Informace o přednášce Úvod do teorie čísel (MAI040)

Pravidelná každoroční přednáška, co bylo dříve lze nalézt zde. Sylabus a anotace jsou v SISu. K přednášce jsem napsal učební text  v angličtině, zde jsou k němu opravy a doplňky. Přednáška se koná ve středu od 12:20 na chodbě KAM (Malá Strana, 2. patro) Literatura - skoro vše, co přednáším, lze nalézt v klasické knize G. H. Hardy & E. M. Wright: An Introduction to the Theory of Numbers
Zkouška je ústní s písemnou přípravou. Zkušební termíny: po domluvě, v pracovně. Zkušební otázky: 1a. Dirichletova věta o diof. aproximacích a její aplikace.  1b. Existence transcendentních čísel: Liouvilleova nerovnost. 1c. Důkaz transcendence čísla e.  2a. Fermatova poslední věta pro n=2 a n=4. 2b.  Teorie Pellovy rovnice. 2c. Lagrangeova věta o 4 čtvercích, aritmetický dukaz. 3. Minkowského věta a její aplikace (geometrický  důkaz věty o čtyřech čtvercích). 4a. Důkaz, že prvočíselná funkce pi(x) = o(x), pomocí nerovnosti prod_{p < x}(1 - p^{-1})^{-1} > sum_{n < x} n^{-1}, a důkaz, že sum_{p < x} (log p) / p = log x + O(1). 4b. Čebyševovy odhady prvočíselné funkce pi(x). 4c. Spec. případ Dirichletovy věty o prvočíslech v aritmetické posloupnosti pro  modul 4: dokažte, že sum_{p = 1 + 4n < x} (log p) / p = (log x) / 2 + O(1) i sum_{p = 3 + 4n < x} (log p) / p = (log x) / 2 + O(1); důkaz je sepsán zde. 5. Teorie kvadratických zbytků včetně zákona reciprocity. 6a. Dokažte Eulerovu pentagonální identitu. 6b. Dokažte, že všechna čísla p(4), p(9), p(14), p(19), p(24), ... jsou dělitelná pěti (p(n) je počet rozkladů čísla n).

1. přednáška 10. 10. 2012. 1. Diofantické aproximace. Dirichletova věta: 1. Pro každé reálné alfa a celé Q > 1 existuje zlomek p/q splňující 1 < q < Q a |alfa - p/q| =< 1/qQ. 2. Pro iracionální alfa existuje nekonečně mnoho zlomků p/q, že |alfa - p/q| < 1/q^2 . Důkaz přihrádkovým principem a pomocí Fareyových zlomků. Aplikace: Fermatova-Eulerova věta o 2 čtvercích. Příště: základní vlastnost Fareyových zlomků - dva sousední mají nejmenší možnou vzdálenost - a Hurwitzova věta. Úlohy. 1. Pro racionální alfa část 2 Dirichletovy věty neplatí. 2. Jak se pomocí Fareyových zlomků dostane nekonečně mnoho dirichletovských aproximací? 3. Jeden ze dvou sousedních Fareyových zlomků svírajících číslo alfa splňuje dokonce |alfa - p/q| < 1/2q^2. 4. Tři sousední Fareyovy zlomky a/b < c/d < e/f splňují (a + e)/(b + f) = c/d.

2. přednáška 17. 10. 2012. (Cauchyův) důkaz základní vlastnosti Fareyových zlomků. Hurwitzova věta: pro iracionální alfa má nerovnost | alfa  - p/q| < 5^{-1/2}q^{-2} nekonečně mnoho racionálních řešení p/q, ale po jakémkoli zmenšení konstanty 5^{-1/2} to už neplatí. Definice řetězového zlomku reálného čísla, řetězové rozvoje čísel e a pi.  Je otevřeným problém dokázat, že členy řetězového rozvoje čísla 2^{1/3} jsou neomezené. Úloha: dokažte, že zlatý řez má řetězový zlomek [1,1,1,1,1,1,...].

3. přednáška 24. 10. 2012. Liouvilleova nerovnost: je-li a algebraické číslo stupně n > 1 a p / q je zlomek, pak | a - p / q | >> 1 / q^n, kde implicitní konstanta závisí pouze na a. Úlohy: a) je-li a takové iracionální reálné číslo, že pro každé n existuje zlomek p / q s q > 1, že | a - p / q | < 1 / q^n, potom je a transcendentní; b) číslo 0.10100100000010...24 nul ... 010...120 nul...010... je transcendentní. Hermiteho věta: číslo e je transcendentní, Hilbertův důkaz.

4. přednáška 31. 10. 2012. 2. Diofantické rovnice. Tři známé a již vyřešené problémy o diofantických rovnicích: Desátý Hilbertův problém (algoritmická rozhodnutelnost existence řešení), Poslední  Fermatova věta (x^n + y^n = z^n nemá řešení v N pro n > 2) a Catalanova domněnka (jediné řešení rovnice x^a - y^b = 1 v N \ {1} je 3^2 - 2^3 = 1).  Popis pythagorejských trojic, tj. řešení  rovnice x^2 + y^2 = z^2 v celých číslech. Fermatova věta: x^4 + y^4 = z^2 nemá v N řešení. Pellova rovnice: x^2 - dy^2 = 1, kde d je z N \ {1, 4, 9, 16, ...}. Zatím jsme si pouze dokázali, že jedno netriviální řešení (různé od +-1, 0) generuje nekonečně mnoho řešení.

5. přednáška 7. 11. 2012. Teorie Pellovy rovnice:  má vždy netriviální řešení, zobecněná Pellova rovnice x^2 - dy^2 = m má buď žádné nebo nekonečně mnoho řešení a (kladná) řešení Pellovy rovnice tvoří nekonečnou cyklickou grupu. Lagrangeova věta o 4 čtvercích, zatím Eulerova čtyřčtvercová identita a lemma o řešení kongruence 1 + a^2 + b^2 = 0 (mod p).

6. přednáška 14. 11. 2012. Dokončení aritmetického důkazu Lagrangeovy věty o 4 čtvercích. 3. Geometrie čísel. Mřížka v R^n, základní rovnoběžník, jeho posuny vektory mřížky rozkládají R^n, nezávislost jeho objemu na volbě báze. Minkowskiho věta o konvexním tělese (středově souměrné konvexní těleso B s objemem > 2^n krát objem mřížky L nutně obsahuje vektor z L různý od počátku). Geometrický důkaz Lagrangeovy věty o 4 čtvercích pomocí M. věty: zatím jsme  si řekli, jak v R^4 volit  B a L, dokončíme to příště. Závěrem zmatená poznámka o největším objemu d-rozměrné koule. Správně to je následovně. Objem koule s poloměrem 1 je pi^k / k! v dimenzi 2k a 2^{k+1}pi^k / (2k + 1)!! v dimenzi 2k + 1. Pro dimenzi jdoucí do nekonečna to jde (překvapivě?) k 0, takže se někde nabývá maximum, což se ukazuje být dimenze 5.

7. přednáška 21. 11. 2012. Dokončení důkazu věty o 4 čtvercích pomocí Minkowskiho věty o konvexním tělese. 4. Prvočísla. Čtyři důkazy nekonečnosti počtu prvočísel: Euklidův (vynásob všechna prvočísla a přičti 1), Goldbachův (čísla 2^{2^i} + 1 jsou po dvou nesoudělná), Furstenbergův-Cassův-Wildenbergův (pomocí periodických podmnožin v Z) a Sylvestrův-Eulerův (pomocí nerovnosti prod_{p<x}(1 - 1 / p)^{-1}) > sum_{n<x} 1 / n).  Začátek důkazu, že ze S.-E. nerovnosti plyne také, že pi(x) = o(x), ale zasekli jsme se na vzorci pro Eulerovu funkci fi(n): fi(n) = počet přir. čísel nepřesahujících n a nesoudělných s n = (1 - 1 / p_1)...(1 - 1 / p_k)n, kde p_i jsou prvočinitele n.

8. přednáška 28. 11. 2012. Tvrzení: pi(x) = o(x), důkaz pomocí vzorce pro fi(n) a S.-E. nerovnosti. Tvrzení (Čebyševovy odhady): c_1x / log x < pi(x) < c_2x / log x, důkaz pomocí prvočíselných rozkladů binomického koeficientu B(2n, n). První  Mertensova formule: sum_{p < x} (log p) / p = log x + O(1), dokončení důkazu příště.

9. přednáška 5. 12. 2012. Dokončení důkazu asymptotiky sumy sum_{p < x} (log p) / p = log x + O(1). Dirichletova věta (1837): pro každá dvě nesoudělná přirozená čísla a, m obsahuje aritmetická posloupnost a, a + m, a + 2m, ... nekonečně mnoho prvočísel, bez důkazu. Dokázali jsme si ale speciální případ m = 4, tedy že existuje nekonečně mnoho prvočísel tvaru 1+ 4n i 3 + 4n, a to modifikací Euklidova argumentu. Větička: oba typy prvočísel p = 1 + 4n a p = 3 + 4n se vyskytují zhruba stejně často v tom smyslu, že platí sum_{p = 1 + 4n < x} (log p) / p = (log x) / 2 + O(1) i sum_{p = 3 + 4n < x} (log p) / p = (log x) / 2 + O(1), důkaz - tento důkaz lze rozšířit na obecný případ a dokázat jím Dirichletovu větu ve tvaru sum_{p = a + mn < x} (log p) / p = (log x) / fi(m) + O(1).  Zde je důkaz Větičky, který není v mém hořejším učebním textu.

10. přednáška 12. 12. 2012. 5. Kongruence. Kvadratické (ne)zbytky. Definice, Legendreův symbol a jeho vlastnosti: Eulerovo kritérium, multiplikativita. Hodnoty (-1 / p). Gaussovo lemma, hodnoty (2 / p).  Zákon kvadratické reciprocity. Suma S(a, b) a důkaz reciprocity S(a, b) + S(b, a) = (a - 1)(b - 1) / 4). Dokončení důkazu zákona kvadratické reciprocity příště.

11. přednáška 19. 12. 2012. Dokončení důkazu zákona kvadratické reciprocity. 6. Číselné rozklady. Kompozice a číselné rozklady. Kompozic čísla n s k částmi je B(n-1, k-1) a všech je 2^{n-1}. Eulerova identita pro generující funkci počtů rozkladů p(n): 1 + p(1)x + p(2)x^2 + ... = (1 - x)^{-1}(1 - x^2)^{-1}(1 - x^3)^{-1} .... Formulace Eulerovy pentagonální identity: 1) (1 - x)(1 - x^2)(1 - x^3) ... = 1 - x - x^2 + x^5 + x^7 - ..., jinými slovy 2) p(n) = p(n - 1) + p(n - 2) - p(n - 5)  - p(n - 7) + ... a ještě jinými slovy 3) p_{rs}(n) - p_{rl}(n) = 0 pro nepentagonální n a = (-1)^m, když je n = (m^2 +- 3m) / 2 (pentagonální n). Důkaz příště.

12. přednáška 3. 1. 2013. Důkaz Eulerovy pentagonální identity ve tvaru 3). Dokážeme si následující Ramanujanův výsledek. Tvrzení: počet číselných rozkladů p(5m + 4) je dělitelný 5 pro každé m = 0, 1, 2, ... . K důkazu budeme potřebovat Jacobiho třísoučinovou identitu (s dvěma proměnnými x a z): prod_{n=1}^{oo}(1 - x^{2n})*(1 + x^{2n - 1}z)*(1 + x^{2n - 1}z^{-1}) = sum_{n=-oo}^{oo} x^{n^2}z^n. Důkaz pomocí Ferrersových diagramů bude příště. Zatím jsme z ní (skoro, až na mou hloupou chybu) odvodili trojúhelníkovou identitu: prod_{n=1}^{oo}(1 - x^n)^3 = sum_{n=0}^{oo}(-1)^n*(2n + 1)*x^{n(n + 1)/2} (exponenty n(n + 1)/ jsou trojúhelníková čísla, levá strana je třetí mocnina součinu z Eulerovy pentagonální identity). Dokončení důkazu příště. (Má chyba spočívala ve špatné substituci -xz^2 za z v JTI ve třetím činiteli (1 + x^{2n - 1}z^{-1}), kdy správně  vyjde (1 - x^{2n - 2}z^{-2}) a nikoli (1 - x^{2n}z^{-2}).) Tento důkaz je popsán na str. 8-16 v Kaleidoskopu teorie čísel (7. kapitola) (1. kongruence ve Větě 224).

13. přednáška 9. 1. 2013. Dokončení důkazu Ramanujanovy kongruence p(5m + 4) = 0 (mod 5). Wrightův důkaz Jacobiho třísoučinové identity pomocí Ferrersových diagramů.


leden 2013