Семь величайших загадок математики реферат
Обновлено: 05.07.2024
Это может показаться удивительным, но на сегодняшний день все еще есть загадки, решить которые не удается даже великим умам. В математике таких загадок семь, и их окрестили как "Задачи тысячелетия". За решение каждой из них Математический институт имени Клэя готов заплатить 1 миллион долларов. И к 2002 году одна из наград таки дождалась своего героя.
Что же это за задачи и в чем их суть? Читайте в нашей статье.
1. Уравнения Навье-Стокса (1822 год)
Как известно, если плыть по воде на лодке, вокруг вас необратимо возникнут волны. А если лететь на самолете, в воздухе будут возникать турбулентные потоки. Оба явления уже описаны уравнениями Навье-Стокса. Проблема в том, что никто не знает ни их решения, ни каким образом их можно решить.
Суть загадки состоит в том, чтобы доказать, что решение данных уравнений существует и что оно является гладкой функцией.
2. Гипотеза Римана (1859 год)
Все мы учили в школе, что такое простые числа. Как известно, они делятся только на себя и на единицу. Например, 2, 3, 5, 7, 11 и т.д. Сколько их среди всех натуральных чисел - неизвестно, так как их распределение не поддается никакой закономерности.
Немецкий математик Риман предположил, что можно выявить свойства, на основании которых сложилась последовательность простых чисел. Если это удастся сделать, нас ожидает значительный прогресс в сфере шифрования и безопасности сети Интернет.
3. Гипотеза Пуанкаре (решена в 2002 году)
На сегодняшний день это единственная решенная задача тысячелетия. Она была сформулирована еще в 1904 году, и ее суть состояла в том, чтобы доказать, что поверхность сферы - односвязна, а поверхность тороида – нет.
В классическом изложении эта задача выглядит так: если на яблоко (сфера) попытаться натянуть резиновую ленту, то посредством ее медленного перемещения и без отрыва от поверхности яблока, удастся сжать ее до точки. Если проделать эту же операцию с бубликом (тороид), сжать ленту до точки получится только если разорвать саму ленту или сломать бублик. В этом смысле предполагалось, что поверхность яблока является односвязной, а поверхность бублика - нет. Доказать это в 2002 году удалось российскому математику Григорию Яковлевичу Перельману.
4. Гипотеза Ходжа (1941 год)
В 20 веке математиками был открыт новый метод исследования формы сложных геометрических объектов, который и по сей день широко применяется на практике. Суть его такова: на основании свойств частей одного целого изучать свойства всего объекта.
Гипотеза Ходжа как раз связана со свойствами как составных частей ("кирпичиков"), так и со свойствами целых объектов. На сегодняшний день в алгебраической геометрии это является достаточно серьезной проблемой: отыскать точные методы для анализа сложных предметов и форм на основании анализа его простых частей.
5. Уравнения Янга - Миллса (1954 год)
Физики Янг и Миллс описывали мир элементарных частиц и обнаружили, что между геометрией и физикой элементарных частиц существует связь. Эти ученые написали уравнения, применимые в области квантовой физики, из которых следовало объединение теории электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.
Таким образом, если на частицу оказывает воздействие сразу несколько полей, их суммарный эффект нельзя разложить на воздействие каждого из полей по отдельности. Происходит это от того, что, согласно теории, не только частицы материи притягиваются друг к другу, но также и силовые линии поля.
На сегодняшний день уравнения Янга-Милса были приняты учеными-физиками во всем мире, однако предсказать массы элементарных частиц экспериментальным путем в рамках их теории так и не удалось.
6. Гипотеза Бёрча и Свиннертон-Дайера (1960 год)
Эта загадка связана с описанием алгебраических уравнений третьей степени (эллиптических кривых). Пример такого уравнения - x2 + y2 = z2. Полное описание решений этого выражения сделал еще Эвклид. Но найти решения в более сложных уравнениях на данный момент очень затруднительно.
Суть задачи состоит в том, чтобы описать все возможные решения алгебраических уравнений с несколькими переменными, где х, у, z - целые числа.
7. Проблема Кука (1971 год)
Эта задача также известна как "Равенство классов P и NP". Объясним ее на простом примере: Предположим, вы находитесь в большой компании и хотите найти своего знакомого. Если вам скажут, что он сидит где-то в углу - достаточно просто взглянуть и убедиться, так ли это. Но если вам не дали точного ответа касательно того, где конкретно находится нужный вам человек, вам придется потратить значительно больше времени, чтобы найти его среди остальных гостей. Итак вопрос: Возможно ли, что процесс проверки истинности решения какой-либо задачи будет продолжительнее, чем процесс решения этой самой задачи (независимо от алгоритма проверки)?
НИКОМУ не дано владеть вселенским разумом и знать ВСЁ. Тем не менее, у большинства ученых, да и тех, кто просто любит размышлять и исследовать, всегда есть стремление узнать больше, разгадать загадки. Но остались ли еще неразгаданные темы у человечества? Ведь, кажется, все уже ясно и нужно только применять полученные веками знания?
НЕ стоит отчаиваться! Еще остались нерешенные проблемы из области математики, логики, которые в 2000 году эксперты Математического института Клэя в Кембридже (Массачусетс, США) объединили в список, так называемые, 7 загадок тысячелетия (Millennium Prize Problems). Эти проблемы волнуют ученых всей планеты. С тех пор и по сей день любой человек может заявить, что нашел решение одной из задач, доказать гипотезу и получить от бостонского миллиардера Лэндона Клэя (в честь которого и назван институт) премию. Он уже выделил на эти цели 7 миллионов долларов. К слову сказать, на сегодняшний день одна из проблем уже решена.
Итак, вы готовы узнать о математических загадках?
Уравнения Навье - Стокса (сформулированы в 1822 году)
Уравнения о турбулентных, воздушных потоках, а также течении жидкостей известны как уравнения Навье - Стокса. Если, к примеру, плыть по озеру на чем-либо, то неизбежно вокруг возникнут волны. Это касается и воздушного пространства: при полете на самолете в воздухе также будут образовываться турбулентные потоки.
Данные уравнения как раз производят описание процессов движения вязкой жидкости и являются стержневой задачей всей гидродинамики. Для некоторых частных случаев уже найдены решения, в которых части уравнений отбрасываются, как не влияющие на конечный результат, но в общем виде решения этих уравнений не найдены.
Необходимо найти решение уравнениям и выявить гладкие функции.
Гипотеза Римана (сформулирована в 1859 году)
Область: теория чисел
Известно, что распределение простых чисел (Которые делятся только на себя и на единицу: 2,3,5,7,11…) среди всех натуральных чисел не подчиняется никакой закономерности.
Над этой проблемой задумался немецкий математик Риман, который сделал свое предположение, теоретически касающееся свойств имеющейся последовательности простых чисел. Уже давно известны так называемые парные простые числа - простые числа-близнецы, разность между которыми равна 2, например 11 и 13, 29 и 31, 59 и 61. Иногда они образуют целые скопления, например, 101, 103, 107, 109 и 113.
Если такие скопления будут найдены и выведен определенный алгоритм, то это приведет к революционному изменению наших знаний в области шифрования и к невиданному прорыву в области безопасности Интернета.
Проблема Пуанкаре (сформулирована в 1904 году. Решена в 2002 году.)
Область: топология или геометрия многомерных пространств
Суть проблемы заключается в топологии и состоит в том, что если натягивать резиновую ленту, к примеру, на яблоко (сферу), то будет теоретически возможным сжать ее до точки, медленно перемещая без отрыва от поверхности ленту. Однако если эту же ленту натянуть вокруг бублика (тора), то сжать ленту без разрыва ленты или разлома самого бублика не представляется возможным. Т.е. вся поверхность сферы односвязна, в то время как тора – нет. Задача состояла в том, чтобы доказать, что односвязной является только сфера.
Представитель ленинградской геометрической школы Григорий Яковлевич Перельман является лауреатом премии тысячелетия математического института Клэя (2010 г.) за решение проблемы Пуанкаре. От знаменитой Фильдсовской премии он отказался.
Гипотеза Ходжа (сформулирована в 1941 году)
Область: алгебраическая геометрия
Уравнения Янга - Миллса (сформулированы в 1954 году)
Область: геометрия и квантовая физика
Гипотеза Берча и Свиннертон-Дайера (сформулирована в 1960 году)
Область: алгебра и теория чисел
Гипотеза связана с уравнениями эллиптических кривых и множеством их рациональных решений. В доказательстве теоремы Ферма эллиптические кривые заняли одно из важнейших мест. А в криптографии они образуют целый раздел имени себя, и на них основаны некоторые российские стандарты цифровой подписи.
Задача в том, что нужно описать ВСЕ решения в целых числах x, y, z алгебраических уравнений, то есть уравнений от нескольких переменных с целыми коэффициентами.
Проблема Кука (сформулирована в 1971 году)
Область: математическая логика и кибернетика
Ее еще называют "Равенство классов P и NP", и она является одной из наиболее важных задач теории алгоритмов, логики и информатики.
Может ли процесс проверки правильности решения какой-либо задачи длиться дольше, чем время, затраченное на само решение этой задачи (независимо от алгоритма проверки)?
На решение одной и той же задачи, порой, нужно разное количество времени, если изменить условия и алгоритмы. К примеру: в большой компании вы ищете знакомого. Если вы знаете, что он сидит в углу или за столиком - то вам понадобится доли секунд, чтобы его увидеть. Но если вы не будете знать точно, где находится объект, то затратите больше времени на его поиски, обходя всех гостей.
Основным вопросом является: все или не все задачи, которые можно легко и быстро проверить, можно также легко и быстро решить?
И в заключение….
Одну из самых популярных теорем математики - Великую (Последнюю) теорему Ферма: аn + bn = cn - не могли доказать 358 лет! И только в 1994 году британец Эндрю Уайлз смог дать ей решение.
Данная работа рассматривает историю недоказанных великих гипотез и теорий в истории математики , а также описывает историю основных открытий при доказательствах ранее недоказанных гипотез и теорем, в частности великой теоремы Ферма.
Раздел: Математика
Учебный год: 2015 / 2016
Автор: Путрова Анна Студентка 3 курса
Руководитель: Боровицкая Стелла Юрьевна
Данная работа рассматривает историю недоказанных великих гипотез и теорий в истории математики, а также описывает историю основных открытий при доказательствах ранее недоказанных гипотез и теорем, в частности великой теоремы Ферма.
7 величайших загадок математики
В течение тысячелетия математика породила 7 величайших загадок. 25 мая 2000 г. Институт математики Клея объявил о награде в $1 млн за решение каждой из этих главных математических проблем. Их обзорный список:
Уравнение Навье-Стокса о турбулентных потоках. Решения этих уравнений неизвестны, и при этом даже неизвестно, как их решать. Необходимо показать, что решение существует и является достаточно гладкой функцией. Это позволит существенно изменить способы проведения гидро- и аэродинамических расчетов.
Гипотеза Римана, 1859 [теория чисел]. Считается, что распределение простых чисел среди натуральных не подчиняется никакой закономерности. Однако немецкий математик Риман высказал предположение, касающееся свойств последовательности простых чисел. Если гипотеза Римана будет доказана, то это приведет к революционному изменению наших знаний в области шифрования и к невиданному прорыву в области безопасности Интернета.
Гипотеза Пуанкаре, 1904: всякое односвязное замкнутое трехмерное многообразие гомеоморфно трехмерной сфере [т.е. 4-мерного тороида быть не может, а наша Вселенная - трехмерная сфера?].
Теория Янга-Миллса, 1954. Уравнения квантовой физики описывают мир элементарных частиц. Физики Янг и Миллс, обнаружив связь между геометрией и физикой элементарных частиц, написали свои уравнения. Тем самым они нашли путь к объединению теорий электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Из уравнений Янга-Миллса следовало существование частиц, которые действительно наблюдались в лабораториях, поэтому теория Янга – Миллса принята большинством физиков несмотря на то, что в рамках этой теории до сих пор не удается предсказывать массы элементарных частиц.
Гипотеза Берча и Свиннертона-Дайера, 1960. Связана с описанием множества решений некоторых алгебраических уравнений от нескольких переменных с целыми коэффициентами. Примером подобного уравнения является выражение x 2 + y 2 = z 2 . [Гипотеза Пьера Ферма - частный случай гипотезы Берча и Свиннертона-Дайера? А нельзя ли ее также доказать с помощью модальных функций?]
Гипотеза Кука, 1971: может ли проверка правильности решения задачи быть более длительной, чем само получение решения, независимо от алгоритма проверки? Эта проблема – также одна из нерешенных задач логики и информатики. Ее решение революционно изменило бы основы криптографии [также как и доказательство гипотезы Римана].
Британскому профессору приснилось решение математической теоремы, которое не могли отыскать 140 лет
Одному из ведущих математиков Великобритании профессору лондонского университета Империал Колледж Дарену Кроуди удалось найти универсальное решение теоремы Шварца-Кристоффеля. Тем самым он решил одну из важнейших задач современной математики и физики, которую тщетно пытались разрешить ученые в течение последних 140 лет.
Как пишет газета Times, Кроуди заявил, что озарение пришло к нему в момент, когда он почти заснул во время ответа одного из студентов на тему динамических завихрений.
Сформулированная 140 лет назад формула Шварца-Кристоффеля является незаменимой во время проектирования различных объектов, включая здания, мосты, а также самолеты. Она определяет уровень внешней и внутренней сопротивляемости структуры и степень запаса ее прочности.
Однако классическая формула не могла быть применена для сложных объектов, имеющих отверстия и сложные формы. Профессор Кроуди нашел решение и для них, что сделало формулу универсальной. Нынешнее достижение позволяет многократно расширить сферу математического моделирования.
Сомневаться – не значит отвергать
А теперь давайте вернемся в начало нашей истории, вспомним запись Пьера Ферма на полях учебника Диофанта и еще раз зададимся вопросом: действительно ли Ферма доказал свою теорему? Этого мы, конечно, не можем знать наверняка, и как в любом деле тут возникают разные версии:
Если верна одна из двух последних версий, что наиболее вероятно, то тогда можно сделать простой вывод: великие люди, они хоть и великие, но тоже могут ошибаться или иногда не прочь приврать (в основном этот вывод будет полезен для тех, кто склонен безраздельно доверять своим кумирам и прочим властителям дум). Поэтому, читая произведения авторитетных сынов человечества или слушая их пафосные выступления, вы имеете полное право сомневаться в их утверждениях. (Прошу заметить, что сомневаться – не значит отвергать).
Подумаешь, доказали какую-то теорему…
Счастье первооткрывателя всегда достается кому-то одному – это именно он последним ударом молота раскалывает твердый орешек глубоко зарытого знания. Но нельзя игнорировать множество предыдущих ударов, которые не одно столетие формировали трещину в Великой теореме: Эйлера и Гаусса (королей математики своих времен), Эвариста Галуа (гения, успевшего за свою короткую 21-летнюю жизнь основать теории групп и полей, работы которого были признаны гениальными лишь после его смерти), Анри Пуанкаре (учредителя не только причудливых модулярных форм, но и конвенционализма – философского течения ), Давида Гилберта (одного из сильнейших математиков ХХ века), Ютаку Танияму, Горо Шимуру, Морделла, Фальтингса, Эрнста Куммера, Барри Мазура, Герхарда Фрея, Кена Риббета, Ричарда Тейлора и других настоящих ученых (не побоюсь этих слов).
Доказательство Великой теоремы Ферма можно поставить в один ряд с такими достижениями ХХ века, как изобретение компьютера, ядерной бомбы и полет в космос. Хоть о нем и не так широко известно, потому что оно не вторгается в зону наших сиюминутных интересов, как например, телевизор или электрическая лампочка, но оно явилось вспышкой сверхновой звезды, которая, как и все непреложные истины, всегда будет светить человечеству.
Гипотеза Таниямы
Небольшое пояснение. Эллиптические кривые, известные с давних пор, имеют двухмерный вид (располагаются на плоскости). Модулярные же функции, открытые в XIX веке, имеют четырехмерный вид, поэтому мы их даже представить себе не можем своими трехмерными мозгами, но можем описать математически; кроме того, модулярные формы удивительны тем, что обладают предельно возможной симметрией – их можно транслировать (сдвигать) в любом направлении, отражать зеркально, менять местами фрагменты, поворачивать бесконечно многими способами – и при этом их вид не изменяется. Как видим, эллиптические кривые и модулярные формы имеют мало общего. Гипотеза же Таниямы утверждает, что описательные уравнения двух соответствующих друг другу этих абсолютно разных математических объектов можно разложить в один и тот же математический ряд.
Гипотеза Таниямы была слишком парадоксальна: она соединила совершенно разные понятия – довольно простые плоские кривые и невообразимые четырехмерные формы. Такое никому не приходило в голову. Когда на международном математическом симпозиуме в Токио в сентябре 1955 года Танияма продемонстрировал несколько соответствий эллиптических кривых модулярным формам, то все увидели в этом не более, чем забавные совпадения. На скромный вопрос Таниямы: возможно ли для каждой эллиптической кривой найти соответствующую модулярную функцию, маститый француз Андре Вейл, который в то время был одним из лучших в мире специалистов в теории чисел, дал вполне дипломатичный ответ, что, дескать, если пытливого Танияму не покинет энтузиазм, то, может быть, ему повезет, и его невероятная гипотеза подтвердится, но это, должно быть, случится не скоро. В общем, как и многие другие выдающиеся открытия, сначала гипотеза Таниямы осталась без внимания, потому что до нее еще не доросли – ее почти никто не понял. Один лишь коллега Таниямы, Горо Шимура, хорошо зная своего высокоодаренного друга, интуитивно чувствовал, что его гипотеза верна.
(Фермисты, как ни странно, существуют и ныне. Один из них хоть и не считал, что доказал теорему, как классический фермист, но до недавних пор предпринимал попытки – отказался верить мне, когда я сообщил ему, что теорема Ферма уже доказана).
Наиболее сильные математики, может быть, в тиши своих кабинетов тоже пробовали осторожно подходить к этой неподъемной штанге, но не говорили об этом вслух, дабы не прослыть фермистами и, таким образом, не навредить своему высокому авторитету.
К тому времени появилось доказательство теоремы для показателя степени n
Синдром Великой теоремы
Самый виртуозный и плодотворный математик XVIII века Леонард Эйлер, архив записей которого человечество разгребало почти целый век, доказал теорему Ферма для степеней 3 и 4 (вернее, он повторил утерянные доказательства самого Пьера Ферма); его последователь в теории чисел, Лежандр – для степени 5; Дирихле – для степени 7. Но в общем виде теорема оставалась недоказанной.
В Вашем доказательстве теоремы Ферма на ____ странице в ____ строчке сверху
в формуле:__________________________ обнаружена следующая ошибка:,
которые рассылались незадачливым соискателям премии.
Основные характеристики компьютеров улучшаются в два раза каждые два года.
В 1960-е годы, в самом начале информационной революции, Гордон Мур, впоследствии один из основателей корпорации Intel, обратил внимание на интересную закономерность в развитии компьютеров. Он заметил, что объем компьютерной памяти удваивается примерно каждые два года. Эта закономерность стала своего рода эмпирическим правилом в компьютерной промышленности, и вскоре оказалось, что не только память, но и каждый показатель производительности компьютера — размер микросхем, скорость процессора и т. д. — подчиняется этому правилу.
Однако рано или поздно законы природы положат конец господству закона Мура. Взять, к примеру, размеры элементов микросхемы. Закон предсказывает, что к 2060 году они должны будут стать размером с одиночный атом — что невозможно с точки зрения квантовой механики!
Нулевая гипотеза
Проводя статистическое исследование, необходимо учитывать, что никакой закономерности может и не быть.
Например, когда ученый хочет найти связь между курением и раком легких, ему не достаточно найти одного курильщика, получившего (или не получившего) рак легких. Должен быть собран и проанализирован значительный объем данных, прежде чем этот ученый сможет утверждать, что между курением и раком легких существует зависимость. В исследованиях такого рода нулевая гипотеза играет ключевую роль. Нулевая гипотеза — это, по сути, предположение, что результата — конечной цели любого исследования — не существует. И как бы далеко ни зашли ваши поиски взаимосвязи между курением и раком легких, нулевая гипотеза будет утверждать, что никакой такой взаимосвязи не существует. Встает вопрос, в какой момент собранных данных станет достаточно, чтобы отвергнуть это утверждение.
Если говорить о курении и раке легких, то нулевая гипотеза была исключена уже давно: ни один уважающий себя ученый не прибегнет к ней сейчас. Но было время, когда просто-напросто не хватало данных, чтобы ее исключить; и исследователи не могли доказать, что заболеваемость раком легких среди курящих и некурящих людей не была лишь делом случая. Только имея большой массив данных и тем самым сводя возможность случайного результата к минимуму, можно исключить нулевую гипотезу.
Итак, когда вы в следующий раз будете читать работу, в которой утверждается о наличие корреляции между заболеванием и его предполагаемой причиной, спросите себя, действительно ли исследователи рассмотрели достаточное количество случаев, прежде чем исключить нулевую гипотезу.
Великая теорема Ферма
Для целых чисел n больше 2 уравнение x n + y n = z n не имеет ненулевых решений в натуральных числах.
Вы, наверное, помните со школьных времен теорему Пифагора: квадрат гипотенузы прямоугольного треугольника равен сумме квадратов катетов. Возможно, вы помните и классический прямоугольный треугольник со сторонами, длины которых соотносятся как 3 : 4 : 5. Для него теорема Пифагора выглядит так:
В 1908 году была учреждена премия в размере 100 000 немецких марок за решение этой задачи. Призовой фонд был завещан германским промышленником Паулем Вольфскелем (Paul Wolfskehl), который, согласно преданию, собирался покончить жизнь самоубийством, но так увлекся Великой теоремой Ферма, что передумал умирать. С появлением арифмометров, а затем и компьютеров планка значений n стала подниматься всё выше — до 617 к началу Второй мировой войны, до 4001 в 1954 году, до 125 000 в 1976 году. В конце XX столетия мощнейшие компьютеры военных лабораторий в Лос-Аламосе (Нью-Мексико, США) были запрограммированы на решение задачи Ферма в фоновом режиме (по аналогии с режимом экранной заставки персонального компьютера). Таким образом удалось показать, что теорема верна для невероятно больших значений x, y, z и n, но строгим доказательством это послужить не могло, поскольку любые следующие значения n или тройки натуральных чисел могли опровергнуть теорему в целом.
В 1900 Давид Гильберт включил гипотезу Римана в список 23 нерешённых проблем как часть восьмой проблемы совместно с гипотезой Гольдбаха.
Считается, что распределение простых чисел среди натуральных не подчиняется никакой закономерности. Однако немецкий математик Риман высказал предположение, касающееся свойств последовательности простых чисел. Если гипотеза Римана будет доказана, то это приведет к революционному изменению наших знаний в области шифрования и к невиданному прорыву в области безопасности Интернета.
Большинство математиков верят, что гипотеза верна. На 2004 год проверены более первых решений
Знаменит ответ Гильберта на вопрос о том, каковы будут его действия, если он по какой-то причине проспит пятьсот лет и вдруг проснется. Математик ответил, что самым первым делом он спросит была ли доказана гипотеза Римана.
Проблема Пуанкаре относится к области так называемой топологии многообразий - особым образом устроенных пространств, имеющих разную размерность. Двухмерные многообразия можно наглядно представить себе, например, на примере поверхности трехмерных тел - сферы (поверхности шара) или тора (поверхности бублика).
Легко вообразить, что произойдет с воздушным шариком, если его деформировать (изгибать, скручивать, тянуть, сжимать, пережимать, сдувать или надувать). Ясно, что при всех вышеперечисленных деформациях шарик будет изменять свою форму в широких пределах. Однако мы никогда не сможем превратить шарик в бублик (или наоборот) без нарушения непрерывности его поверхности, то есть не разрывая. В этом случае топологи говорят, что сфера (шарик) негомеоморфна тору (бублику). Это означает, что данные поверхности невозможно отобразить одну на другую. Говоря простым языком, сфера и тор различны по своим топологическим свойствам. А поверхность воздушного шарика при всевозможных его деформациях гомеоморфна сфере, равно как поверхность спасательного круга - тору. Иными словами, любая замкнутая двумерная поверхность, не имеющая сквозных отверстий, обладает теми же топологическими свойствами, что и двухмерная сфера.
Проблема Пуанкаре утверждает то же самое для трехмерных многообразий (для двухмерных многообразий, таких как сфера, это положение было доказано еще в XIX веке). Как заметил французский математик, одно из важнейших свойств двухмерной сферы состоит в том, что любая замкнутая петля (например, лассо), лежащая на ней, может быть стянута в одну точку, не покидая при этом поверхности. Для тора это справедливо не всегда: петля, проходящая через его отверстие, стянется в точку либо при разломе тора, либо при разрыве самой петли. В 1904 году Пуанкаре высказал предположение, что если петля может стягиваться в точку на замкнутой трехмерной поверхности, то такая поверхность гомеоморфна трехмерной сфере. Доказательство этой гипотезы оказалось чрезвычайно сложной задачей.
Сразу уточним: упомянутая нами формулировка проблемы Пуанкаре говорит вовсе не о трехмерном шаре, который мы можем представить себе без особого труда, а о трехмерной сфере, то есть о поверхности четырехмерного шара, который представить себе уже гораздо труднее. Но в конце 1950-х годов неожиданно выяснилось, что с многообразиями высоких размерностей работать гораздо легче, чем с трех- и четырехмерными. Очевидно, отсутствие наглядности - далеко не главная трудность, с которой сталкиваются математики в своих исследованиях.
Задача, подобная проблеме Пуанкаре, для размерностей 5 и выше была решена в 1960 году Стивеном Смэйлом (Stephen Smale), Джоном Стэллингсом (John Stallings) и Эндрю Уоллесом (Andrew Wallace). Подходы, использованные этими учеными, оказались, однако, неприменимы к четырехмерным многообразиям. Для них проблема Пуанкаре была доказана лишь в 1981 году Майклом Фридманом (Michael Freedman). Трехмерный же случай оказался самым сложным; его решение и предлагает Григорий Перельман.
Специалисты считают, что решение проблемы Пуанкаре позволит сделать серьезный шаг в математическом описании физических процессов в сложных трехмерных объектах и даст новый импульс развитию компьютерной топологии. Метод, который предлагает Григорий Перельман, приведет к открытию нового направления в геометрии и топологии.
Центральное понятие, предопределяющее структуру подавляющего большинства исследований в алгебраической геометрии, - это понятие инварианта. Идею инвариантов понять легко. Предположим, что есть два объекта (в данном случае - два множества решений тех или иных уравнений), и нужно выяснить, равны ли они. Сделать это очень сложно, если вообще возможно, - как сравнивать? Но можно установить некоторые свойства объектов, и если эти свойства окажутся не идентичными, то и исходные объекты, очевидно, не равны. Например, проверить, совпадают ли два текста, можно, сравнив их объем. Если размер текстов отличается - в них можно и не заглядывать. В алгебраической геометрии одними из простейших инвариантов являются размерность или связность искомого множества.
Обратное, разумеется, неверно: из равенства двух инвариантов нельзя ничего заключить о равенстве исходных объектов. Но и такое частичное знание - уже хорошо. А полное счастье настанет, если все же удастся доказать обратное утверждение (иными словами, если избранный набор инвариантов будет однозначно задавать исходный объект). Гипотеза Ходжа - как раз одно из таких заманчивых утверждений. Если она окажется верной, изучение большого и сложного класса алгебраических многообразий (так называют множества, составленные из кусочков, каждый из которых является множеством решений каких-либо полиномиальных уравнений) фактически сведется к изучению гораздо более простых объектов.
Теперь о текущем статусе гипотезы. В предыдущих статьях мы говорили о гипотезе Римана и уравнении Навье-Стокса. В гипотезу Римана верят все математики. В единственность решения уравнений Навье-Стокса - тоже (по крайней мере, при достаточных для практических применений условиях). Гипотеза Ходжа выбивается из этого ряда. Долгое время верили, что она верна - но доказать это никак не удавалось. В последние годы многие математики предположили, что доказательство не удается найти просто потому, что гипотеза неверна - но контрпримеров пока построить тоже не удалось. Никаких численных экспериментов в этой задаче провести невозможно. Утверждение гипотезы доказано для ряда частных случаев, но на то они и частные. Если же контрпример будет построен, вряд ли он будет иметь очень простой вид. В общем, гипотеза Ходжа пока что открыта со всех сторон.
Подробнее здесь.
V. Теория Янга-Миллса [связь геометрии с квантовой физикой], 1954.
Читать дальше.
Была предложена в 1954 году Чж. Янгом (Yang) и Р. Миллсом (Mills), однако долгое время рассматривалась лишь как математические изыски, не имеющие отношения к реальности. Несмотря на это, именно на основе теорий Янга — Миллса в 1970-х годах были созданы две краеугольные теории Стандартной Модели в физике элементарных частиц: квантовая хромодинамика (теория сильных взаимодействий) на основе группы SU(3) и теория электрослабых взаимодействий на основе группы SU(2).
Уравнения квантовой физики описывают мир элементарных частиц. Физики Янг и Миллс, обнаружив связь между геометрией и физикой элементарных частиц, написали свои уравнения. Тем самым они нашли путь к объединению теорий электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Из уравнений Янга-Миллса следовало существование частиц, которые действительно наблюдались в лабораториях, поэтому теория Янга - Миллса принята большинством физиков несмотря на то, что в рамках этой теории до сих пор не удается предсказывать массы элементарных частиц.
Нелинейность уравнений Янга — Миллса делает их очень сложными для решения. В режиме малой константы связи эти уравнения удается решить приближенно в виде ряда теории возмущений, однако как решить эти уравнения в режиме сильной связи, пока неизвестно. Неизвестно также, как именно эта нелинейность приводит к наблюдаемому в нашем мире конфайнменту в сильных взаимодействиях
Связана с описанием множества решений некоторых алгебраических уравнений от нескольких переменных с целыми коэффициентами. Примером подобного уравнения является выражение [Гипотеза Пьера Ферма - частный случай гипотезы Берча и Свиннертона-Дайера?] Подробнее здесь
VII. Гипотеза Кука, 1971 (Равенство классов P и NP)[математическая логика и кибернетика]
Читать дальше.
Допустим, находясь в большой компании, Вы хотите убедиться, что там же находится Ваш знакомый. Если Вам скажут, что он сидит в углу, то Вам достаточно доли секунды, чтобы, бросив взгляд, убедиться в истинности информации. В отсутствии этой информации Вы будете вынуждены обойти всю комнату, рассматривая гостей.
Точно так же, если кто-то сообщит Вам, что число 13717421 можно представить, как произведение двух меньших чисел, непросто быстро убедиться в истинности информации, но если Вам сообщат, что исходное число можно разложить на множители 3607 и 3803, то это утверждение легко проверяется с помощью калькулятора.
Это примеры иллюстрируют общее явление: решение какой-либо задачи часто занимает больше времени, чем проверка правильности решения. Стивен Кук сформулировал проблему: может ли проверка правильности решения задачи быть более длительной, чем само получение решения, независимо от алгоритма проверки.
Эта проблема является одной из нерешенных проблем логики и информатики. Ее решение могло бы революционным образом изменить основы криптографии, используемой при передаче и хранении данных.
(см. также здесь)
Во всем мне хочется дойти
До самой сути.
В работе, в поисках пути,
В сердечной смуте. (с)
Сообщество на diary
Читайте также: