柯召的科学研究
柯召院士在科学道路上攀登一生,取得卓越成就:在不定方程方面,解决了一百多年来未能解决的卡特兰猜想的二次情形,获得了一系列重要成果;在组合论方面,与他人合作得出了著名的“爱尔特希—柯—拉多定理”,开辟了极值集论迅速发展的道路;在数论方面、在表二次型为线性型平方和的研究上取得一系列重要成果。在发展中国教育事业、培养大批科学人才方面,他做出了重大贡献。
不定方程
背景
柯召从30年代起,就潜心研究不定方程,对这个领域的贡献十分突出。
1.爱尔特希猜想的否定
1938年,爱尔特希猜想:不定方程xxyy=zz (1)无整数解x>1,y>1,z>1。
1940年,柯召用极其精湛的初等方法证明了当(x,y)=1时,方程(1)无x>1,y>1,z>1的整数解;但当(x,y)>1时,有无穷多组解
时至今日,50多年过去了,爱尔特希对这一美妙的结果仍然赞叹不已。爱尔特希说:“柯给出的无穷多组解使我十分惊奇,也许这就是方程的全部解。”事实上,方程(1)有无其他的解?方程(1)有无奇数解?这是两个至今仍未解决的问题。
2.M.维尔纳(Werner)猜想的证明
维尔纳猜想:不存在3个有理数,它们的和为1,它们的乘积也是1。即不定方程
x十y十z=xyz=1无有理数解。
这一猜想在很长时间内使数学家们束手无策。这一猜想等价于不定方程
x3+y3+z3-xyz=0,(x,y,z)=1
无xyz≠0的整数解。1960年,柯召以其扎实的代数数论功底,证明了这一猜想。不定方程x十y十z=xyz=1已推广到各种代数数域,引出一系列深刻的工作。
3.柯氏定理,卡塔朗猜想的重大突破
1842年,法国数学家E.C.卡塔朗(Catalan)提出一个猜想:8和9是仅有的二个大于1的连续整数,它们都是正整数的乘幂。这一著名的猜想,在很长一段时间内,甚至连“是否有3个连续整数,它们都是正整数的乘幂;以及方程x2=yn十1(n>3,xy≠0)是否有正整数解”都未解决。1962年,柯召以极其精湛的方法解决了这两个难度很大的问题。他证明了不存在3个连续数都是正整数的乘幂,以及证明了方程x2=yn十1在n>3时无xy≠0的正整数解。这是研究卡塔朗猜想的重大突破。莫德尔的专著《不定方程》(The Diophantine Equations)中把柯召关于方程x2-1=yn的结果称为柯氏定理。特别是,他在证明这个定理时,提出了计算雅可比(Jacobi)符号 来研究不定方程的方法,这里 n是奇数,p、q是不同的奇素数。1977年,G.特尔加尼亚(Terjanian)对偶指数费马大定理第一情形的证明,以及1983年,A.罗特基维奇(Rotkiwicz)在不定方程中所取得的一系列重要结果,都用到柯召的方法和思想。
4.爱尔特希-柯-拉多定理
设S是一个有限集,|S|=n,Ai?S,|Ai|≤k,n≥2k,A?Aj,|A∩Aj|≠0,1≤i<j≤f(n,k),则f(n,k)≤,而且如果所有的Ai之间有一个公共元,则f(n,k)=。这就是著名的爱尔特希-柯-拉多定理。这个定理发表于1961年的文章中,30多年来,它已被上百篇文章引用。该文提出的许多问题,大大推动了极值集论的发展。正如P.弗兰克尔(Frankl)和R.L.格雷厄姆(Graham)所指出的:“爱尔特希-柯-拉多定理是组合数学中一个主要结果,这个定理开辟了极值集论迅速发展的道路。”
二次研究
从30年起,柯召在表二次型为线性型平方和的问题方面,在二次型表为不可分解型之和以及二次型的等价分类等问题上,作了一系列重要工作,他是中国二次型研究的开拓者。
1.表平方和问题
设 是一个整系数正定二次型,Rn表示最小的i,j=1正整数rn,使得对一个任给的n元二次型f,存在rn个线性型
这里Q表示有理数域。寻求Rn的工作始于E.G.H.兰道(Landau)和莫德尔。1937年,莫德尔证明了Rn≤n十3。1937年,柯召对Rn≤n十3给出了一个简洁的证明,并于1938年证明了Rn=n十3,从而彻底解决了这一问题。这是他在二次型方面的第一个重要工作。
1940年,他还证明了对于任给的非定n元么模二次型f,存在εi=±1和线性型Li,使得
2.不可分问题
设f是一个整系数正定二次型,如果f不能表成二个整系数非负二次型的和,我们称f是n元不可分解型。1937年,莫德尔证明了对于n≤5,不存在不可分解型,而在n=8时有这样的型存在。柯召和爱尔特希证明了n≥12时,除开n=13,17,19,23外,均存在n元不可分解型,使这一问题得以基本解决。1958年,柯召证明了不存在13元不可分解型。
3.类数问题
设Cn,1,代表n元正定么模二次型的类数。C.埃尔米特(Her-mite)证明了n≤7时,Cn,1=1。1937年,莫德尔证明了C8,1=2。1938年,柯召证明了n=9,10,11时,Cn,1=2。同年,他和爱尔特希证明了对适当大的n,Cn,1≥2√n。1958年至1960年,他先后证明了C12,1=C13,1=3,C14,1=4,C15,1=5,以及C16,1≥8,并且找出了每一个类的代表型。
这些结果,至今仍具有重要的学术价值。1988年,在日本召开的国际信息论会议上,两位获奖人中的一位——美国数学家N.J.A.斯托勒(Stoane),对一位中国代表谈到柯召30年代有关二次型的论文时说:“我很惊异中国人那么早就已作出了巨大的成就。”斯托勒还请这位代表带信向柯召致意:“我拜读了您1938年关于二次型的论文,棒极了。”
对不定方程的突出贡献