陶哲軒和趙宇飛的學(xué)生聯(lián)手，給數(shù)學(xué)界整了個(gè)新驚喜：

讓組合數(shù)學(xué)領(lǐng)域最大難題之一 —— 從無(wú)序中證明有序，取得了 23 年來(lái)的重大突破。

這個(gè)問(wèn)題有多難？

用知名華裔數(shù)學(xué)家、MIT 副教授趙宇飛本人的話說(shuō)，是“我不會(huì)建議任何學(xué)生去做這個(gè)課題”。

有意思的是，這甚至還是個(gè)“意外”收獲：

陶哲軒弟子、剛上研究生二年級(jí)的 James Leng（以下簡(jiǎn)稱小冷）原本試圖延續(xù)另一位菲爾茲獎(jiǎng)得主 —— 蒂莫西?高爾斯的理論研究。

但搞了一年多，他幾乎是“一無(wú)所獲”。

就在一籌莫展之時(shí)，他遇上了趙宇飛的兩位天才學(xué)生 —— 本科期間就聯(lián)手發(fā)了十幾篇論文的 Ashwin Sah（以下簡(jiǎn)稱小薩）和 Mehtaab Sawhney（以下簡(jiǎn)稱索哥）。

三人一碰頭，頓時(shí)靈光乍現(xiàn)：小冷這研究思路用到塞邁雷迪定理上，那說(shuō)不定真能整出點(diǎn)新進(jìn)展。

幾個(gè)月后，都還在攻讀博士學(xué)位的三個(gè)年輕人真的做到了 ——

23 年首次突破組合數(shù)學(xué)難題

小冷、小薩和索哥的這項(xiàng)研究，是組合數(shù)學(xué)領(lǐng)域的一大難題，是對(duì)塞邁雷迪定理的進(jìn)一步研究。

塞邁雷迪定理由 2012 年阿貝爾獎(jiǎng)得主、匈牙利數(shù)學(xué)家塞邁雷迪?安德烈（Szemerédi Endre，注：匈牙利人的習(xí)慣是姓前名后）于 1975 年證明，其中說(shuō)到：

若一個(gè)整數(shù)集 A 具有正的自然密度，則對(duì)任意的正整數(shù) k，都可以在 A 中找出一個(gè)包含 k 項(xiàng)的等差數(shù)列。

所謂具有正自然密度，就是當(dāng) n 趨于無(wú)窮時(shí)，A 與 1,2,…,n 這個(gè)數(shù)列的交集中元素個(gè)數(shù)與 n 的比值大于 0。

比較著名的反例就是 2,4,8… 這樣的等比數(shù)列，它們被認(rèn)為在數(shù)軸上“過(guò)于稀疏”，不具備正自然數(shù)密度。

這個(gè)理論的猜想由兩名匈牙利數(shù)學(xué)家埃爾德什?帕爾（Erd?s Pál）和圖蘭?帕爾（Turán Pál）在 1936 年提出。

顯然對(duì)于 k=1 和 2 的情況，這個(gè)結(jié)論毫無(wú)疑問(wèn)是成立的，k=3 的情況則在 1953 年由英國(guó)數(shù)學(xué)家克勞斯?羅特證明。

到了 1969 年，塞邁雷迪用組合數(shù)學(xué)方法證明了 k=4 的情況，直到最終證明該結(jié)論對(duì)任意 k 均成立。

后來(lái)，又有數(shù)學(xué)家利用遍歷理論、傅里葉分析等其他方法證明了這一結(jié)論。

這也讓陶哲軒為之感慨，還把該定理的眾多證明稱為“羅塞塔石碑”，因?yàn)樗鼈冞B結(jié)了幾個(gè)乍看起來(lái)完全不同的數(shù)學(xué)分支。

但總之，塞邁雷迪定理的證明并不是一個(gè)終點(diǎn)，而且還開(kāi)啟了新的討論。

塞邁雷迪定理還有另一種表述形式 ——

若在正整數(shù) 1-N 中取一個(gè)子集，使得對(duì)于某一 k 值，在該子集中找不到長(zhǎng)度為 k 的等差數(shù)列；

則當(dāng) N 趨近于無(wú)窮時(shí)，該子集的大小 r_k (N) 與 N 的比值趨近于 0。

不過(guò)這個(gè)比值趨近于 0 的速度究竟是怎樣的，仍然是一個(gè)未知數(shù)，也就成了后續(xù)這幾十年的研究課題。

前面提到，有人用傅里葉分析方法給出了塞邁雷迪定理的新證明，這個(gè)人就是 1998 年菲爾茲獎(jiǎng)得主、英國(guó)數(shù)學(xué)家蒂莫西?高爾斯（Timothy Gowers）。

更重要的是，高爾斯同時(shí)給出了 r_k (N) 與 N 比值的上界，即該比值下降的速度不會(huì)慢于某個(gè)特定的函數(shù)。

這個(gè)函數(shù)長(zhǎng)這樣：

此后的 20 多年來(lái)，不斷有人針對(duì)具體 k 值，對(duì) r (N) 的范圍給出了更精確的上界。

比如在 2017 年，陶哲軒和英國(guó)數(shù)學(xué)家本?格林（Ben Green）一起給出了 k=4 時(shí)的新上界。

然而，對(duì) k 取任意值的情況一直未有新的進(jìn)展，直到這次研究的出現(xiàn)。

2022 年，正在加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）讀研二的小冷開(kāi)始研究起了高爾斯的理論。

不過(guò)他腦海里的是高爾斯提出的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題，并沒(méi)有想到塞邁雷迪定理。

一年很快過(guò)去，小冷沒(méi)有得到任何成果，但他的研究引起了小薩和索哥的注意。他們意識(shí)到，小冷的研究可能有助于在塞邁雷迪定理上取得進(jìn)一步進(jìn)展。

于是三位年輕的數(shù)學(xué)家走到了一起，并在幾個(gè)月之內(nèi)就想出了 k=5 時(shí)更精確的上界。

直到今年，三人又把這一結(jié)論推廣到了 k 為任意取值的情況，成為了 23 年以來(lái)在這個(gè)問(wèn)題上最重大的突破。

證明的核心在于應(yīng)用了高爾斯 U^(k+1) 范數(shù)的逆定理，這是一個(gè)與傅里葉分析相關(guān)的高級(jí)工具，它提供了一種衡量函數(shù)在某種意義上接近于零的方法。

該逆定理也是由三人發(fā)現(xiàn)的，用了足足 100 頁(yè)的論文進(jìn)行闡述。

其中指出，如果一個(gè)函數(shù)在范數(shù)意義上足夠大，那么它必然與某些具有特定結(jié)構(gòu)的序列相關(guān)聯(lián)，這些序列在數(shù)學(xué)上被稱為“結(jié)構(gòu)性對(duì)象”。

利用這個(gè)逆定理，作者們將問(wèn)題從原始的整數(shù)集合，轉(zhuǎn)移到了具有特定代數(shù)結(jié)構(gòu)的 nilmanifolds 流形上。

通過(guò)深入分析這些流形上的 nil 序列，作者們實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些序列在整數(shù)集合上變化的控制。

然后，他們通過(guò)對(duì)集合進(jìn)行分解并運(yùn)用密度增量策略，逐步增加不包含 k 項(xiàng)等差數(shù)列的子集密度，直到達(dá)到某一閾值或無(wú)法繼續(xù)增加。

經(jīng)過(guò)迭代這個(gè)過(guò)程，作者們證明了存在一個(gè)足夠大的子集，其密度遠(yuǎn)高于之前的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了 k=5 時(shí)結(jié)論向著更高 k 值的推廣。

陶哲軒趙宇飛的天才學(xué)生們

三位作者中，小冷（James Leng）目前就讀于加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA），師從菲爾茲獎(jiǎng)得主陶哲軒。

他的主要研究方向是算術(shù)組合學(xué)、動(dòng)力系統(tǒng)和傅里葉分析。

而小薩（Ashwin Sah）和索哥（Mehtaab Sawhney）都是 MIT 副教授趙宇飛的學(xué)生。

小薩其人，不可謂不是一位“天才少年”。

他是 2016 年國(guó)際奧林匹克數(shù)學(xué)競(jìng)賽（IMO）金牌得主，2018 年還獲得過(guò)首屆阿里巴巴全球數(shù)學(xué)競(jìng)賽銀獎(jiǎng)。

剛上大一，小薩就跑去聽(tīng)了趙宇飛研究生級(jí)別的組合數(shù)學(xué)課。這迅速引起了趙宇飛的注意：

盡管他只是大一的學(xué)生，但很顯然，他已經(jīng)掌握了這門課程。

就在本科期間，小薩已經(jīng)有 20 多篇數(shù)學(xué)論文在手 —— 并且他只用了兩年半時(shí)間就從 MIT 本科畢業(yè)了。

其中，還包括在拉姆齊數(shù)方面的重大突破：給出了拉姆齊數(shù)的新上限，被認(rèn)為是“使用現(xiàn)有研究線索可以獲得的最佳結(jié)果”。

索哥（Mehtaab Sawhney）比小薩高一年級(jí)，他同樣在本科期間就參與了趙宇飛的組合數(shù)學(xué)課程。

打從本科起，索哥和小薩就是彼此的科研搭子，關(guān)系密切到索哥主頁(yè)列出的 70 篇論文里，有 60 篇都帶小薩的名字。

而導(dǎo)師趙宇飛在本科時(shí)對(duì)他倆的評(píng)價(jià)就是：

（MIT）的本科生研究有著悠久的歷史和傳統(tǒng)，但在論文的質(zhì)量和數(shù)量上，都達(dá)不到 Ashwin Sah 和 Mehtaab Sawhney 的水平。

目前，索哥已經(jīng)率先博士畢業(yè)，獲得了哥倫比亞大學(xué)的教職，還在今年年初被任命為克萊研究員。

▲小薩索哥和趙宇飛合影，圖源：MIT

兩位老友的合作仍在繼續(xù)，這也令外界感到期待。他們的導(dǎo)師趙宇飛是這樣說(shuō)的：

他們的非凡之處在于總能理解極具技術(shù)挑戰(zhàn)的事物并加以改進(jìn)。

很難用語(yǔ)言概括他們的整體成就。

參考鏈接：

[1]https://arxiv.org/abs/2402.17995 [2]https://www.quantamagazine.org/grad-students-find-inevitable-patterns-in-big-sets-of-numbers-20240805/ [3]https://en.wikipedia.org/wiki/Szemer%C3%A9di%27s_theorem

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：量子位（ID：QbitAI），作者：克雷西、魚羊，原標(biāo)題《陶哲軒趙宇飛學(xué)生聯(lián)手攻下組合數(shù)學(xué)難題，23 年來(lái)首次突破》

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