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¿Aplicaciones prácticas de la teoría algebraica de los números?

Estoy interesado en conocer cualquier aplicación, cuanto más mundana mejor*. Señalar una buena referencia sobre el tamiz del campo numérico, por ejemplo, estaría bien. Sin embargo, permítanme mencionar una dirección sobre la que estaría especialmente agradecido de aprender.

En mi curso introductorio, me gusta dedicar algo de tiempo a la perspectiva de que la teoría algebraica de números es el estudio de sofisticadas multiplicaciones en $\mathbb{Q}^n$ (un campo numérico algebraico $F$ de grado $n$ ) y en $\mathbb{Z}^n$ (el anillo de enteros algebraicos en $F$ ). Esto se debe en parte a que me sigue pareciendo increíble que un poco de álgebra abstracta (de polinomios irreducibles) nos permite construir tales cosas sistemáticamente**. Pero también creo, al menos medio en serio, que esta es la visión a través de la cual el público en general de los números algebraicos, hasta el momento en que se enseñen en las escuelas primarias dentro de varios miles de años. Después de todo, nosotros mismos hemos sido testigos del notable ascenso de la multiplicación en $\mathbb{F}_2^n$ un conjunto cuyo uso práctico inicial estaba totalmente desprovisto de contenido algebraico, como una poderosa herramienta para el tratamiento de la información.

Después de tan grandiosa reflexión, no puedo evitar preguntarme: ¿son las estructuras multiplicativas en $n$ -partidas de números enteros proporcionadas por la teoría algebraica de los números ya tiene alguna utilidad práctica? Una búsqueda superficial en Google no ha descubierto nada. Pero seguro que debe haber algo. Me encantaría poder mencionar algunos ejemplos a mis alumnos.

Mientras escribo, se me ocurre una clase de ejemplos. Los enteros algebraicos se pueden utilizar para construir grupos aritméticos, que entiendo que se pueden aplicar de varias maneras. Tal vez alguien pueda comentar con conocimiento de causa. Pero algo directo que podría al menos vagamente explicarse en un curso de pregrado sería aún mejor.

Añadido:

Mi ignorancia era tan profunda que ni siquiera conocía los códigos de los campos numéricos hasta que Victor Protsak los señaló en su respuesta. Gracias a él, me topé con un breve encuesta por Lenstra. Para entender lo esencial, basta con leer esta cita:

Los nuevos códigos son los análogos, para los campos numéricos, de los códigos construidos por Goppa y Tsfasman a partir de curvas sobre campos finitos".

La trillada analogía sigue prosperando.

Añadido de nuevo:

Para no confundir a la gente con la palabra "prosperar", debo decir que Lenstra tiene muchas cosas negativas que decir sobre estos códigos. Por ejemplo,

'Si el generalizado Si la hipótesis de Riemann generalizada es cierta, nuestros códigos no son, asintóticamente hablando, tan buenos como los de Goppa y Tsfasman. buenos como los de Goppa y Tsfasman Además, estos últimos códigos son lineales y no mixtos".

Mi pregunta original sigue en pie.


*No quiero, sin embargo, dar la impresión de creer firmemente en la división entre la matemática pura y la aplicada.

** Para apreciar esto, sólo hay que dedicar un poco de tiempo en una aproximación directa utilizando el álgebra multilineal de las constantes de estructura.

20voto

Effata Puntos 1514

Sus requisitos son bastante estrictos. Como bien sabe, ANT está a un par de niveles de la "práctica". En general, me parece que el métodos derivadas del desarrollo de la teoría algebraica de los números acaban dando lugar a un número incomparablemente mayor de aplicaciones que los propios teoremas estándar de ANT. Sólo algunos ejemplos que me vienen rápidamente a la mente: Reducción de Gauss de las formas cuadráticas → vectores más cortos de la red → LLL; unidades de Dirichlet → geometría de Minkowski de los números → geometría convexa; grupos de clase y grupos unitarios → grupos abelianos finitamente generados → (elija su aplicación favorita de la teoría de grupos, por ejemplo, en el análisis armónico abeliano). Yo trataría de proyectar esta idea más profunda por encima de la rentabilidad inmediata. También, como es lógico, la teoría de números "elemental" presenta aplicaciones más inmediatas, por ejemplo, a la criptografía y, en concreto, a la prueba de primalidad y la factorización.

Pero ¡basta de filosofía! He aquí algunas aplicaciones concretas:

  1. Construcción de códigos y empaquetamientos densos de celosía utilizando grupos multiplicativos de campos globales por Rosenbloom y Tsfasman (Invent. Math. paper o ver el estudio de Tsfasman "Global fields, codes and sphere packings").

  2. Teorema de aritmeticidad de Margulis : no sólo los enteros algebraicos son útiles para construir grupos discretos, sino que después de imponer ciertas condiciones (una red irreducible en un grupo de Lie semisimple de rango superior), todo ¡de ellos surgen de esta manera! Estos entramados se han utilizado para construir grafos de Ramanujan y superconcentradores y para la distribución uniforme de puntos en esferas (hay que reconocer que la aritmética del campo es bastante secundaria: se pueden obtener buenas construcciones partiendo de un grupo sobre Z).

  3. Teorema de Lind sobre la realización de cualquier entero de Perron-Frobenius como los valores propios principales de una matriz entera positiva. Dado que log λ es la entropía, esto tiene consecuencias semiprácticas (véase el libro de texto de Lind y Marcus).

  4. Prueba de primalidad de Lucas-Lehmer , pseudoprimas de Lucas y Fibonacci, prueba de Frobenius de Grantham. Este libro se sitúa en la frontera entre la teoría de números elemental y la algebraica, lo que puede ser una ventaja en una clase de licenciatura.

Me gustaría saber cómo encajan con tus objetivos.

13voto

sheats Puntos 6212

Algoritmos para calcular con números reales algebraicos (en particular, (i) calcular el signo de un real algebraico A presentado, por ejemplo, como un par de un polinomio mínimo P $\in \mathbb{Z}[x]$ para A y un intervalo con extremos racionales que contenga a A y ninguna otra raíz real de P, y (ii) calcular el signo de un polinomio evaluado en números reales algebraicos presentado en la forma (i)) son componentes críticos de algunos procedimientos modernos de decisión basados en la eliminación de cuantificadores para el álgebra real, como la descomposición algebraica cilíndrica. Estos procedimientos se utilizan en varios ámbitos: la verificación formal de hardware, software y bioware (incluidos los sistemas de control y otros sistemas "híbridos" con dinámicas discretas y continuas), la planificación del movimiento de los robots, la visualización correcta de curvas algebraicas en los ordenadores, la comprobación de la estabilidad de los problemas de valor inicial y de límite inicial, y las matemáticas formalizadas.

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[Algunas referencias sobre la descomposición algebraica cilíndrica (CAD)]

Caviness, B. F. y Johnson, J. R. (Eds.). Quantifier Elimination and Cylindrical Algebraic Decomposition. New York: Springer-Verlag, 1998. (La `biblia del CAD' - festschrift de Collins).

Collins, G. E. "Eliminación de cuantificadores para la teoría elemental de campos reales cerrados por descomposición algebraica cilíndrica". Lect. Notes Comput. Sci. 33, 134-183, 1975.

Collins, G. E. "Quantifier Elimination by Cylindrical Algebraic Decomposition--Twenty Years of Progress". En Quantifier Elimination and Cylindrical Algebraic Decomposition (Ed. B. F. Caviness y J. R. Johnson). New York: Springer-Verlag, pp. 8-23, 1998.

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[Algunas referencias sobre aplicaciones de CAD: hay muchos Sólo publico unos pocos]

(planificación del movimiento del robot)

S. Lindemann y S. LaValle. "Computing Smooth Feedback Plans Over Cylindrical Algebraic Decompositions". En Proceedings of Robotics: Science and Systems, 2006.

(verificación formal de sistemas)

M. Adlaide y O. Roux. "Uso de la descomposición algebraica cilíndrica para el análisis de autómatas híbridos paramétricos de pendiente". En Proceedings of the 6th International Symposium on Formal Techniques in Real-Time and Fault-Tolerant Systems, 2000.

(matemáticas formalizadas)

A. Mahboubi, "Programación y certificación del algoritmo CAD dentro del sistema Coq". En Mathematics: Algorithms, Proofs. Volume 05021 of Dagstuhl Seminar Proceedings, Schloss Dagstuhl, 2005.

(visualización de curvas algebraicas)

D.S. Arnon. "Visualización topológicamente fiable de curvas algebraicas". SIGGRAPH Comput. Graph. 17, 3 (Jul. 1983), 219-227.

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Además, muchos problemas abiertos en la geometría métrica entran en realidad en la teoría de los campos reales cerrados (RCF), por lo que en principio pueden ser resueltos por el algoritmo CAD. El problema es de complejidad. Debido a Davenport-Heintz, se sabe que la eliminación de cuantificadores reales es inherentemente doblemente exponencial en la dimensión (número de variables) de la fórmula de entrada. Así, para el caso de RCF, decidible en principio no significa decidible en la práctica . Sin embargo, es una situación fascinante. Dejando a un lado la complejidad, he aquí algunos ejemplos:

Todos los problemas de besos para las hiperesferas n-dimensionales son en principio decidibles por CAD y otros métodos de decisión de álgebra real.

Gracias a L. Fejes Toth, se sabe que la conjetura de Kepler es equivalente a una única sentencia RCF, por lo que también podría decidirse mediante CAD. En la formalización de su demostración de la conjetura de Kepler, Thomas Hales ha aislado una gran colección de sentencias RCF que aparecen como lemmata en su demostración y que, según él, deberían ser susceptibles de métodos de decisión RCF especializados. Véase ``A Collection of Problems in Elementary Geometry'' de T. Hales ( flyspeck.googlecode.com/files/collection_geom.pdf ).

9voto

KConrad Puntos 22631

Aquí hay algunas referencias con aplicaciones. La primera no es sobre algebraico teoría de números, pero merece ser consultado por cualquiera que quiera encontrar una lista de formas en las que conceptos simples de la teoría de números tienen una gama casi amplia de usos prácticos. Las otras referencias segunda y tercera son usos de la teoría de números algebraica real.

  1. El libro de Schroeder "Number Theory in Science and Communication" tiene muchos ejemplos de formas de aplicar la teoría numérica elemental (no sólo a la criptografía).

  2. El libro de Mollin "Teoría algebraica de los números" es un curso muy básico y cada capítulo termina con una aplicación de los anillos de números en la dirección de la prueba de primalidad o la factorización de enteros.

  3. El capítulo 16 del libro de Washington sobre campos ciclotómicos (2ª ed.) comienza con una sección sobre el uso de las sumas de Jacobi en las pruebas de primalidad.

Las referencias adecuadas al papel de las pruebas de primalidad y la factorización de enteros en la criptografía pueden transmitir el interés práctico de estos métodos.

7voto

Gerry Myerson Puntos 23836

¿Cuentan las ecuaciones diofánticas? Abundan los ejemplos, pero a mí me gusta especialmente, por razones pedagógicas, uno de la obra de Stark An Introduction to Number Theory. Él "resuelve" $x^2+47=y^3$ asumiendo que la aritmética con números de la forma $a+b\sqrt{-47}$ es como la aritmética con números enteros, y encuentra que las únicas soluciones son $x=\pm500$ , $y=63$ . Luego señala que de alguna manera hemos perdido $x=\pm13$ , $y=6$ . Eso motiva una discusión sobre la factorización única, etc.

7voto

Richard Stanley Puntos 19788

La teoría algebraica de los números se utiliza en la teoría del diseño, con numerosas aplicaciones a la estadística. Véase, por ejemplo, B. Schmidt, Caracteres y campos ciclotómicos en geometría finita y T. Beth, D. Jungnickel y H. Lenz, Teoría del diseño Vol. I, segunda edición.

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