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¿Por qué ciertas ecuaciones de diofantina son interesantes (y otras no)?

Es muy claro el por qué de ciertas ecuaciones diferenciales, entre la selva de posibles diff ecuaciones que es posible concebir, son estudiadas: algunos vienen de los problemas físicos, o de la "espontánea" generalizaciones matemáticas de los mismos, otros provienen de la geometría en una variedad de maneras.

Para diophantine ecuaciones que parece no ser un enlace directo a otras áreas. Me gustaría aproximadamente entender por qué la atención de número de teóricos se concentra en algunos tipos de diophantine ecuaciones y en otros no.

¿Por qué una ecuación como

$x^2-ny^2=1$

o

$x^3+y^3=z^3$

es (o ha sido) considera digno de estudio, y no, digamos, cualquier otra variante aleatoria, tales como (si es que se concreta ejemplo no es lo suficientemente realista para usted, o si lo que ocurre es que se han estudiado, siéntase libre de sustituir con su favorito "al azar" de la ecuación de diophantine):

$x^3+y^5=z^2$ ? Así:

Existen razones de por qué ciertas diophantine ecuaciones merecen atención aparte de la mera accesibilidad (es decir, no estar ni trivial ni extremadamente difícil de analizar)?

47voto

$x^2 - ny^2 = 1$ es interesante al menos por dos razones: por un lado, $x^2 - ny^2$ es una norma de la cuadrática de campo, de manera que la ecuación tiene que ver con el lugar natural de la pregunta de estudio de las unidades en el real cuadrática campos. En la otra mano (o, realmente, en otro dedo de la misma mano) que es justo lo que quieres estudiar, si usted está interesado en aproximaciones racionales a las raíces cuadradas de los números enteros, que en cierto sentido son las "más simples" números irracionales y por lo tanto el primer contexto en el que se podría pensar acerca de la aproximación de irrationals por racionales.

Del mismo modo, el Fermat y generalizada de Fermat ecuaciones son bastante naturales en el siguiente sentido: hay una larga historia de estudio de la interacción entre la adición y multiplicación de números enteros, y en particular de los aditivos de las relaciones entre multiplicatively conjuntos definidos (primos, perfecto poderes, etc.) En este contexto, es lógico pensar acerca de $x^n + y^n = z^n$ y cosas como la conjetura de Goldbach. Lo que hace que el primero más natural? En cierto sentido, es natural, porque no hay un enfoque! Resulta que la ecuación de $x^n + y^n = z^n$ está íntimamente relacionada con la geometría de $P^1$ - tres puntos (en cierto sentido, la curva algebraica en la que todos los demás se basan) y a la estrecha relación del objeto X(1), el espacio de moduli de curvas elípticas.

No hay ninguna regla dura y rápida para "que Diophantine preguntas son interesantes", pero en general no es tan lejos como para decir que los que son interesantes son aquellos en los que tenemos al menos una idea de cómo atacarlos, porque la razón por la que tenemos alguna idea de cómo atacarlos es normalmente porque están conectados a algunos otros objetos matemáticos de interés.

40voto

KConrad Puntos 22631

La pregunta que se formuló compara Diophantine de las ecuaciones de ecuaciones diferenciales, con las famosas ecuaciones diferenciales de primer derivadas de física argumentos antes de tomar sobre su propia vida. Los intereses de los matemáticos hace mucho tiempo en preguntas sencillas acerca de la geometría o las potencias de los números son lo que dio lugar a la clásica Diophantine ecuaciones. Que tales ecuaciones todavía tiene interés que les es debido "tomar sobre su propia vida": las conexiones se encuentran con importantes temas de la corriente principal de las matemáticas, por lo que esos viejos ecuaciones son buenos ejemplos de teorías avanzadas.

Por ejemplo, casos especiales de la ecuación de Pell $x^2-dy^2=1$ ocurrió en el trabajo de los griegos y de los matemáticos de la India hace miles de años. Una de las razones está relacionada con la irracionalidad. Desde $\sqrt{2}$ es irracional, $x^2 - 2y^2$ no $0$ cuando las variables son números enteros positivos y usted podría preguntar, particularmente en aquellos viejos días, cuando no era muy avanzado de matemáticas, lo que el más pequeño distinto de cero valor integral de $x^2-2y^2$ podría ser, y cómo esos valores se producen. Esto conduce a $x^2-2y^2 = +1$ o $-1$, y ambas ecuaciones tienen muchas soluciones integrales mediante un método recursivo, como los Indios sabían. Si miramos $x^2 - 3y^2 = +1$ o $-1$ usted encontrará rápidamente que no hay solución cuando el lado derecho es -1, por lo que ya sucede algo nuevo.

Otra forma de la ecuación de Pell surge es a través de preguntas sobre números poligonales, que fueron un tema de interés desde hace mucho tiempo. (No voy a discutir que tienen algunos de los principales pruebas de hoy, pero, ¿qué puede esperar la gente de vuelta, luego de haber estado pensando?) Desde $$36 = 6^2 = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8$$ es un número cuadrado y triangular, se puede preguntar si hay plaza triangular más allá de los números 36, y encontrar más ejemplos es esencialmente la misma que la resolución de una instancia de la ecuación de Pell.

Muchos geométricas preguntas sobre triángulos, esp. los triángulos rectángulos, con integral o racional longitudes de los lados de plomo de bajo grado Diophantine ecuaciones. La ecuación de $a^2 + b^2 = c^2$ es demasiado famosa para decir nada acerca de. Fermat fue inspirado para mostrar $x^4 + y^4 = z^2$ no tiene no trivial de soluciones integrales con el fin de demostrar ningún derecho triángulo con el lado racional, la longitud puede tener área equivalente a un cuadrado perfecto (que no se puede "cuadrado" racional triángulo rectángulo). Como un lugar que no fue consecuencia de la solución de ese problema, Fermat había demostrado la ecuación de Fermat con exponente 4 no tiene no trivial de soluciones integrales (reemplace $z$ con $z^2$ en la ecuación anterior). El método descubierto por Fermat para este problema fue su técnica de descenso infinito, que él fue capaz de utilizar con éxito en otros problemas, incluyendo aquellos con más carácter positivo (es decir, mostrando algunos ecuación tiene una solución integral, como los números primos $p \equiv 1 \bmod 4$ ser una suma de dos cuadrados).

El enlace que se encuentra más adelante entre la ecuación de Pell y la unidad de los grupos en cuadrática anillos proporciona una razón para el número de teóricos de tener un permanente interés conceptual en la ecuación.

Una vez nos cansamos de plazas de todo el tiempo, podemos fijarnos en los cuadrados y los cubos. Las progresiones de los cuadrados perfectos y los cubos de mantener el entrelazado y usted podría preguntar lo cerca que puede venir (aparte de la tontería caso cuando coinciden, como con $64 = 8^2 = 4^3$). Esto conduce a $y^2 = x^3 + 1$, $y^2 = x^3 - 1$, $y^2 = x^3 + 2$, e $y^2 = x^3 - 2$. Aquí vemos una situación muy diferente en comparación con la ecuación de Pell, ya que estas ecuaciones se tiene sólo un número finito de soluciones integrales; el caso de $y^2 = x^3 - 2$ es un famoso ejemplo de Fermat utilizados para desafiar a los Británicos a los matemáticos. No sabemos cómo Fermat demostró la única solución integral se $(3,5)$ e $(3,-5)$, pero Euler descubrió más tarde que el primer factorización en el anillo de $\mathbf Z[\sqrt{-2}]$ da una explicación natural de el resultado. Este fue uno de los primeros ejemplos del uso de enteros algebraicos para resolver Diophantine ecuaciones ordinario enteros, y todavía proporciona un buen ejemplo de una teoría algebraica de números supuesto.

Euler miró a $y^2 = x^3 + 1$ e $y^2 = x^3 - 1$ y encontró una manera de aplicar Fermat idea de infinito descenso para mostrar el sólo soluciones integrales son los más pequeños se puede encontrar con la mano. En la década de $20$th siglo Mordell empujó el método de descenso más para demostrar la Mordell parte de la Mordell--teorema de Weil. A través de la influencia de Weil y otros, el método de descenso sigue siendo una herramienta importante, aunque en una lengua que no se parece en nada lo que Fermat utilizado.

Mordell pasó muchos años de su vida estudiando integral de soluciones de la ecuación de $y^2 = x^3 + k$, donde $k$ fijo es un número entero distinto de cero. La ecuación podría ser justificada como la de tener interés porque es uno de los más simples ejemplos de una curva elíptica, pero es importante para una mejor razón. El $abc$-conjetura, que tiene conexiones a muchos otros problemas, al principio no parezca que es acerca de Mordell de la ecuación. Sin embargo, el $abc$ conjetura resulta ser equivalente a determinados límites superiores en la relativamente primos soluciones integrales $(x,y)$ a Mordell la ecuación de $y^2 = x^3 + k$ en términos del parámetro de $k$. Así que, como Barry Mazur comentó una vez, el Mordell ecuación constituye un tema central para todos los de la teoría de los números de su lugar especial apariencia sugiere.

31voto

Graham Puntos 5475

Agregó 22 De Octubre:

Mientras reflexiona sobre esta pregunta y el debate posterior, caí de nuevo en un bits de un sermón del estado de ánimo. Tengo la esperanza de ser perdonado por la inserción de dos palabras de precaución.

  1. Hay una diferencia, probablemente significativo, entre la falta de interés y agresivo falta de interés. La mayoría de la gente sabrá a qué me refiero con esto, Creo que. El último es, probablemente, la mejor manera de evitarlo. Ahora, yo no estaría demasiado fuerte sobre acabar con por completo, ya que algunas personas parecen derivar sustancial creativo energía por estar en contra de algo, tanto en las matemáticas y en el mundo en general. Pero para la mayoría de nosotros, al menos contemplativa versión de desinterés es, creo, más destructivo que constructiva.

  2. Puesto que ya he expuesto en el punto de vista dominante, podría estar bien para variar un poco. Es bueno educar a sí mismo acerca de la moda y, probablemente, sensible a siga una cantidad justa. Pero luego están los verdaderos clichés acerca de el pensamiento independiente. Tengo edad suficiente para haber sido testigos de primera mano el fervor que rodea el maravillosa prueba de FLT. En este punto, estoy seguro de que muchos de nosotros puede recitar de memoria todas las razones por las que es más importante de Goldbach, por ejemplo, y la importancia de la relación con la modularidad, etc. De hecho, esto puede ser un razonable punto de vista. Sin embargo, para ser honesto, yo rara vez tengo la impresión entonces de que el joven experto en la sala común estaba haciendo más que eso: recitar el punto de vista. Supongo que soy sólo la repetición de la obviedad de que la moda puede ser muy sensato, pero servil adhesión a él no lo es. Así que si usted se siente fuertemente algunos específica de la ecuación de Diophantine que no encaja en la permanente paradigmas, mi consejo es pensar con la suficiente frecuencia para ver si algún ideas a desarrollar. Espero que no tergiversar él, pero Swinnerton-Dyer, una vez dijo que muy pocas personas se han interesado en L-funciones todo el tiempo que él fue el primero en experimentar con puntos en curvas elípticas. Incluso ahora, él va a hablar con pasión considerable acerca de una ecuación única, o al menos, acerca de una sola familia especial. (Sin embargo, espero que estos párrafos no golpeará como la regurgitación de algunos superficial la fe en la 'diversidad'. Tengo algo de eso, pero algo de matemáticas es claramente mejor que los demás).

Respecto de Goldbach, tengo la curiosa impresión de que está a punto de ganar sustancialmente en respetabilidad, especialmente con el notable ascenso de aditivo de la teoría de los números relacionados con el trabajo de Gowers, Green-Tao, et. al. Yo trato de pensar en mí mismo cada ahora y entonces, en parte debido a la influencia de Shinichi Mochizuki, que insiste en la visualización de la conexión entre el aditivo y multiplicativo estructuras en aritmética a través del prisma de la no-abelian fundamentales de los grupos.


Oops! Me gustaría aclarar de inmediato que mis comentarios acerca de Fermat y de Goldbach se significan de ninguna manera como una crítica de Jordania bonita respuesta.


Original respuesta:

Una adecuada respuesta puede requerir al menos un ensayo, pero aquí es una síntesis intento.

Dos clases de ecuaciones ya han sido discutidos en las otras respuestas:

(1) Algunas de las ecuaciones que son "interesante" por su especial o exóticas propiedades. Estoy bastante de como el clásico de las matemáticas generadas por la ecuación de $$x^3+y^5=z^2$$ mencionado en Mike Bennett comentario. Suave cúbicos superficies como $$x^3+y^3+z^3+w^3=0$$ son también muy agradable con sus veinte-siete líneas que finalmente influyen en su aritmética. Fermat ecuaciones puede ser apreciado por sus similarmente alto grado de simetría que induce el complejo de multiplicación en su Jacobians. Por el camino, independientemente de su edad, me parece Calabi-yau variedades muy fascinante mí mismo, debido a la interacción entre Hodge-teórica y Diophantine propiedades es un fenómeno sutil merecedor de estudio.

Obviamente no hay ningún criterio objetivo que se ofrecen aquí, pero sigue siendo una ecuación puede aparecer como especialmente interesantes en la misma manera en que ciertos espacios son interesantes o algunos animales son interesantes. Que excitar a un cierto deseo de saber acerca de ellos en considerable detalle. De la investigación con el afecto es generalmente ricamente recompensado en estos casos.

(2) las Ecuaciones que se presentan, mientras que el estudio de algún otro problema. Pell las ecuaciones anteriormente citadas, y se podría considerar otra norma ecuaciones, mientras que el estudio de los campos de número. Keith se refirió también a la relación entre el alcance ABC conjetura de Mordell de la ecuación. Otra clase de niza de curvas elípticas de esta naturaleza son $$y^2=x^3-n^2x,$$ which were famously connected to the congruence number problem on the area of right angle triangles with rational sides and areas. A spectacular example in the ABC vein is Mazur's study of points on modular curves that gave rise to uniform bounds on the torsion subgroup of all elliptic curves over $\mathbb{Q}$. Y luego, integral puntos de Siegel módulos espacios fueron delimitadas por Faltings en su prueba de la conjetura de Mordell. En resumen, uno puede incluso aplicar un tipo de ecuación para el estudio de otro (de la familia). En cualquier caso, para esta clase, uno supone que las ecuaciones son tan interesantes como el principal problema.

Sin embargo, la perspectiva de que yo en realidad quería hablar de deja de lado la pregunta de algo. La vista es quizás la mayoría de los principales y reaccionario posible en este contexto, pero más cercano a la práctica de matemáticas como yo lo veo. Se dice que la mayoría de las ecuaciones tienen o carecen de interés no está en y de sí mismos. Más bien, el principal problema es que las preguntas que nos hacemos acerca de ellos. Les recuerdo tres ejemplos:

(i) Considerar las diversas conjeturas sobre la $L$-funciones. Dicen que la conjetura de Birch y Swinnerton-Dyer. Para simplificar en exceso el caso un poco, supongo que podría probar la conjetura en completo hasta el último detalle para el single de curva elíptica $$498208y^2=x^3+309208472x^2+1204948278x+3920984$$ o con alguna otra opción de coeficientes aleatorios como usted desea. Hay poco desacuerdo que esto sería muy interesante.

En caso de que usted piensa que curvas elípticas ya son merecedores de especial atención, a elegir de una colección aleatoria de ecuaciones homogéneas $$f_1=0, f_2=0, \ldots, f_n=0$$ en $m$ variables. La mayoría del tiempo, se va a definir un suave variedad proyectiva $X$. Bloch y Beilinson han conjeturado que el orden de la desaparición de $L(H^{2i-1}(X),s)$ a $s=i$ es igual al rango de la Chow grupo algebraico de los ciclos de codimension $i$ homologically equivalente a cero. Ser capaz de demostrar que la declaración de un determinado $X$ elegido al azar sería muy interesante. Por supuesto, porque uno espera que esto sea tan difícil, las personas se concentran más bien en especial $X$'s. [En caso de que usted se está preguntando acerca de su pertinencia, algebraicas en los ciclos de la $X$ debe ser justamente el pensamiento de como generalizadas de soluciones'.]

(ii) Continuando con la misma notación, supongamos $X$ pasa a ser un Fano variedad, que va a suceder con frecuencia si los grados de los polinomios agregar algo bastante pequeño en comparación con el número de variables. En ese caso, Manin ha conjeturado que las soluciones racionales en un número fijo de campo $F$ (dependiendo de las ecuaciones) será Zariski densa. Que es, se trata de un conjunto de ecuaciones con muy geometría simple, debido a que debe ser siempre fácil encontrar muchas, muchas soluciones, tan pronto como algunos obvios obstáculos a superar. Una vez más, usted es libre de intentar esto después de elegir el $f_i$'s en la arbitrariedad y como estéticos de una manera como sea posible. Como con la Beilinson-Bloch conjetura, el más aleatorio que su elección es, la más impresionante de su el resultado será, en cierto sentido.

(iii) Cerca de mi corazón es la efectividad en la conjetura de Mordell, que pide un algoritmo para encontrar todos racional las soluciones a una ecuación genérica $$f(x,y)=0$$ con grado de al menos 4. Como consecuencia del hecho de que un algoritmo es desconocido, resulta de gran interés para ser capaces lista completa de conjuntos de soluciones en cualquier caso dado. A veces, es fácil mostrar que no hay ninguno, tales como $$x^4+y^4=-1,$$ sólo para ser absurdamente simple. Sin embargo, una vez que esas tontas razones para la trivialidad se excluyen, por ejemplo, si usted sucede a notar ya una la solución, es muy difícil para la lista de todo el conjunto solución. Aquí es un ejemplo debido a Bjorn Poonen: $$y^2 = x^6 - 2x^4 + 2x^3 + 5x^2 + 2x + 1.$$ Usted puede ver las soluciones $(0,\pm 1)$. Sin embargo, se requiere un poco de tecnología para mostrar que $$(0,\pm 1), (-1,\pm 1), (1,\pm 3)$$ es el completo conjunto de soluciones. Usted puede ver que esta ecuación se parece bastante al azar. Por otro lado, a causa de un permanente se centran en la difícil y estructuralmente exigentes en cuestión de un algoritmo, un ejemplo de este tipo genera un poco de interés.

Muchas personas han sugerido que la variedad de técnicas que se presentan en el ataque a un problema tan importante como el problema sí. Hay algo de esto, en la medida en que nos gustaría que el problema que nos dicen tanto como sea posible acerca de la matemática paisaje en general, que es, después de todo, el objetivo final de nuestra investigación. Por otro lado, una vez determinados los generales las preguntas ya han sido establecidos como poderoso sondas para este proceso, siendo capaz de resolver ellos para cualquier específicos objeto es muy interesante, independientemente de lo bonito o feo que alguien puede encontrar el objeto en su propio. Obviamente, este es la razón de ser de las buenas conjeturas.


Agregó 26 De Octubre:

Finalmente, me topé con el "cuadro de la ecuación de' la que me he referido en los comentarios. Es $$a_1^2+a_2^2=b_3^2;$$ $$a_1^2+a_3^2=b_2^2;$$ $$a_2^2+a_3^2=b_1^2;$$ $$a_1^2+a_2^2+a_3^2=c^2;$$ la definición de una superficie en $\mathbb{P}^6$. Una solución racional con $a_1a_2a_3\neq 0$ corresponde a un "racional" cuadro de tener todos los bordes, la cara de las diagonales, y la diagonal larga racional. Al parecer, la existencia de tal cosa es aún desconocido. Hay una buena discusión en este el papel de Stoll y Testa. Por supuesto, usted tiene que decidir por ti mismo si es interesante. El sabor es algo que recuerda el congruentes número de problema, y creo que fue por eso que me llamó la atención. Es decir, dada mi propia inclinación, tuve que considerar por un minuto o dos, si hay un truco conexión a un 'conceptualmente sofisticado" problema. Stoll y Testa de relacionarse, de hecho, a la Bombieri-Lang conjetura.

7voto

deadprogrammer Puntos 4521

Vea el artículo de Chaitin, Una ecuación algebraica para la probabilidad de detención , que trata esencialmente sobre cómo escribir un intérprete de Lisp como un gran sistema de diofantina. Ciertamente interesante, pero un poco más allá de lo que esta pregunta de MO está pidiendo. :)

6voto

Dan Herbert Puntos 38336

Mi punto de vista es que uno está realmente interesado en los puntos racionales de una determinada variedad o clase de variedades). La ecuación de diophantine `viene a lo largo para el paseo," por así decirlo. Por ejemplo, uno está interesado en preguntas como: ¿una variedad tiene un punto racional? Son los puntos densos para diferentes topologías (Zariski, adelic)? ¿La clase de variedades de nuestro ejemplo particular proviene de satisfacer el principio de Hasse?

Resulta que las respuestas a estas preguntas tienden a ser invariantes bajo birational transformaciones: por ejemplo, si $k$ es un número de campo, el Lang-Nishimura lema dice que si $X' \to X$ es un birational mapa entre apropiado integral de la $k$-variedades, a continuación, $X'$ tiene un suave $k$-punto si y sólo si $X$ tiene un suave $k$-punto.

Esto sugiere que debemos dejar birational clasificación de resultados nos ayudan a decidir qué clases de variedades (y, por tanto, qué tipo de diophantine ecuaciones) para estudiar. Moralmente, la geometría más sabemos acerca de un particular birational de la clase, el más vamos a ser capaces de decir acerca de la aritmética de la variedad (y, por tanto, las soluciones de los asociados diophantine ecuaciones), es decir, estoy totalmente de acuerdo con JSE del último párrafo.

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