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 v pondělí od 12:20 v S 11 (Malá Strana, 1. 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. Důkaz, že prvočíselná funkce pi(x) = o(x), pomocí nerovnosti prod_{p <= x}(1 - p^{-1})^{-1} > sum_{n <= x} n^{-1}. 1b. Čebyševovy odhady prvočíselné funkce pi(x). 1c. Spec. případ Dirichletovy věty: důkaz, že je nekonečně mnoho prvočísel tvaru pn+1 (pro libovolné pevné prvočíslo p). 2a. Dirichletova věta o diof. aproximacích a její aplikace.  2b. Existence transcendentních čísel: Liouvilleova nerovnost. 2c. důkaz transcendence čísla e. 3a. Fermatova poslední věta pro n=2 a n=4. 3b.  Teorie Pellovy rovnice. 3c. Lagrangeova věta o 4 čtvercích, aritmetický dukaz. 4. Minkowského věta a její aplikace (geometrický  důkaz věty o čtyřech čtvercích).  5. Teorie kvadratických zbytků včetně zákona reciprocity. 6. Identity pro číselné rozklady.

1. přednáška 10. 10. 2011. Literatura k přednášce. O čem je teorie čísel: aritmetické, algebraické a kombinatorické vzory v Z (okruh celých čísel). 1. Prvočísla. Základní věta aritmetiky (jednoznačnost prvočíselných rozkladů), důkaz. Euklidova věta (nekonečnost počtu prvočísel), 4 důkazy (Euklidův, Goldbachův, pologrupový, Eulerův-Sylvestrův).

2. přednáška 17. 10. 2011. Prvočíselná věta, bez důkazu. Dva důsledky nerovnosti prod_{p <= x}(1 - p^{-1})^{-1} > sum_{n <= x} n^{-1}: řada převrácených hodnot prvočísel diverguje a pi(x) = o(x), tj. prvočísla tvoří řídkou množinu, důkazy. Čebyševovy nerovnosti  c_1x / log x < pi(x) < c_2x / log x, dokončení důkazu příště.

3. přednáška 24. 10. 2011. Dokončení důkazu. Dirichletova věta (1837): a + d, a+ 2d, a + 3d, ... pro nesoudělná přir. čísla a, d obsahuje nekonečně mnoho prvočísel, bez důkazu. Speciální případ a = 3, d= 4, důkaz. Speciální případ a = 1, d = p prvočíslo, důkaz pomocí polynomu (x^p - 1) / (x - 1) = x^{p - 1} + x^{p - 2} + ... + x + 1 a lemmatu, že nenulové hodnoty každého nekonstantního celočíselného polynomu jsou dělitelné nekonečně mnoha prvočísly. 2. Diofantické aproximace. Dirichlet (1842): 1. Pro každé reálné alfa a celé Q > 1 existuje zlomek p / q splňující 0 < 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.

4. přednáška 31. 10. 2011. Fermatova-Eulerova věta: každé prvočíslo tvaru p = 4n + 1 je součet 2 čtverců, důkaz pomocí části 1 Dirichletovy věty (a lemmatu, že -1 je čtverec modulo takové prvočíslo, což vyplývá z Wilsonovy kongruence (p - 1)! = -1 mod p, platné pro každé prvočíslo). Algebraická a transcendentní čísla. Liouvilleova nerovnost: |alfa - p / q| >> 1 / q^n pro každé reálné algebraické číslo alfa stupně n > 1 a každý zlomek p / q. Liouvilleova čísla (irac. čísla porušující L. nerovnost pro každé n) jsou transcendentní, např. 1 / 10^{1!} + 1 / 10^{2!} + 1 / 10^{3!} + ... . Důkaz L. nerovnosti příště.

5. přednáška 7. 11. 2011. Důkaz L. nerovnosti. Informativně: Hurwitzova věta (sqrt{5} je nejlepší konstanta v odhadu 1 / cq^2 v Dirichletově větě) a Rothova věta (zlepšení L. nerovnosti na >> 1 / q^{2 + ep}.) Důkaz transcendence čísla e.

6. přednáška 14. 11. 2011. Zmínka o 7. Hilbertově problému (Gelfondova-Schneiderova věta). 3. Diofantické rovnice. Tři známé a již rozřešené diofantické problémy (10. H. pr., FPV, Catalanův pr.). FPV pro n=2 a n=4, s důkazy. Pellova rovnice x^2 - dy^2 = 1, každá má nekonečně mnoho řešení, důkaz příště.

7. přednáška 21. 11. 2011. Teorie Pellovy rovnice x^2 - dy^2 = 1: každá má nekonečně mnoho řešení a množina řešení tvoří grupu, jež je v případě kladných řešení izomorfní grupě (Z, +), čili je to nekonečná cyklická grupa. Pellova rovnice s obecnou pravou stranou: buď žádné řešení nebo nekonečně mnoho. Lagrangeova věta o 4 čtvercích, aritmetický důkaz příště.

8. přednáška 28. 11. 2011. Aritmetický důkaz Lagrangeovy věty o 4 čtvercích (tj. metodou nekonečného sestupu čili indukcí). 4. Geometrie čísel. Mřížky, báze mřížky, základní rovnoběžník mřížky vzhledem k bázi, nezávislost jeho objemu na volbě báze. Minkowskiho věta o konvexním tělese, dokončení důkazu příště.

9. přednáška 5. 12. 2011. Důkaz Minkowskiho věty, aplikace: geometrický důkaz Lagrangeovy věty o 4 čtvercích. Gaussův kruhový problém (asymptotika pro průměrný řád funkce r_2(n)). 5. Kongruence - kvadratické (ne)zbytky. Základní definice, Legendreův symbol, důkaz jeho vlastnosti příště.

10. přednáška 12. 12. 2011. Vlastnosti Legendreova symbolu: Eulerovo kritérium, multiplikativita. Hodnoty (-1 / p). Gaussovo lemma, hodnoty (2 / p). Suma S(a, b) a její použití pro důkaz kvadratického zákona reciprocity (závislost hodnot (p / q) a (q / p)), dokončení důkazu příště (zbývá dokázat reciprocitu S(a, b) + S(b, a) = (a - 1)(b - 1) / 4).

11. přednáška 19. 12. 2011. Důkaz reciprocity S(a, b) + S(b, a) = (a - 1)(b - 1) / 4). 6. Číselné rozklady. Číselné rozklady a kompozice, počty kompozic čísla n. Eulerovo vyjádření generující funkce počtu rozkladů nekonečným součinem. Identity pro počty rozkladů různých typů: na < k+1 částí = na části <k+1, na různé části = na liché části.

12. přednáška 9. 1. 2012. Eulerova pentagonální identita, jedna z formulací: p(n) = p(n-1) + p(n-2) - p(n-5) - p(n-7) + p(n-12) + p(n-15) - ... (p(0) = 1), kde p(n) je počet všech rozkladů čísla n a 1, 2, 5, 7, ... jsou pětiúhelníková čísla, důkaz. Důsledek: s(n) = s(n-1) + s(n-2) - s(n-5) - s(n-7) + s(n-12) + s(n-15) - ... (s(0) = n, tj. pro pětiúhelníkové n je poslední člen vpravo roven +-n), kde s(n) je součet dělitelů čísla n, důkaz.


leden 2012