時注意到四種顏色似乎總是足夠的。五色定理（五種顏色足夠）較容易證明，并在19世紀末被解決，但證明四色足夠則困難得多。

四色定理最終在1976年由肯尼思·阿佩爾和沃爾夫?qū)す献C明，他們的證明使用計算機檢查了1,936種不同的地圖構(gòu)形。這是第一個依賴計算機的重要數(shù)學(xué)定理證明，開創(chuàng)了計算機輔助證明的先河。

這種方法當(dāng)時引起了爭議，因為證明中的計算部分太過龐大，人類無法手動驗證。然而，隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，這種驗證方法逐漸獲得了更廣泛的接受。2005年，使用定理證明軟件對該證明進行了正式驗證，進一步確認了結(jié)果的正確性。

主猜想：被反駁的重要猜想

主題：主猜想

幾何拓撲中的主猜想（德語為Hauptvermutung，意為"主要猜想"）認為任何兩個可三角剖分空間的三角剖分都有一個公共細分。這個猜想由施泰尼茨和蒂策在1908年提出，嘗試建立拓撲空間的組合表示的唯一性。

有趣的是，這個看似合理的猜想最終被證明是錯誤的。約翰·米爾諾在1961年使用代數(shù)拓撲中的雷杰米斯特撓率/解析撓率（Reidemeister torsion）構(gòu)造了反例，證明了非流形情況下猜想不成立。

盡管在一般情況下不成立，主猜想在低維流形（維度不超過3）的特殊情況下是正確的。這些結(jié)果分別由蒂博爾·拉多（2維情況）和埃德溫·莫伊斯（3維情況）在20世紀中期證明。

韋伊猜想：數(shù)學(xué)深度聯(lián)系的典范

安德烈·韋伊在1949年提出的猜想關(guān)注代數(shù)幾何與數(shù)論的深層聯(lián)系。具體來說，他研究了計算代數(shù)簇在有限域上的點數(shù)所導(dǎo)出的生成函數(shù)（稱為局部ζ函數(shù)）。

韋伊猜測這些函數(shù)應(yīng)該滿足三個性質(zhì)：它們是有理函數(shù)；滿足特定形式的函數(shù)方程；其零點位置受到限制（類似于黎曼假設(shè)）。這些猜想影響深遠，為代數(shù)幾何與數(shù)論之間建立了橋梁。

韋伊猜想的三個部分分別由不同數(shù)學(xué)家證明：有理性由伯納德·德沃克（1960年）證明；函數(shù)方程由亞歷山大·格羅滕迪克（1965年）證明；零點位置限制（即有限域上曲線的黎曼假設(shè)類比）由皮埃爾·德利涅（1974年）證明。

▲ 皮埃爾·德利涅(1944年10月3日—)

德利涅因這一突破性工作獲得了1978年的菲爾茲獎，展示了解決重要猜想對數(shù)學(xué)家職業(yè)生涯的影響，也凸顯了如何通過分解復(fù)雜問題逐步接近解決方案。

龐加萊猜想：幾何拓撲中的里程碑

龐加萊猜想是由法國數(shù)學(xué)家亨利·龐加萊在1904年提出的，關(guān)于三維空間的基本性質(zhì)。簡單來說，它斷言每個"單連通的閉三維流形"都與三維球面同胚（拓撲等價）——它們在拓撲結(jié)構(gòu)上沒有本質(zhì)差別。

這個猜想是拓撲學(xué)中最著名的問題之一，也是七個千禧年數(shù)學(xué)問題之一。它的高維版本（維度大于等于5）在20世紀60年代就已解決，四維情況在1982年解決，但三維情況——也是原始猜想——被證明尤為困難。

經(jīng)過近一個世紀的努力，俄羅斯數(shù)學(xué)家格里戈里·佩雷爾曼在2002-2003年發(fā)表的三篇論文中最終完成了證明。他的工作基于理查德·漢密爾頓開創(chuàng)的使用里奇流（Ricci flow）的方法，這是一種幾何分析中的強大技術(shù)。

佩雷爾曼因這一成就被授予菲爾茲獎和千禧年獎金，但他出人意料地拒絕了這兩項榮譽，成為數(shù)學(xué)史上的傳奇人物。

黎曼猜想：數(shù)學(xué)中的"圣杯"

主題：黎曼猜想

黎曼猜想由德國數(shù)學(xué)家伯恩哈德·黎曼于1859年提出，被許多人認為是當(dāng)今數(shù)學(xué)中最重要的未解決問題。它關(guān)注黎曼ζ函數(shù)（zeta function）的零點位置，具體而言，猜想認為所有非平凡零點的實部均為1/2。

這個看似抽象的問題與素數(shù)分布有著深刻聯(lián)系。如果黎曼猜想成立，我們將獲得關(guān)于素數(shù)分布的精確信息，遠超目前所知。正是因為這種聯(lián)系，黎曼猜想被視為數(shù)論研究的核心問題。

黎曼猜想是千禧年七大數(shù)學(xué)問題之一，克雷數(shù)學(xué)研究所為其解決方案提供了100萬美元獎勵。盡管許多優(yōu)秀數(shù)學(xué)家努力攻克這個問題，它至今仍未被證明或反駁。

P/NP問題：計算復(fù)雜性的核心問題

P/NP問題是計算機科學(xué)中的根本問題，簡單來說，它詢問：是否所有能夠快速驗證答案正確性的問題也能夠被快速解決？

這里的P指"多項式時間可解決"的問題集合，而NP指"多項式時間可驗證"的問題集合。問題是：這兩個集合是否相同？即P=NP是否成立？大多數(shù)專家認為P≠NP，但這尚未被證明。

一個形象的例子是拼圖：驗證一個完成的拼圖是否正確很容易（NP問題），但從零開始解決一個復(fù)雜拼圖可能非常困難。P=NP問題本質(zhì)上在問：是否存在某種算法，使得解決拼圖和驗證拼圖一樣容易？

這個問題由斯蒂芬·庫克在1971年的論文《定理證明程序的復(fù)雜性》中正式提出，但早在1956年，庫爾特·哥德爾就在給約翰·馮·諾依曼的信中提到了類似問題。

P/NP問題不僅是理論計算機科學(xué)的核心，也對密碼學(xué)、人工智能、優(yōu)化理論等領(lǐng)域有重大影響。它同樣是千禧年七大數(shù)學(xué)問題之一，解決者將獲得100萬美元獎勵。

其他重要猜想

數(shù)學(xué)中還有許多其他重要猜想，每個都開辟了新的研究方向：

• 哥德巴赫猜想（Goldbach's conjecture）：每個大于2的偶數(shù)都可以表示為兩個素數(shù)之和。這可能是數(shù)論中最古老的未解決問題之一。

• 孿生素數(shù)猜想（Twin prime conjecture）：存在無窮多對相差為2的素數(shù)（如3和5，11和13等）。

• 考拉茲猜想（Collatz conjecture）：對任何正整數(shù)，重復(fù)應(yīng)用"偶數(shù)除以2，奇數(shù)乘3加1"的規(guī)則，最終會得到1。

• 馬寧猜想（Manin conjecture）：關(guān)于代數(shù)簇上有理點分布的預(yù)測。

• 馬爾達西那猜想（Maldacena conjecture）：理論物理中的一個重要猜想，關(guān)于弦理論和量子場論之間的對應(yīng)關(guān)系。

• 哈代-李特爾伍德猜想（Hardy-Littlewood conjectures）：一對關(guān)于素數(shù)分布的猜想。有趣的是，已經(jīng)證明這兩個猜想不能同時為真，但尚不知道哪一個是錯誤的。

• 朗蘭茲綱領(lǐng)（Langlands program）：一個雄心勃勃的研究項目，旨在連接數(shù)論、表示論和代數(shù)幾何等數(shù)學(xué)領(lǐng)域。它包含許多深刻的猜想，其中一些已經(jīng)被證明。

原內(nèi)容及圖片源自維基百科(Conjecture)，遵循CC BY-SA 4.0協(xié)議。 【遇見數(shù)學(xué)】譯制，并補充部分內(nèi)容/圖片

來源：遇見數(shù)學(xué)

編輯：子木

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原公眾號