Remove ads
數論（英語：Number theory）是純粹數學的分支之一，主要研究整數的性質，被稱為「最純」的數學領域。
此條目頁的主題是數學領域中的數論。關於同名的古印度哲學流派，請見「數論 (印度哲學)」。
提示：此條目頁的主題不是數學。 |
數學是科學的皇后，數論是數學的皇后。[1][註 1]
——卡爾·弗里德里希·高斯
正整數按乘法性質劃分，可以分成質數，合數，1，質數產生了很多一般人能理解卻又懸而未解的問題，如哥德巴赫猜想，孿生質數猜想等。即，很多問題雖然形式上十分初等，事實上卻要用到許多艱深的數學知識。這一領域的研究從某種意義上推動了數學的發展，催生了大量的新思想和新方法。數論除了研究整數及質數外，也研究一些由整數衍生的數（如有理數）或是一些廣義的整數（如代數整數）。
整數可以是方程式的解（丟番圖方程）。有些解析函數（像黎曼ζ函數）中包括了一些整數、質數的性質，透過這些函數也可以了解一些數論的問題。透過數論也可以建立實數和有理數之間的關係，並且用有理數來逼近實數（丟番圖逼近）。
在中世紀早期，除了1175年至1200年住在北非和君士坦丁堡的數學家斐波那契有關等差數列的研究外，西歐在數論上沒有什麼進展。
中世紀數論主要是指15-16世紀由費馬、梅森、歐拉、高斯、勒壤得、黎曼、希爾伯特等人發展的數論。最早是在文藝復興的末期，對於古希臘著作的重新研究。主要的成因是因為丟番圖的《算術》（Arithmetica）一書的校正及翻譯為拉丁文，早在1575年Xylander曾試圖翻譯，但不成功，後來才由Bachet在1621年翻譯完成。
皮埃爾·德·費馬（1601–1665）沒有著作出版，他在數論上的貢獻幾乎都在他寫給其他數學家的信上，以及書旁的空白處[4]。費馬的貢獻幾乎沒有數論上的證明[5]，不過費馬重覆的使用數學歸納法，並引入無窮遞降法。
費馬最早的興趣是在完全數及相親數，因此開始研究整數因數，這也開始1636年之後的數學研究，也接觸到當時的數學社群[6]。他已在1643年研讀過巴歇版本的丟番圖著作，他的興趣開始轉向丟番圖方程和平方數的和[7]。
費馬在數論上的貢獻有：
- 費馬小定理 (1640)[8]，若不是質數的倍數，則
- 若和互質，則無法被任何除4後同餘-1的質數整除[9]，而且每個除4後同餘1的質數都可以表示為.[10]，這二個是在1640年證明的，在1649年他在寫給惠更斯的信上提到他用無窮遞降法證明的第二個問題[11]，費馬和福蘭尼可在其他平方形式上也有一些貢獻，不過其中有些錯誤及不嚴謹之處[12]。
- 向英國的數學家提出了求解的挑戰（1657年），但在幾個月後就由Wallis及Brouncker證明[13]。費馬認為他們的證明有效，但用了一個在其中未經證明的演算法，費馬自己是由無窮遞降法找到證明。
- 發展許多找虧格0或1曲線上點的方法，作法類似丟番圖，有許多特殊的步驟，使用了切線法構建曲線，而不是用割線法[14]。
- 證明不存在非尋常的正整數解。
費馬在1637年聲稱（費馬最後定理）證明了對於大於2的任意整數，不存在 的非尋常的正整數解（目前已知唯一的證明是由數學家安德魯·懷爾斯及其學生理查·泰勒於1994年完成的證明），但只在一本丟番圖著作的旁邊寫到，而且他沒有向別人宣稱他已有了證明[15]。
Remove ads
歐拉(1707–1783)對數論的興趣最早是由他的朋友哥德巴赫所引發，讓他開始專注在費馬的一些研究上[16][17]，在費馬沒有使當代的數學家注意此一主題後，歐拉的出現稱為「現代數論的重生」[18]。歐拉數論的貢獻包括以下幾項[19]：
- 費馬研究的證明，包括費馬小定理（歐拉延伸到非質數的模數），以及當且僅當，這項研究可推導到所有整數都可以表示為四個平方數的證明（第一個完整證明是由約瑟夫·拉格朗日提出，費馬很快的也提出證明），和沒有非零整數解的證明，表示為費馬最後定理時成立，歐拉用類似方式證明了的情形。
- 佩爾方程，最早誤以為是歐拉證明[20]，歐拉也寫了連分數和佩爾方程的關係[21]。
- 二次式，繼費馬之後，歐拉繼續研究哪些質數可以表示為，其中有些顯示二次互反律的性質[22] [23][24]。
- 丟番圖方程：歐拉研究一些虧格為0或1的丟番圖方程[25][26]，特別的是他研讀丟番圖的著作，試圖要找到系統化的方法，但時機尚不成熟，幾何數論才剛形成而已[27]。歐拉有注意到丟番圖方程和橢圓積分之間的關係[27]。
Remove ads
- 解析數論
- 藉助微積分及複分析的技術來研究關於整數的問題[28]，主要又可以分為積性數論與加性數論兩類。積性數論藉由研究積性生成函數的性質來探討質數分佈的問題，其中質數定理與狄利克雷定理為這個領域中最著名的古典成果。加性數論則是研究整數的加法分解之可能性與表示的問題，華林問題是該領域最著名的課題。此外例如篩法、圓法等等都是屬於這個範疇的重要議題。
- 代數數論
- 引申代數數的話題，關於代數整數的研究，主要的研究目標是為了更一般地解決不定方程的問題，而為了達到此目的，這個領域與代數幾何之間有相當關聯，比如類體論（class field theory）就是此間的顛峰之作。
- 算術代數幾何
- 研究有理系數多變數方程組的有理點，其結構（主要是個數）和該方程組對應的代數簇的幾何性質之間的關係，有名的費馬最後定理、莫德爾猜想（法爾廷斯定理）、Weil猜想，和千禧年大獎難題中的貝赫和斯維訥通-戴爾猜想都屬此類。
- 幾何數論
- 主要在於透過幾何觀點研究整數（在此即格子點）的分佈情形。最著名的定理為閔可夫斯基定理。
- 計算數論
- 藉助電腦的算法幫助數論的問題，例如質數測試和因數分解等和密碼學息息相關的話題。
- 超越數論
- 研究數的超越性，其中對於歐拉常數與特定的黎曼ζ函數值之研究尤其令人感到興趣。
- 組合數論
- 利用組合和概率的技巧，非構造性地證明某些無法用初等方式處理的複雜結論。這是由保羅·艾狄胥開創的思路。
- 模形式
- 數學上一個滿足一些泛函方程與增長條件、在上半平面上的（複）解析函數。
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
Remove ads