2012河北中考数学世界近代三大数学难题之一----哥德巴赫猜想

2020年11月11日发(作者：牛舜耕)
世界近代三大数学难题之一----哥德巴赫猜想
哥德巴赫是德国一位中学教师，也是一位著 名的数学家，生于1690年，1725年当选为俄国
彼得堡科学院院士。1742年，哥德巴赫在教学 中发现，每个不小于6的偶数都是两个素数(只
能被和它本身整除的数)之和。如6＝3＋3，12＝5 ＋7等等。1742年6月，哥德巴赫写信将
这个问题告诉给意大利大数学家欧拉，并请他帮助作出证明 。欧拉在6月30日给他的回信
中说，他相信这个猜想是正确的，但他不能证明。叙述如此简单的问题， 连欧拉这样首屈一
指的数学家都不能证明，这个猜想便引起了许多数学家的注意。他们对一个个偶数开始 进行
验算，一直算到3.3亿，都表明猜想是正确的。但是对于更大的数目，猜想也应是对的，然
而不能作出证明。欧拉一直到死也没有对此作出证明。从此，这道著名的数学难题引起了世
界上成千上 万数学家的注意。200年过去了，没有人证明它。哥德巴赫猜想由此成为数学皇
冠上一颗可望不可及的 “明珠”。到了20世纪20年代，才有人开始向它靠近。1920年、挪
威数学家布爵用一种古老的筛 选法证明，得出了一个结论：每一个比大的偶数都可以表示为
(99)。这种缩小包围圈的办法很管用， 科学家们于是从(9十9)开始，逐步减少每个数里所含
质数因子的个数，直到最后使每个数里都是一个 质数为止，这样就证明了“哥德巴赫”。 1924
年，数学家拉德马哈尔证明了(7＋7)；1932 年，数学家爱斯尔曼证明了(6＋6)；1938年，数
学家布赫斯塔勃证明了(5十5)，1940年 ，他又证明了(4＋4)；1956年，数学家维诺格拉多
夫证明了(3＋3)；1958年，我国数学 家王元证明了(2十3)。随后，我国年轻的数学家陈景
润也投入到对哥德巴赫猜想的研究之中，经过1 0年的刻苦钻研，终于在前人研究的基础上
取得重大的突破，率先证明了(l十2)。至此，哥德巴赫猜 想只剩下最后一步(1＋1)了。陈景
润的论文于1973年发表在中国科学院的《科学通报》第17期 上，这一成果受到国际数学界
的重视，从而使中国的数论研究跃居世界领先地位，陈景润的有关理论被称 为“陈氏定理”。
1996年3月下旬，当陈景润即将摘下数学王冠上的这颗明珠，“在距离哥德巴赫猜 想(1＋1)
的光辉顶峰只有飓尺之遥时，他却体力不支倒下去了……”在他身后，将会有更多的人去攀
登这座高峰。
几个未解的题。
1、求 (11)^3+（12）^3+(13)^3+(14)^3+(15)^3+ … +（1n）^3=? 更一般地：
当k为奇数时 求(11)^k+（12）^k+(13)^k+(14)^k+(15)^k+ … +（1n）^k=?
欧拉已求出：
(11)^2+（12）^2+(13)^2+(14)^2+(15)^2+ … +（1n）^2=（π^2）6
并且当k为偶数时的表达式。
2、e+π的超越性
此题为希尔伯特第7问题中的一个特例。
已经证明了e^π的超越性，却至今未有人证明e+π的超越性。
3、素数问题。
证明：ζ(s)=1+(12)^s+(13)^s+(14)^s+(15)^s + … (s属于复数域)
所定义的函数ζ(s)的零点，除负整实数外，全都具有实部12。此即黎曼猜想 。也就是希尔
伯特第8问题。美国数学家用计算机算了ζ(s)函数前300万个零点确实符合猜想。希 尔伯特
认为黎曼猜想的解决能够使我们严格地去解决歌德巴赫猜想（任一偶数可以分解为两素数之
和）和孪生素数猜想（存在无穷多相差为2的素数）。
引申的问题是：素数的表达公式？素数的本质是什么？
4、 存在奇完全数吗？
所谓完全数，就是等于其因子的和的数。
前三个完全数是：
6=1+2+3
28=1+2+4+7+14
496=1+2+4+8+16+31+62+124+248
目前已知的32个完全数全部是偶数。
1973年得到的结论是如果n为奇完全数，则：
n>10^50
5、 除了8=2^3,9=3^2外，再没有两个连续的整数可表为其他正整数的方幂了吗？
这是卡塔兰 猜想（1842）。1962年我国数学家柯召独立证明了不存在连续三个整数可表为其
它正整数的方幂 。1976年，荷兰数学家证明了大于某个数的任何两个正整数幂都不连续。
因此只要检查小于这个数的 任意正整数幂是否有连续的就行了。但是，由于这个数太大，有
500多位，已超出计算机的计算范围。 所以，这个猜想几乎是正确的，但是至今无人能够证
实。
6、 任给一个正整数n，如果n 为偶数，就将它变为n2,如果除后变为奇数，则将它乘3加
1（即3n+1）。不断重复这样的运算， 经过有限步后，一定可以得到1吗？
这角古猜想（1930）。人们通过大量的验算，从来没有发现反例，但没有人能证明。
三 希尔伯特23问题里尚未解决的问题。
1、问题1连续统假设。全体正整数（被称为可数集）的基数 和实数集合（被称为连续统）
的基数c之间没有其它基数。
1938年奥地利数学家哥德尔证明此假设在集合论公理系统，即策莫罗-佛朗克尔公理系统里，
不可证伪。1963年美国数学家柯恩证明在该公理系统，不能证明此假设是对的。所以，至
今未有人 知道，此假设到底是对还是错。
2、问题2 算术公理相容性。
哥德尔证明了算术系统 的不完备，使希尔伯特的用元数学证明算术公理系统的无矛盾性的想
法破灭。
3、 问题7 某些数的无理性和超越性。 见上面 二 的 2

5、 问题 8 素数问题。见上面 二 的 3
6、 问题 11 系数为任意代数数的二次型。
德国和法国数学家在60年代曾取得重大进展。
7、 问题 12 阿贝尔域上的克罗内克定理在任意代数有理域上的推广。
此问题只有些零散的结果，离彻底解决还十分遥远。
8、 问题13 仅用二元函数解一般7次代数方程的不可能性。
1957苏联数学家解决了连续函数情形。如要求是解析函数则此问题尚未完全解决。
9、 问题15 舒伯特计数演算的严格基础。
代数簌交点的个数问题。和代数几何学有关。
10、 问题 16 代数曲线和曲面的拓扑。
要求代数曲线含有闭的分枝曲线的最大数目。和微分方程的极限环的最多个数和相对位置。
11、 问题 18 用全等多面体来构造空间。
无限个相等的给定形式的多面体最紧密的排列问题，现在仍未解决。
12、 问题 20 一般边值问题。
偏微分方程的边值问题，正在蓬勃发展。
13、 问题 23 变分法的进一步发展。

四 千禧七大难题
2000年美国克雷数学促进研究 所提出。为了纪念百年前希尔伯特提出的23问题。每一道题
的赏金均为百万美金。
1、 黎曼猜想。 见 二 的 3
透过此猜想，数学家认为可以解决素数分布之谜。这个问题是希尔伯特 23个问题中还没有
解决的问题。透过研究黎曼猜想数学家们认为除了能解开质数分布之谜外，对於解析 数论、
函数理论、椭圆函数论、群论、质数检验等都将会有实质的影响。
2、杨-密尔斯理论与质量漏洞猜想(Yang-Mills Theory and Mass GapHypothesis)
西元1954 年杨振宁与密尔斯提出杨-密尔斯规范理论，杨振宁 由数学开始，提出一个具有
规范性的理论架构，后来逐渐发展成为量子物理之重要理论，也使得他成为近 代物理奠基的
重要人物。杨振宁与密尔斯提出的理论中会产生传送作用力的粒子，而他们碰到的困难是这
个粒子的质量的问题。他们从数学上所推导的结果是，这个粒子具有电荷但没有质量。然而，
困 难的是如果这一有电荷的粒子是没有质量的，那麼为什麼没有任何实验证据呢？而如果假
定该粒子有质量 ，规范对称性就会被破坏。一般物理学家是相信有质量，因此如何填补这个
漏洞就是相当具挑战性的数学 问题。
3、P 问题对NP 问题(The P Versus NP Problems)
随著计算尺寸的增大，计算时间会以多项式方式增加的型式的问题叫做「P 问题」。P 问题
的P 是Polynomial Time(多项式时间)的头一个字母。已知尺寸为n，如果能决定计算时间在
cnd (c 、d 为正实数) 时间以下就可以或不行时，我们就称之为「多项式时间决定法」。而
能用这个算法解的问题就是P 问题。反之若有其他因素，例如第六感参与进来的算法就叫
做「非决定性算法」，这类的问题就是「NP 问题」，NP 是Non deterministic Polynomial time
(非决定性多项式时间)的缩写。由定义来说，P 问题是NP 问题的一部份。但是否NP 问题
里面有些不属於P 问题等级的东西呢？或者NP 问题终究也成为P 问题？这就是相当著名
的PNP 问题。
4、.纳维尔–史托克方程（Navier–Stokes Equations）
因为尤 拉方程太过简化所以寻求作修正，在修正的过程中产生了新的结果。法国工程师纳维
尔及英国数学家史托 克经过了严格的数学推导，将黏性项也考虑进去得到的就是纳维尔–史
托克方程。自从西元1943 年法国数学家勒雷（Leray）证明了纳维尔–史托克方程的全时间
弱解(global weak solution)之后，人们一直想知道的是此解是否唯一？得到的结果是：如果事
先假设纳维尔–史 托克方程的解是强解(strong solution)，则解是唯一。所以此问题变成:弱解
与强解 之间的差距有多大，有没有可能弱解会等於强解？换句话说，是不是能得到纳维尔–
史托克方程的全时间 平滑解？再者就是证明其解在有限时间内会爆掉(blow up in finite
time)。 解决此问题不仅对数学还有对物理与航太工程有贡献，特别是乱流(turbulence)都会有
决定 性的影响，另外纳维尔–史托克方程与奥地利伟大物理学家波兹曼的波兹曼方程也有密
切的关系，研究纳 维尔–史托克（尤拉）方程与波兹曼方程（Boltzmann Equations）两者之
关系的学问叫做流体极限(hydrodynamics limit)，由此可见纳维尔–史托克方程本身有非常丰
富之内涵。
5.庞加莱臆测(Poincare Conjecture)
庞加莱臆测是拓朴学的大问 题。用数学界的行话来说：单连通的三维闭流形与三维球面同胚。
从数学的意义上说这是一个看似简单却 又非常困难的问题，自庞加莱在西元1904 年提出之
后，吸引许多优秀的数学家投入这个研究主题。 庞加莱（图4）臆测提出不久，数学们自然
的将之推广到高维空间(n4)，我们称之为广义庞加莱臆测 ：单连通的≥n(n4)维闭流形，如果
与n ≥ 维球面有相同的基本群(fundamental group)则必与n维球面同胚。经过近60 年后，西
元1961 年，美国数学家斯麦尔（Sma le）以巧妙的方法，他忽略三维、四维的困难，直接
证明五维(n5)以上的≥广义庞加莱臆测，他因 此获得西元1966 年的费尔兹奖。经过20年之
后，另一个美国数学家佛瑞曼（Freedman） 则证明了四维的庞加莱臆测，并於西元1986年
因为这个成就获得费尔兹奖。但是对於我们真正居住的 三维空间(n3)，在当时仍然是一个未
解之谜。一直到西元2003 年4 月，俄罗斯数学家斐雷曼 （Perelman）於麻省理工学院做了
三场演讲，在会中他回答了许多数学家的疑问，许多迹象显示 斐雷曼可能已经破解庞加莱臆
测。数天后「纽约时报」首次以「俄国人解决了著名的数学问题」为题向公 众披露此一消息。
同日深具影响力的数学网站MathWorld 刊出的头条文章为「庞加莱臆测被证 明了，这次是
真的！」[14]。数学家们的审查将到2005年才能完成，到目前为止，尚未发现斐雷 曼无法领
取克雷数学研究所之百万美金的漏洞。
6.白之与斯温纳顿-戴尔臆测（Birch and Swinnerton-DyerConjecture）一般的椭圆曲线方程式
y^2=x^3+ax+b ，在计算椭圆之弧长时就会遇见这种曲线。自50 年代以来，数学家便发 现
椭圆曲线与数论、几何、密码学等有著密切的关系。例如：怀尔斯（Wiles）证明费马最后
定理，其中一个关键步骤就是用到椭圆曲线与模形式(modularform)之关系－即谷山- 志村猜
想，白之与斯温纳顿-戴尔臆测就是与椭圆曲线有关。
60年代英国剑桥大学的白之与斯温纳顿-戴尔利用电脑计算一些多项式方程式的有理数解。
通 常会有无穷多解，然而要如何计算无限呢？其解法是先分类，典型的数学方法是同余
(congruen ce)这个观念并藉此得同余类(congruence class)即被一个数除之后的余数，无穷多个数不可能每个都要。数学家自然的选择了质数，所以这个问题与黎曼猜想之Zeta 函数有关。
经 由长时间大量的计算与资料收集，他们观察出一些规律与模式，因而提出这个猜测。他们
从电脑计算之结 果断言：椭圆曲线会有无穷多个有理点，若且唯若附於曲线上面的 Zeta 函
数ζ (s) = 时取值为0，即ζ (1)；当s1= 0
7.霍奇臆测(Hodge Conjecture)
「任意在非奇异投影代数曲体上的调和微分形式，都是代数圆之上同调类的有理组合。」最
后的 这个难题，虽不是千禧七大难题中最困难的问题，但却可能是最不容易被一般人所了解
的。因为其中有太 多高深专业而且抽象参考资料：《数学的100个基本问题》《数学与文化》
《希尔伯特23个数学问题 回顾》