2017年8月16日水曜日

数学可能出错,但不会造假|蔡天新专栏

数学可能出错,但不会造假|蔡天新专栏

 
近日关于韩春雨事件,因为韩的主动撤稿,再度引爆媒体,舆论和公众众说纷纭。这使我想起数学史上的几桩趣事,也曾引发媒体的持久关注和公众的广泛兴趣。
第一件事是地图四色问题
它是近代世界三大数学难题之一。1854年,毕业于伦敦大学的南非青年格里斯(1831-1899)在一家科研单位从事地图着色工作,他发现每幅地图都可以只用四种颜色着色,便可以使得任何相邻的两个国家颜色不同。
这一现象能不能用数学方法严格证明呢?格里斯和他正在上大学的弟弟尝试证明,但没有成功。一百年以后,地图四色问题成为了著名的数学难题。
1879年,英国律师、数学爱好者阿尔弗莱德·肯普(1847-1922)曾正式发表论文,证明了地图四色问题。11年以后,一位大学生发现并指出他的证明有错,此时他已当选为英国皇家学会会员(相当于科学院院士),这个错误直到86年以后的1976年,才被两位美国数学家阿陪尔和哈肯纠正,他们借助电子计算机证明了地图四色问题,但使用的方法仍然是肯普发明的。值得一提的是,在肯普被指出证明有误以后,他依然当选为英国皇家学会副主席、伦敦数学会会长。
第二件事是费马大定理
这是有着350多年历史的数学悬案,由法国数学家、业余数学家之王费马在17世纪提出,1993年由英国数学家安德鲁·怀尔斯在母校剑桥大学艾萨克·牛顿研究所宣布证明,但随后发现有漏洞,因此没有发表。两年以后,在理查德·泰勒等数学家的帮助之下,怀尔斯的证明正式发表,并得到了举世公认。因此,他虽然已经超出了40岁的年限,仍然在45岁那年(1998)被授予菲尔兹特别奖,这是这一世界最高数学奖项唯一一次例外,他的工作也被认为是20世纪的数学成就。
第三件事是abc猜想
它虽然提出才32年,但与费马大定理一样重要。假如这个猜想被证明,那么四项菲尔兹奖成果(包括费马大定理在内)都可以轻松推出,可以说只需五六行便能证明,其难度相当于小学奥数题。2012年,京都大学教授、日本数学家望月新一在互联网上宣布,他证明了abc猜想,轰动一时,但他的证明至今没有得到数学界公认,因为他使用方法和理论的一部分无人能够看懂,同时也没有人在他的文章里找出漏洞或错误。对此他本人承诺,会在10年代给出大家满意的解释。
第四件事是哥德巴赫猜想
1960年代,关于这个猜想的竞争异常激烈,按照王元院士在《华罗庚传》第65节的描述:1962年,王元收到潘承洞(笔者博士导师)的信,在给出算术素列中素数分布的一条中值定理以后,他证明了“1+5”,即每个充分大的偶数均可以表示成一个素数和另一素因子个数不超过5个的正整数的和。
“正当收到潘承洞的论文1+5后不久,王元又收到苏联数学家巴尔巴恩的论文,其结果与方法基本上与潘承洞的工作相同。王元将潘承洞的结果和方法告诉了巴尔巴恩。不久王元又收到潘承洞的“1+4”手稿,以及巴尔巴恩的信,信中说他证明了“1+4”。王元写信告诉巴尔巴恩潘承洞证明“1+4”的方法,即将苏联数学家利尼克的方法加以改进,巴尔巴恩回信说他用的也是同样的方法。这时王元也用潘承洞的中值定理证明了“1+4”,并指出这个中值定理实际上起到了弱广义黎曼猜想的作用。
1965年,意大利数学家庞比尼证明了更强的中值定理,从而得到了“1+3”。主要因为这项工作,以及其他工作,他获得了1974年菲尔兹奖,年仅34岁。1966年,陈景润宣布证明了“1+2”,但他只是在《科学通报》上发表了论文摘要,史无前例的文化大革命便爆发了。因为只有摘要发表,国外同行无人相信。直到七年之后,在周恩来的关心之下,陈景润的论文全文才在《中国科学》发表,当年便作为“陈氏定理”被专章写进两位欧美数论学家的专著《筛法》里头。1978年,国际数学家大会在温哥华召开,陈景润第一次收到做特邀报告的邀请,但他却因故没能成行,那年陈景润已45岁。
1968年7月17日,曾经独立证明“1+5”和“1+4”的苏联数学家巴尔巴恩在乌兹别克共和国首都塔什干自杀身亡,年仅33岁。多年以后,据有关方面透露,巴尔巴恩曾宣称或自以为证明了“1+1”,即原汁原味的哥德巴赫猜想,但不久他便发现证明有误,且无力纠正这个错误......
从以上诸事件可以看出,尽管数学可能出错,但不会像需要实验或数据的科学那样造假。因为数学的证明和计算都是摆在同行和世人面前,无法撒谎或欺骗。当然,这里面必须要把统计和数据排除在外。事实上,就在不久以前,统计学作为一门数学分支的历史便告结束,它已经被分划出去,成为与数学并列的一级学科。(编辑:吴欧)
题图来源:123RF
 
ゼロ除算はどうでしょうか:興味深く読みました:
 
 
再生核研究所声明376(2017.7.31): 現代初等数学における間違いと欠落 ― ゼロ除算の観点から

ゼロ除算とは、ゼロで割ることを考える事であるが、多くの人は 直ぐに出来るはずがない、できないのに決まっている、あるいは できても我々には関係がないとして、初めから興味も関心も抱かない状況が広く見られる。そこで、関心を懐き、真実を知って欲しいとの観点から、ゼロ除算が多くの人の問題であり、人生、世界の見方に大きな影響を与えることを簡潔に述べたい。

まず、ゼロで割ることについては、世の考えは基本的に間違がった考えに満ちている ことを言明したい:

1.ゼロ除算未定義は適切ではなく、自然な意味での拡張で、ゼロ除算は可能であり任意の複素数zに対して何と単純明快にz/0=0である。もちろん、普通の分数の意味ではないことは 当然である。ところが、数学や物理学等の多くの公式における分数は、拡張された分数の意味を有していることが広く認められた。ゼロ除算を含む簡単で、自然な体の構造も確立されている。― ゼロ除算は 代数学的にも完全である。

2.複素解析学でいわゆる無限遠点は1/0=0で、複素数0で表される。― これは無限で表されると考えられてきたから、実際、 天と地をひっくり返す 天動説が地動説に変わるような 新事実、新現象である。

3.円に関する中心の鏡像は無限遠点ではなくて、中心それ自身であること。
 
これら 超古典的な結果に間違いが存在する。沢山の証明とそれらを裏付ける結果が沢山得られている。それらに基づいた展開が既に相当なされている。

4.孤立特異点で 解析関数は有限確定値をとること。その値が大事な意味を有する。
典型的な例は、\tan (\pi/2) =0 で、x,y 直交座標系で y軸の勾配がゼロであること。
ゼロ除算算法の導入 ― 分母がゼロになる場合にも、分子がゼロでなくても、そこで意味のある広い世界。従来微分係数が無限大に発散するとされてきたとき、それは 実はゼロになっていたこと。微分法の多くの公式の変更。微分方程式の特異点についての新しい知見、孤立特異点で微分方程式を満たしているという知見。孤立特異点で値を有すること、微分係数が新しく定義出来て意味をもつことから、微分方程式論には大きな欠陥が存在する:

再生核研究所声明374 (2017.7.20):微分方程式論における不完全性と問題

5.直線や平面には、原点を加えて考えるべきこと。平行線は原点を共有する。
無限遠点に関係する図形や公式の変更。ユークリッド空間の構造の変更、修正。
接線や法線の考えに新しい知見。曲率についての定義のある変更。図形の破壊現象の統一的な説明。例えば半径無限の円(半平面)の面積は、実はゼロだった。確定された数としての無限大、無限は排斥されるべきこと。これらは、アリストテレスの世界観に反し、 ユークリッド空間の完全化を与える。ゼロ除算による世界の構造の統一的な説明。物理学などへの応用等等:
再生核研究所声明373 (2017.7.17): 高木貞治 「解析概論」の改変構想 

6.ゼロ除算は 物理学を始め、広く自然科学や計算機科学への大きな影響があり、さらに哲学、文学、宗教、文化への大きな影響がある。しかしながら、ゼロ除算の研究成果を教科書、学術書に遅滞なく取り入れていくことは、真智への愛、真理の追究の表現であり、四則演算が自由にできないとなれば、数学者ばかりではなく、人類の名誉にも関わることである。実際、ゼロ除算の歴史は 止むことのない闘争の歴史とともに人類の恥ずべき人類の愚かさの象徴となるだろう。世間ではゼロ除算について不適切な情報が溢れていて 今尚奇怪で抽象的な議論によって混乱していると言える。― 美しい世界が拓けているのに、誰がそれを閉ざそうと、隠したいと、無視したいと考えられるだろうか。我々は間違いを含む、不適切な数学を教えていると言える: ― 再生核研究所声明 41: 世界史、大義、評価、神、最後の審判 ―。
地動説のように真実は、実体は既に明らかである。 ― 研究と研究成果の活用の推進を 大きな夢を懐きながら 要請したい。 研究課題は基礎的で関与する分野は広い、いろいろな方の研究・教育活動への参加を求めたい。素人でも数学の研究に参加できる新しい初歩的な数学を沢山含んでいる。ゼロ除算は発展中の世界史上の事件、問題であると言える(再生核研究所声明325(2016.10.14) ゼロ除算の状況について ― ( 研究・教育活動への参加を求めて)
                                     以 上

 
再生核研究所声明 374 (2017.7.20)微分方程式論における不完全性と問題

現在の学部レベルの微分方程式の教科書を広く参照して、その理論、扱いの不備が目立つので、項目に分けて具体的に指摘しておきたい。まずは大局、要点は次から。
                                                                                
再生核研究所声明366(2017.5.16)微分方程式論の不備 ― 不完全性

― ところが、数学の多くの著書のうちでも、微分方程式論では、現在の版でも相当に隙や論理の飛躍、扱いの不統一さなど、数学書としては 他の分野の著書に比べて ちぐはぐ、隙だらけに見えて来た。微分方程式論は不完全な状況であると言える。このことを簡潔に、具対的に指摘したい。未知の相当な世界にも触れたい。
先ず、微分方程式の定義である。普通は導関数を含む方程式を微分方程式と称する。このとき導関数とは何だろうか。関数に微分係数を対応させて、微分によって導かられた関数が導関数であるから、微分方程式には関数が定義されていなくてはならない。普通は1変数関数ならばxの関数 y=f(x) などと考え、その導関数を含む方程式を考えるだろう。例として考えられるのは、原点を中心とする半径aの円群が満たす例として多くの教科書の初期に 微分方程式の例が挙げられる。このとき、円はy軸に平行な接線を持つから その点で微分係数は存在しないと考えられる。そのままでは円群の満たす微分方程式とは言えず、微分方程式を満たさない点が存在することになってしまう。数学としては初めから、格好が悪いと言える。多くの微分方程式でこのことは広く問題になる。― ここの説明を上手くするために 都合の悪いところで、独立変数と従属変数を変えて、そこで考えれば良いという意見を頂いたが、少し人為的、最初の議論としてはあまり良いとは言えないのではないだろうか。
ところがゼロ除算で考えると、何とy軸に平行な接線の接点で、関数は微分可能で、微分係数の値、勾配はゼロであることが ゼロ除算の拓いた重要な知見、結果である。すると、微分方程式 dy/dx= - x/y は至るところで、円によって満たされるとなる。念のため、(a,0) で (dy/dx)(a)= - a/0=0 である。
この初歩的な結果は、微分方程式論に大きな影響を与える。解析関数の孤立特異点で、自然な意味で、値と微分係数を定義できるから、微分方程式を孤立特異点そのものでも考えることができるという、広い世界が拓かれてくる。微分方程式論を孤立特異点まで含めて議論する広い世界である。そもそも従来は、孤立特異点の孤立点を除いた近傍で数学を議論してきた。孤立特異点そのところでは数学を考えて来なかったのである。
ゼロ除算が拓いたゼロ除算算法は 解析関数の孤立特異点で有限確定値を与え、それらが自然な意味を持つから、微分方程式と微分方程式の解の孤立特異点での値の性質を調べる雄大な分野が存在する。
要するに、数理科学の数式で、分母がゼロになる膨大な数式で、ゼロ除算算法で 孤立特異点で考える新しい世界が出現し、その影響は甚大であると考えられる。
もちろん、偏微分方程式論でも同様であるが、多変数のゼロ除算の定義から既に多変数解析関数論における難解な問題に繋がっていて、殆ど未知の世界である。
ゼロ除算算法の微分方程式論における影響は広範で、甚大であると考えられる。学術書の全般的な書き換えが求められている。
以 上
そこで、さらに項目で具体的に述べよう:

1) 微分方程式の解が考えているところで全く解析的な関数なのに、微分方程式の表現で、従来の数学では説明のつかないような特異点を有する微分方程式が沢山現れている。そのような特異点で、ゼロ除算算法で解釈すれば微分方程式は考えているところで全体的に説明ができて意味を持つこととなる。
2) 微分方程式の 一つの係数がゼロになった時の解と元の解は関係があり、一般的な解から、特別に一つの係数がゼロになった時の解が出ると考えられるが、簡単に出る場合もあるが、従来の数学で、導かれそうもない場合に、ゼロ除算算法で沢山、決まった方法で導かれる現象が発見された。
3) 外力の入れ方で共振を起こす場合の結果が、共振を起こさない場合から、ゼロ除算算法で自動的に導かれる。
4) 従来、実数空間で考えた微分方程式の解が、孤立特異点で切れて解が切れて、接続できないとの記述が見られるが、これは、孤立特異点も含めて微分方程式、そしてその解が考えられる。(ポントリャーゲンや古屋先生の本に特異点から先、解が伸びないで切れているという記述がある。)
5) 微分方程式の任意定数の扱いで e^C を任意定数で置き換えるとき、負やゼロを取らないと考えられているので、いちいちそれらの場合も良いと理由を付けて説明しているが, ゼロ除算で発見された値を考えることで、いちいち断る必要はなくなる。\log 0=0で, e^0 が2つの値、1とゼロの2つの値をとること。
6) 例えばある放物線の傾きmの接線の方程式 y=mx + p/m, ある微分方程式の一般解y = cx + \frac{1}{c} などで、m=0や c=0 で、y=0としてそのまま意味を持つ。ゼロ除算は広く成り立っている。
7) たとえば、y^{\prime\prime} + 4 y^{\prime} + 3 y = 5 e^{kx}, の解
y = \frac{5 e^{kx}}{k^2 + 4 k + 3}.
において、 $k = -3$,の場合の解がゼロ除算算法で自動的に自然に解が求まる。

以 上

再生核研究所声明 373 (2017.7.17) 高木貞治 「解析概論」の改変構想 

日本には、解析学の基礎全般について解説された 解析学の聖書とみなされるような古典的な名著がある。現在手にしているのは、1963年1月発行の改訂第3版のものであるが、学生時代から、何と54年も近くに存在していて、今でも参照している。
日本の学部教育における、微積分学の模範となり、その後の解析学のカリキュラムの基礎、標準を与えていると考えられる。多くの理系専攻者の思い出の1冊ではないだろうか。476ページの大判も大きな存在感を持ち、風格も十分である。美しい文体や記述は多くの人に感銘を与えてきている。
誠に畏れ多いことであるが、この完全性を有する古典的な著書内容に ある大きな進化させるべき数学があり、数学をより美しく完全にすべき構想を述べたい。誠に畏れ多いことであるが、数学の発展には必然性があり、数学の姿は人類の思惑や予断や偏見を越えて実在する存在であり:


下記構想は 既に必然的であると考える:

まず、結果位置づけが明瞭である陰関数についてである。陰関数の存在定理における陰関数の陽な表現定理、理論が確立された。このような理論、結果は数学として基本的であり内容も美しいので、解析学で広く採用、触れられるべきであると考えられる。骨格は次の著書の本文と付録にコンパクトに述べられている:

S. Saitoh and Y. Sawano, Theory of Reproducing Kernels and Applications, Developments in Mathematics {\bf 44}, Springer (2016).

次はゼロ除算の発見による影響である。立体射影における修正、無限遠点がゼロで表されること、円の中心の円に関する鏡像が円の中心であること。これら古典的な数学に間違いがあり、根本的な修正が要求される。基本は、下記の状況からの修正、補充、完全化である:

1. ゼロ除算未定義は自然な意味での拡張で、可能で任意の複素数zに対してz/0=0であること。
もちろん、普通の分数の意味ではないことは 当然である。ところが、数学や物理学等の多くの公式における分数は、拡張された分数の意味を有していることが広く認められた。ゼロ除算を含む簡単で、自然な体の構造が与えられている。
2. いわゆる複素解析学で無限遠点は1/0=0で、複素数0で表されること。
3. 円に関する中心の鏡像は無限遠点ではなくて、中心それ自身であること。
これら超古典的な結果に間違いが存在する。
4. 孤立特異点で 解析関数は有限確定値をとること。その値が大事な意味を有する。
5. x,y 直交座標系で y軸の勾配はゼロであること;  \tan (\pi/2) =0.
6. 直線や平面には、原点を加えて考えるべきこと。平行線は原点を共有する。
7. 無限遠点に関係する図形や公式の変更。ユークリッド空間の構造の変更、修正。
8. 接線法線の考えに新しい知見。曲率についての定義のある変更。
9. ゼロ除算算法の導入。分母がゼロになる場合にも、分子がゼロでなくても、そこで意味のある広い世界。多くの応用。
10.     従来微分係数が無限大に発散するとされてきたとき、それは 実はゼロになっていたこと。多くの公式の変更。
11.     微分方程式の特異点についての新しい知見、特異点で微分方程式を満たしているという知見。極で値を有すること、微分係数が意味をもつことから。微分方程式論には大きな欠陥が存在する。
12.     図形の破壊現象の統一的な説明。例えば半径無限の円(半平面)の面積は、実はゼロだった。
13.     確定された数としての無限大、無限は排斥されるべきこと。
14.ゼロ除算による世界の構造の統一的な説明。物理学などへの応用。
15.\log 0 =0 の発見と関連する数学。

微積分学、線形代数学、解析幾何学、初等幾何学、微分方程式 複素解析などは相当な修正が要求されていると考えられる。それを上手く解析概論に活かしての改変は 既に歴史的必然であると考えられる。

                                                                        以 上
再生核研究所声明3682017.5.19)ゼロ除算の意義、本質
                     
ゼロ除算の本質、意義について、既に述べているが、参照すると良くまとめられているので、初めに復習して、新しい視点を入れたい。

再生核研究所声明3592017.3.20) ゼロ除算とは何か ― 本質、意義

ゼロ除算の理解を進めるために ゼロ除算とは何か の題名で、簡潔に表現して置きたい。 構想と情念、想いが湧いてきたためである。
基本的な関数y=1/x を考える。 これは直角双曲線関数で、原点以外は勿論、値、関数が定義されている。問題はこの関数が、x=0  で どうなっているかである。結論は、この関数の原点での値を ゼロと定義する ということである。 定義するのである。定義であるから勝手であり、従来の定義や理論に反しない限り、定義は勝手であると言える。原点での値を明確に定義した理論はないから、この定義は良いと考えられる。それを、y=1/0=0 と記述する。ゼロ除算は不可能であるという、数学の永い定説に従って、1/0 の表記は学術書、教科書にもないから、1/0=0 の記法は 形式不変の原理、原則 にも反しないと言える。― 多くの数学者は注意深いから、1/0=\infty の表記を避けてきたが、想像上では x が 0 に近づいたとき、限りなく 絶対値が大きくなるので、複素解析学では、表現1/0=\infty は避けても、1/0=\infty と考えている事は多い。(無限大の記号がない時代、アーベルなどもそのような記号を用いていて、オイラーは1/0=\inftyと述べ、それは間違いであると指摘されてきた。 しかしながら、無限大とは何か、数かとの疑問は 続いている。)。ここが大事な論点である。近づいていった極限値がそこでの値であろうと考えるのは、極めて自然な発想であるが、現代では、不連続性の概念 が十分確立されていて、極限値がそこでの値と違う例は、既にありふれている。― アリストテレスは 連続性の世界観をもち、特にアリストテレスの影響を深く受けている欧米の方は、この強力な不連続性を中々受け入れられないようである。無限にいくと考えられてきたのが突然、ゼロになるという定義になるからである。 しかしながら、関数y=1/xのグラフを書いて見れば、原点は双曲線のグラフの中心の点であり、美しい点で、この定義は魅力的に見えてくるだろう。
定義したことには、それに至るいろいろな考察、経過、動機、理由がある。― 分数、割り算の意味、意義、一意性問題、代数的な意味づけなどであるが、それらは既に数学的に確立しているので、ここでは触れない。
すると、定義したからには、それがどのような意味が存在して、世の中に、数学にどのような影響があるかが、問題になる。これについて、現在、初等数学の学部レベルの数学をゼロ除算の定義に従って、眺めると、ゼロ除算、すなわち、 分母がゼロになる場合が表現上現れる広範な場合に 新しい現象が発見され、ゼロ除算が関係する広範な場合に大きな影響が出て、数学は美しく統一的に補充,完全化されることが分かった。それらは現在、380件以上のメモにまとめられている。しかしながら、世界観の変更は特に重要であると考えられる:

複素解析学で無限遠点は その意味で1/0=0で、複素数0で表されること、アリストテレスの連続性の概念に反し、ユークリッド空間とも異なる新しい空間が 現れている。直線のコンパクト化の理想点は原点で、全ての直線が原点を含むと、超古典的な結果に反する。更に、ゼロと無限の関係が明らかにされてきた。
ゼロ除算は、現代数学の初等部分の相当な変革を要求していると考えられる。
以 上

ゼロ除算の代数的な意義は、山田体の概念で体にゼロ除算を含む構造の入れ方、一般に体にゼロ除算の概念が入れられるが、代数的な発展については 専門外で、触れられない。ただ、計算機科学でゼロ除算と代数的な構造について相当議論している研究者がいる。
ゼロ除算の解析学的な意義は、従来孤立特異点での研究とは、孤立点での近傍での研究であり、正確に述べれば 孤立特異点そのものでの研究はなされていないと考えられる。
なぜならば、特異点では、ゼロ分のとなり、分子がゼロの場合には ロピタルの定理や微分法の概念で 極限値で考えてきたが、ゼロ除算は、一般に分子がゼロでない場合にも意味を与え、極限値でなくて、特異点で 何時でも有限確定値を指定できる ― ゼロ除算算法初めて、特異点そのものの世界に立ち入ったと言える。従来は孤立特異点を除いた世界で 数学を考えてきたと言える。その意味でゼロ除算は 全く新しい数学、世界であると言える。典型的な結果は tan(\pi/2) =0で、y軸の勾配がゼロであることである。
ゼロ除算の幾何学的な意義は、ユークリッド空間のアレクサンドロフの1点コンパクト化に、アリストテレスの連続性の概念でない、強力な不連続性が現れたことで、全く新しい空間の構造が現れ、幾何学の無限遠点に関係する部分に全く新規な世界が現れたことである。所謂無限遠点が数値ゼロで、表現される。
さらに、およそ無限量と考えられたものが、実は、数値ゼロで表現されるという新しい現象が発見された。tan(\pi/2) =0の意味を幾何学的に考えると、そのことを表している。これはいろいろな恒等式に新しい要素を、性質を顕にしている。ゼロが、不可能性を表現したり、基準を表すなど、ゼロの意義についても新しい概念が現れている。

以 上

ゼロ除算の詳しい解説を次で行っている:
(数学基礎学力研究会のホームページ
URL
The division by zero is uniquely and reasonably determined as 1/0=0/0=z/0=0 in the natural extensions of fractions. We have to change our basic ideas for our space and world

Division by Zero z/0 = 0 in Euclidean Spaces
Hiroshi Michiwaki, Hiroshi Okumura and Saburou Saitoh
International Journal of Mathematics and Computation Vol. 28(2017); Issue  1, 2017), 1
-16. 
http://www.scirp.org/journal/alamt   http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html

http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf

Relations of 0 and infinity
Hiroshi Okumura, Saburou Saitoh and Tsutomu Matsuura:
http://www.e-jikei.org/…/Camera%20ready%20manuscript_JTSS_A…

1/0=0、0/0=0、z/0=0

http://ameblo.jp/syoshinoris/entry-12276045402.html

                                                                   


1/0=0、0/0=0、z/0=0

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