公元前1650年左右的古埃及數學典籍《萊因德數學紙草書》,其中記錄了古埃及人如何將有理數表示為單位分數之和。


    這裏有{2,3,7,12,15,18,21,29,32,36} 10個數字組成的一個數集,我們可以選擇其中的2、3、12、18、36,就能得到1\/2+1\/3+1\/12+1\/18+1\/36=1。


    單位分數就是分子是1的分數,或者也可以說是正整數的倒數,它們是當時古埃及數字係統中唯一一類分數,他們需要用單位分數來表示其他更複雜的分數,比如將3\/4寫作1\/2和1\/4的和。


    到了20世紀70年代,有關這類分數的問題再次引起了一些數學家的興趣。當時,數學家埃爾德什(paul erd?s)和格雷厄姆(ronald graham)在探索想要設計出不滿足條件的整數集有多難,也就是說,一個整數集中不能有任何子集,其倒數之和等於1。


    如果a是n的子集,a具有正密度,那麽存在有限的s是a的子集,使得其中數的倒數和為1。在此,數集a是自然數集的子集,無論你怎麽數下去,都存在一種非零的概率,會遇到集合a中的一個數字,那麽a就具有正密度。


    猜想提出約半個世紀後,牛津大學數學家thomas bloom證明了它。


    舉個簡單的例子,a是一個包含所有大於1的奇數的集合,它屬於自然數集的子集,並滿足正密度的條件,因為無論你數到10億還是100億,也一定會遇到奇數。然後,我們可以在a中找到有限子集s ={3,5,7,9,11,33,35,45,55,77,105},而所有這些數的倒數相加恰好等於1。


    這理解起來並沒有那麽困難,但證明它顯然就變成另一迴事了。那就變成了一個大得多、複雜得多的問題。對不少數學家來說,似乎找不到什麽顯而易見的數學工具來解決它。


    數學家ernie croot,他解決了所謂的埃爾德什-格雷厄姆問題的著色版本。


    這是一種更弱的證明。可以這麽理解,在著色版本中,整數被隨機地分類,指定放到不同顏色的桶中。猜想預測,無論這種分類中用到了多少個桶,至少會有一個桶包含一個倒數之和等於1的整數子集。


    croot這篇發表於2003年的論文引入了來自調和分析的強大的新方法,那是一個與微積分密切相關的數學分支。


    著色版本和密度版本非常相似,但它們在一個非常重要的方麵卻有所不同。在著色問題中,整個數集a被分成了不同的“桶”,具體的分割方法並不重要。數學家要證明的是,有一個“桶”裏的數字滿足條件。這正是croot在論文裏構建的證明,表明了至少會有一個“桶”裏包含足夠多具有低素因子的數字,用數學術語來說就是光滑數(smooth number),從而滿足定理。


    這可以看作證明的一條捷徑,但在密度版本中,這樣的捷徑並不存在。當bloom看到這篇證明後,卻認為這種方法要比人們普遍認為的更強,那實際上證明了密度問題的一個特例。bloom謙虛地表示,他所做的“隻是又推了一下那扇已經打開的門”。


    粗略來說,先前的證明依賴於一類被稱為指數和的整數。指數和可以分成兩個部分,分別是優弧貢獻,也就是我們可以明確計算並且很大的部分,以及劣弧貢獻,也就是我們不知道如何計算,但能證明很小的部分。


    先前證明的巧妙之處在於,croot想到了一種思考劣弧貢獻的新方法,把它變成了一類不同的問題。他沒有試圖計算數值,而是研究了這個集合中倍數是如何沿著數軸分布的。


    在此基礎上,bloom將它進一步改進成適用於密度版本,進行了更多“局部”處理。在bloom的新論文中,他將自己的方法解釋為“croot引入的方法的一種更強形式”。


    同時,bloom沒有直接尋找倒數之和為1的答案,而是先找到了倒數相加更小的數集,然後再把它們當作“零件”,最終構建出想要的答案。這進一步幫助簡化了過程。


    bloom的新證明受到了許多數學家的讚賞,但這顯然不是數集與和的問題探索的終點。


    數論一直在尋找數字中的隱藏結構。當數論學家遇到一種似乎無可避免的數字模式時,他們會不斷測試這種模式的穩定程度,探索它的邊界和極限,從而挖掘出埋藏在數字中的新信息。


    在過去20年間,組合與分析數論都有了很大發展,讓數學家能夠以全新的視角看待許多古老的問題。同時,在計算機的幫助下,以更嚴格的方式檢驗證明也成為可能。

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