伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想證明

王海東

(天津市北方調(diào)查策劃事務(wù)所 300050)

伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想來(lái)源于哈塞-韋伊L函數(shù).哈塞-韋伊L函數(shù)來(lái)源于橢圓曲線(xiàn)p模同余方程.橢圓曲線(xiàn)p模同余方程來(lái)源于橢圓曲線(xiàn)仿射方程.橢圓曲線(xiàn)仿射方程來(lái)源于橢圓曲線(xiàn)射影方程.

令x代表自變量，y代表因變量，k代表某個(gè)不等于0和1的常數(shù)，橢圓曲線(xiàn)射影方程為：y3=x(x-1)(x-k)

令a,b,c,d代表四個(gè)不同常數(shù)，我們可以從橢圓曲線(xiàn)射影方程推出橢圓曲線(xiàn)仿射方程：

y2+ay=x3+bx2+cx+d

假定橢圓曲線(xiàn)的域特征不等于2和3，我們可以將橢圓曲線(xiàn)仿射方程簡(jiǎn)化成以下形式：

y2=x3+ax+b

這樣一來(lái)，橢圓曲線(xiàn)仿射方程就與一個(gè)古希臘數(shù)學(xué)問(wèn)題產(chǎn)生了理論聯(lián)系.

這個(gè)古希臘數(shù)學(xué)問(wèn)題是：到底有多少正整數(shù)可以成為邊長(zhǎng)為有理數(shù)的直角三角形的面積數(shù)？

令h代表任意正整數(shù)，x和y代表y≠0的有理數(shù)解，回答這個(gè)古希臘數(shù)學(xué)問(wèn)題的充要條件為：

y2=x3-h2x

我們不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)a=-h2和b=0時(shí)，簡(jiǎn)化的橢圓曲線(xiàn)仿射方程就是這個(gè)充要條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式.

這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著：到底有多少正整數(shù)可以成為邊長(zhǎng)為有理數(shù)的直角三角形的面積數(shù)的數(shù)學(xué)問(wèn)題，等價(jià)于某條橢圓曲線(xiàn)上到底可以存在多少個(gè)有理點(diǎn)的數(shù)學(xué)問(wèn)題.有理點(diǎn)就是用有理數(shù)表示的坐標(biāo)點(diǎn).

那么，怎樣才能把某條橢圓曲線(xiàn)的有理點(diǎn)數(shù)計(jì)算出來(lái)呢？顯然，我們只能用橢圓曲線(xiàn)p模同余方程來(lái)完成這個(gè)計(jì)算任務(wù).因?yàn)椋瑱E圓曲線(xiàn)p模同余方程的有理解數(shù)就是某條橢圓曲線(xiàn)的有理點(diǎn)數(shù).

令p代表任意質(zhì)數(shù)，我們可以從簡(jiǎn)化的橢圓曲線(xiàn)仿射方程推出橢圓曲線(xiàn)p模同余方程：

y2≡x3+ax+b(modp)

由于哈塞-韋伊L函數(shù)屬于冪級(jí)數(shù)，所以哈塞-韋伊L函數(shù)適用于泰勒展開(kāi)式.

令f0代表s=1的函數(shù)值，f1代表f0的一階導(dǎo)數(shù)，f2代表f0的二階導(dǎo)數(shù)除以2的階乘，f3代表f0的三階導(dǎo)數(shù)除以3的階乘，以此類(lèi)推直至fn代表f0的n階導(dǎo)數(shù)除以n的階乘，哈塞-韋伊L函數(shù)的泰勒展開(kāi)式為：

L(E,s)=f0+f1(s-1)+f2(s-1)2+f3(s-1)3+…+fn(s-1)n

從哈塞-韋伊L函數(shù)的泰勒展開(kāi)式來(lái)看，如果將橢圓曲線(xiàn)上的全體有理點(diǎn)視為一個(gè)有理數(shù)集合，形成這個(gè)有理數(shù)集合的充要條件就是：

f0=0

但是，伯奇和斯溫納頓-戴爾并沒(méi)有滿(mǎn)足于發(fā)現(xiàn)這個(gè)充要條件.因?yàn)椋@個(gè)有理數(shù)集合具有某種群結(jié)構(gòu).從這種群結(jié)構(gòu)來(lái)看，這個(gè)有理數(shù)集合不僅是一個(gè)存在于橢圓曲線(xiàn)上的有理數(shù)群，而且是一個(gè)通過(guò)橢圓曲線(xiàn)的秩有限生成的阿貝爾群.橢圓曲線(xiàn)的秩就是橢圓曲線(xiàn)上的線(xiàn)性無(wú)關(guān)有理點(diǎn)數(shù).橢圓曲線(xiàn)上的線(xiàn)性無(wú)關(guān)有理點(diǎn)數(shù)就是橢圓曲線(xiàn)上的有限個(gè)線(xiàn)性獨(dú)立有理點(diǎn).橢圓曲線(xiàn)上的有限個(gè)線(xiàn)性獨(dú)立有理點(diǎn)，或者可以通過(guò)加法運(yùn)算生成有限個(gè)有理數(shù)子群，或者可以通過(guò)加法運(yùn)算生成有限個(gè)整數(shù)群副本.

令r代表橢圓曲線(xiàn)的秩，E(Q)代表存在于橢圓曲線(xiàn)上的有理數(shù)群，E(Q)g代表有限個(gè)有理數(shù)子群，Zr代表有限個(gè)整數(shù)群副本，我們可以用以下公式表示這個(gè)有理數(shù)集合：

E(Q)?E(Q)g×Zr

從這個(gè)公式來(lái)看，橢圓曲線(xiàn)的秩是度量橢圓曲線(xiàn)的階的一個(gè)重要參數(shù).橢圓曲線(xiàn)的階就是存在于橢圓曲線(xiàn)上的有理數(shù)群的元素個(gè)數(shù).存在于橢圓曲線(xiàn)上的有理數(shù)群的元素個(gè)數(shù)就是某條橢圓曲線(xiàn)的有理點(diǎn)數(shù).于是，伯奇和斯溫納頓-戴爾提出了一個(gè)十分重要的數(shù)學(xué)猜想.

令fr≠0，fn=0，n=0,1,2,3,…,r-1，這個(gè)十分重要的數(shù)學(xué)猜想就是：

L(E,s)=fr(s-1)r+高階項(xiàng)

那么，伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想具有什么重要性呢？顯然，伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想的重要性在于：這個(gè)數(shù)學(xué)猜想不僅給出了一個(gè)比上述充要條件更強(qiáng)的充要條件，而且給出了位于橢圓曲線(xiàn)中心點(diǎn)的有理點(diǎn)數(shù).這個(gè)中心點(diǎn)就是s=1的坐標(biāo)點(diǎn).因?yàn)?，這個(gè)猜想包含著一個(gè)斷言：當(dāng)s=1時(shí)，橢圓曲線(xiàn)的階等于橢圓曲線(xiàn)的秩.

那么，證明伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想的難點(diǎn)是什么呢？顯然，證明伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想的難點(diǎn)在于：這個(gè)猜想不僅給出了一個(gè)有待證明的數(shù)學(xué)問(wèn)題，而且給出了證明這個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題的一個(gè)充要條件.這個(gè)充要條件就是s=1.從這個(gè)充要條件來(lái)看，要想證明伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想，就必須用實(shí)數(shù)定義哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù).要想用實(shí)數(shù)定義哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù)，就必須把哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù)變成實(shí)數(shù).

令σ和t代表兩個(gè)實(shí)數(shù)，i代表虛數(shù)，我們可以用以下公式表示哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù)：

s=σ+it

從這個(gè)公式來(lái)看，只要做出t=0的規(guī)定，我們就可以把哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù)變成實(shí)數(shù)了.但是，哈塞-韋伊L函數(shù)不允許我們做出這樣的規(guī)定.因?yàn)椋?韋伊L函數(shù)是一個(gè)復(fù)變函數(shù).作為一個(gè)復(fù)變函數(shù)，哈塞-韋伊L函數(shù)已經(jīng)做出t≠0的規(guī)定了.

由此可見(jiàn)，把哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù)變成實(shí)數(shù)并不是一件容易事.

那么，怎樣才能把哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù)變成實(shí)數(shù)呢？顯然，要想把哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù)變成實(shí)數(shù)，就必須推出兩個(gè)十分重要的數(shù)學(xué)定理.這兩個(gè)數(shù)學(xué)定理就是虛數(shù)產(chǎn)生定理和負(fù)實(shí)數(shù)開(kāi)方定理.

虛數(shù)產(chǎn)生定理是指: 所有負(fù)實(shí)數(shù)的開(kāi)方運(yùn)算都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)虛數(shù).

令-x代表任意負(fù)實(shí)數(shù)，y代表負(fù)實(shí)數(shù)的開(kāi)方，我們可以用數(shù)學(xué)歸納法證明虛數(shù)產(chǎn)生定理.

第一步，假定-x=-1.根據(jù)這一假定，我們可以推出以下公式：

第二步，假定-x=-n且n>0.根據(jù)這一假定，我們可以推出以下公式：

第三步，假定-x=-(n+m)且m≥0.根據(jù)這一假定，我們可以推出以下公式：

因?yàn)樯鲜鋈齻€(gè)公式覆蓋了所有負(fù)實(shí)數(shù)，所以我們可以推出以下公式：

證畢.

負(fù)實(shí)數(shù)開(kāi)方定理是指：任何絕對(duì)值相同的正負(fù)實(shí)數(shù)相乘都會(huì)產(chǎn)生負(fù)實(shí)數(shù)開(kāi)方.

令y和-x含義不變，我們可以用以下方法證明負(fù)實(shí)數(shù)開(kāi)方定理：

又知y2=-x

因此x=-y2=y×(-y)

證畢.

在做好了這些理論準(zhǔn)備之后，我們就可以消除證明伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想的難點(diǎn)，十分容易地把哈塞-韋伊L函數(shù)的復(fù)數(shù)變成實(shí)數(shù)了.

令s=z，σ=x，t=y，我們可以用以下公式表示這個(gè)變化過(guò)程：

為了便于敘述，我們把這個(gè)公式稱(chēng)為復(fù)變公式.

從復(fù)變公式中，我們可以得出五個(gè)重要結(jié)論：

第一，σ不存在0≤σ<1的定義域.因?yàn)?，如果σ存?≤σ<1的定義域，復(fù)變公式就會(huì)出現(xiàn)零分母或無(wú)理數(shù).前者不符合分?jǐn)?shù)要求，后者不符合有理數(shù)要求.

第二，由于σ不存在0≤σ<1的定義域，所以σ有兩個(gè)定義域.第一個(gè)定義域?yàn)棣摇?，第二個(gè)定義域?yàn)棣?0.σ的第一個(gè)定義域就是復(fù)變公式的實(shí)數(shù)定義域.因?yàn)?，?dāng)σ≥1時(shí)，復(fù)變公式不會(huì)產(chǎn)生虛數(shù).σ的第二個(gè)定義域就是復(fù)變公式的復(fù)數(shù)定義域.因?yàn)?，?dāng)σ<0時(shí)，復(fù)變公式會(huì)產(chǎn)生虛數(shù).

第三，由于σ有兩個(gè)定義域，所以s也有兩個(gè)定義域.第一個(gè)定義域?yàn)閟≥0，第二個(gè)定義域?yàn)閟<0.s的第一個(gè)定義域來(lái)自于σ的第一個(gè)定義域.因?yàn)?，?dāng)σ≥1時(shí)，s≥0.s的第二個(gè)定義域來(lái)自于σ的第二個(gè)定義域.因?yàn)?，?dāng)σ<0時(shí)，s<0.

第四，雖然σ和s都有兩個(gè)定義域，但是這種相同之處卻又有所不同.σ的兩個(gè)定義域既無(wú)連續(xù)性又無(wú)對(duì)稱(chēng)性.s的兩個(gè)定義域既有連續(xù)性又有對(duì)稱(chēng)性.因此，σ的兩個(gè)定義域不會(huì)產(chǎn)生共軛變量，s的兩個(gè)定義域會(huì)產(chǎn)生共軛變量.共軛變量就是與原有變量絕對(duì)值相同符號(hào)相反的變量.

第五，從哈塞-韋伊L函數(shù)來(lái)看，當(dāng)s=0時(shí)，L(E,s)=λE(p).當(dāng)s>0時(shí)，L(E,s)<λE(p).當(dāng)s<0時(shí)，L(E,s)>λE(p).

令σ代表平面直角坐標(biāo)系的橫軸，s代表平面直角坐標(biāo)系的縱軸，我們可以根據(jù)這五個(gè)重要結(jié)論給出復(fù)變公式的幾何表示：

由于平面直角坐標(biāo)系的右平面屬于復(fù)變公式的實(shí)數(shù)定義域，所以平面直角坐標(biāo)系的右平面是一個(gè)實(shí)平面.在這個(gè)實(shí)平面上，存在著一條以σ=1為頂點(diǎn)的軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn).位于橫軸上方的軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)代表s的原有變量，位于橫軸下方的軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)代表s的共軛變量.

由于平面直角坐標(biāo)系的左平面屬于復(fù)變公式的復(fù)數(shù)定義域，所以平面直角坐標(biāo)系的左平面是一個(gè)復(fù)平面.在這個(gè)復(fù)平面上，存在著一條以σ<0為頂點(diǎn)的軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn).位于橫軸下方的軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)代表s的原有變量，位于橫軸上方的軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)代表s的共軛變量.

除了上述區(qū)別，平面直角坐標(biāo)系的右平面和左平面還有一個(gè)重要區(qū)別.這個(gè)重要區(qū)別來(lái)自于實(shí)平面和復(fù)平面的區(qū)別.

由于平面直角坐標(biāo)系的右平面是一個(gè)實(shí)平面，所以平面直角坐標(biāo)系的右平面不存在無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn).由于平面直角坐標(biāo)系的右平面不存在無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)，所以右平面軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)不會(huì)收斂于無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn).由于右平面軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)不會(huì)收斂于無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)，所以右平面軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)不能被想象為軸對(duì)稱(chēng)橢圓曲線(xiàn).

由于平面直角坐標(biāo)系的左平面是一個(gè)復(fù)平面，所以平面直角坐標(biāo)系的左平面存在無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn).由于平面直角坐標(biāo)系的左平面存在無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)，所以左平面軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)會(huì)收斂于無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn).由于左平面軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)會(huì)收斂于無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)，所以左平面軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)可以被想象為軸對(duì)稱(chēng)橢圓曲線(xiàn).

如果把平面直角坐標(biāo)系的右平面和左平面聯(lián)系起來(lái)，將右平面軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)視為左平面軸對(duì)稱(chēng)橢圓曲線(xiàn)的射影，將左平面軸對(duì)稱(chēng)橢圓曲線(xiàn)視為右平面軸對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)的虧格，橢圓曲線(xiàn)就是一條虧格為1的光滑射影曲線(xiàn).

由此可見(jiàn)，復(fù)變公式的幾何表示就是橢圓曲線(xiàn)的幾何表示.橢圓曲線(xiàn)的幾何表示就是哈塞-韋伊L函數(shù)的幾何表示.哈塞-韋伊L函數(shù)的幾何表示就是伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想的幾何表示.

現(xiàn)在的問(wèn)題是：s=1意味著什么？

這樣一來(lái)，我們就通過(guò)s=1發(fā)現(xiàn)了L(E,s)的上限和下限.

證畢.