希爾伯特第十問題

希爾伯特第十個問題,就是不定方程(又稱為丟番圖方程)的可解答性。這是希爾伯特於1900年在巴黎國際數學家大會演說中,所提出的23個重要數學問題的第十題。

這個問題是問,對於任意多個未知數的整係數不定方程,要求給出一個可行的方法(verfahren),使得藉助於它,通過有限次運算,可以判定該方程有無整數解。

這裡德文的方法(verfahren),就是英文所謂的演算法algorithm)。對於演算法的概念我們是不陌生的,例如遠在古希臘時代,人們就知道可以使用輾轉相除法,求兩個自然數的最大公約數。還有,任給一個自然數,也存在著一個方法,在有限步驟內,可以判定這個數是不是質數

雖然人們很早就有了演算法的樸素概念,但對於到底什麼是可行的計算,仍沒有精確的概念。一個問題的可解與不可解究竟是什麼含意,當時的人們還不得而知。然而為了研究第十問題,必須給予演算法精確化的觀念。這點還有賴於數理邏輯學對可計算性理論的發展,才得以實現。

基本觀念

不定方程

不定方程是指含任意數量變元整係數多項式方程

       

這裡 都是正整數、負整數或零,而變元 定義域自然數整數。若能找到整數 ,使得

 

則稱此不定方程具有整數解。例如:

 

則(3,4,5)、(5,12,13)等都是它的整數解。事實上可找出它所有的整數解: ,其中 。這是著名的勾股定理或稱畢式定理

著名的費馬最後定理,是說當 時,方程式

 

沒有非零整數解。

丟番圖集

自然數,自然數對(或具有自然數的n-元組)的有丟番圖定義的集合被稱為丟番圖集。丟番圖定義可以由方程組或單個方程給出,因為方程組

 

等價於單個方程:

 

遞歸可枚舉集可以被描述為一個集合,對其存在一種算法,對這個算法,當集合的一個成員被輸入時最終會停機,但一個非成員被輸入時會不確定的繼續。是可計算性理論(亦即遞歸論)給出了算法可計算性的直覺符號的精確解釋,因而使得遞歸可枚舉性的符號具有完美的嚴格性。顯然,丟番圖集是遞歸可枚舉的。因為可以排列所有可能的未知數的值的多元組為一個序列,然後對於一個給定的參數值,一個接一個的測試這些多元組,看他們是否是相應方程的解。希爾伯特第十問題的不可解性源於令人驚訝的事實──其逆命題成立:

每個遞歸可枚舉集都是丟番圖集。

這一結果即馬季亞謝維奇定理(由他提供的完成證明的關鍵步驟)和MRDP定理(即尤里·馬季亞謝維奇Yuri Matiyasevich),朱莉婭·羅賓遜Julia Robinson),馬丁·戴維斯Martin Davis)和希拉里·普特南Hilary Putnam)各人姓氏的首字母縮寫)。因為「存在一個遞歸可枚舉集是不可計算的」,希爾伯特第十問題的不可解性是其直接後果。實際上,還有更多的結論:有一個多項式

 

有整數係數使對於方程

 

有自然數解的 的值的集合不可計算。因此,不僅沒有一般的算法測試丟番圖方程可解性,甚至也沒有算法來測試單一參數家族的方程。

丟番圖函數

遞歸函數

遞歸可枚舉集

通用丟番圖集

歷史發展

第十問題的解決是眾人集體的智慧結晶。其中美國數學家馬丁·戴維斯(Martin Davis)、希拉里·普特南(Hilary Putnam)和朱莉婭·羅賓遜英語Julia Robinson(Julia Robinson)做出了突出的貢獻。而最終的結果,是由俄國數學家尤里·馬季亞謝維奇(Yuri Matiyasevich)於1970年所完成的。

年代 事件
1944 埃米爾·萊昂·珀斯特英語Emil Leon Post首先猜測,對於第十問題,應尋求不可解的證明。
1949 馬丁·戴維斯利用庫爾特·哥德爾的方法,並應用中國餘數定理的編碼技巧,得到遞歸可枚舉集的戴維斯範式
 

其中 是不定方程。他注意到丟番圖集的補集並非丟番圖的。而遞歸可枚舉集對於補集運算也非封閉的,他因此猜測這兩個集合類是相同的。

1950 朱莉婭·羅賓遜在未知戴維斯工作的情況下,試圖證明冪函數是丟番圖的
 

雖然並未成功,她發現如果存在這樣的丟番圖集 ,使得

 

而且

  使得  

在假設這樣丟番圖集存在(稱為J.R.)的情況下,她證明了冪函數是丟番圖的。並且如果冪函數是丟番圖的,那麼二項式係數階乘以及質數集合都是丟番圖的。

1959 戴維斯與普特南共同研究了指數丟番圖集,也就是以丟番圖方程所定義的集合,但其中指數可以是未知數。使用戴維斯範式與羅賓遜的方法,並且利用數論中一個當時尚未證明的假設(註:已於2004年由班·格林英語Ben Green陶哲軒所證明):存在任意有限長度全由質數所組成的算數級數,他們證明了每一個遞歸可枚舉集都是指數丟番圖的。因此若是J.R.成立,就可以將「指數」兩字拿掉,而得到每一個遞歸可枚舉集都是丟番圖的。因而第十問題是不可解的。
1960 羅賓遜證明了上述的數論假設是不必要的,並且大大簡化了證明。從而可知,只要能證明冪函數是丟番圖的,第十問題就可以解決。而關鍵又是尋找滿足J.R.假設的丟番圖集。
1961-1969 戴維斯與普特南提出數種可證明J.R.的假定。羅賓遜指出,若存在一個全由質數組成的無限丟番圖集,便可證明J.R.
1970 尤里·馬季亞謝維奇指出可由十個一次和二次的聯立不定方程組,定義偶角標的斐波那契函數
 

其中 是第 個斐波那契數。也就是它是丟番圖的,並滿足J.R.假設。從而可構造出一個不定方程,它不是遞歸可解的。也就是不存在算法,可以計算該方程式的整數解。因此使得希爾伯特第十問題,得到最終否定的解答

外部連結