Кіріспе
Диофантилік теңдеулерді шешу мүмкіндігі туралы
Хилберттің оныншы мәселесі – неміс математигі Дэвид Хилберт 1900 жылы қойған математикалық проблемалар тізіміндегі оныншы мәселе. Бұл – кез келген берілген Диофантилік теңдеу үшін (бүтін сандық коэффициенттері бар және шектеулі санда белгісіздері бар полиномдық теңдеу) теңдеудің барлық белгісіздері бүтін сан мәндерін қабылдайтын шешімі бар-жоғын анықтай алатын жалпы алгоритмді табу міндеті. Мысалы, Диофантилік теңдеуінің бүтін сандық шешімі бар: Ал керісінше, Диофантилік теңдеуінің мұндай шешімі жоқ. Хилберттің оныншы мәселесі шешілді, және жауабы жоқ: мұндай жалпы алгоритм болуы мүмкін емес. Бұл Мартин Дэвис, Юрий Матиясевич, Хилари Путнам және Джулия Робинсонның 21 жылға созылған бірлескен жұмысының нәтижесі, ал Матиясевич теореманы 1970 жылы аяқтады. Теорема қазір Матиясевич теоремасы немесе MRDP теоремасы (оның шешіміне басты үлес қосқан төрт ғалымның тегінің бас әріптерінен құралған аббревиатура) деп белгілі. Егер барлық коэффициенттер мен айнымалылар оң бүтін сандармен шектелген болса, полиномдық сәйкестікті тексеруге қатысты мәселе Тарскинің орта мектеп алгебрасы мәселесінің шешілетін (көбейту операциясы жоқ) түріне айналады, кейде оны деп белгілейді.
Hilbert's tenth problem is the tenth on the list of mathematical problems that the German mathematician David Hilbert posed in 1900. It is the challenge to provide a general algorithm that, for any given Diophantine equation (a polynomial equation with integer coefficients and a finite number of unknowns), can decide whether the equation has a solution with all unknowns taking integer values. For example, the Diophantine equation has an integer solution: By contrast, the Diophantine equation has no such solution. Hilbert's tenth problem has been solved, and it has a negative answer: such a general algorithm cannot exist. This is the result of combined work of Martin Davis, Yuri Matiyasevich, Hilary Putnam and Julia Robinson that spans 21 years, with Matiyasevich completing the theorem in 1970. The theorem is now known as Matiyasevich's theorem or the MRDP theorem (an initialism for the surnames of the four principal contributors to its solution). When all coefficients and variables are restricted to be positive integers, the related problem of polynomial identity testing becomes a decidable (exponentiation free) variation of Tarski's high school algebra problem, sometimes denoted
Қосымша нәтижелер
Біз Диофантикалық жиынның дәрежесін сол жиынтықты анықтайтын теңдеудегі көпмүшенің ең кіші дәрежесі деп атауға болады. Сол сияқты, мұндай жиынның өлшемін анықтамалы теңдеудегі ең аз белгісіздер саны деп атай аламыз. Жалпыға ортақ Диофантикалық теңдеудің болуынан осы екі шаманың да абсолютті жоғарғы шегі бар екені анық, және осы шектерді анықтауға көп қызығушылық танылды. 1920 жылдары Торлаф Сколем кез келген Диофантикалық теңдеудің 4-дәрежелі немесе одан төмен дәрежелі теңдеуге эквивалентті екенін көрсетті. Оның хитролығы – жаңа белгісіздерді белгісіздердің квадратына немесе екі белгісіздің көбейтіндісіне тең теңдеулер арқылы енгізу болды. Бұл процесті қайталау екінші дәрежелі теңдеулер жүйесіне алып келеді; содан кейін квадраттарды қосу арқылы 4-дәрежелі теңдеу алынады. Осылайша, кез келген Диофантикалық жиын 4-дәрежелі немесе одан төмен дәрежелі болады. Бұл нәтиже ең жақсы нәтиже болып табылады ма, жоқ па, әлі белгісіз. Джулия Робинсон мен Юрий Матиясевич кез келген Диофантикалық жиынның өлшемі 13-тен аспайтынын көрсетті. Кейіннен Матиясевич олардың әдістерін жетілдіріп, 9 белгісіз жеткілікті екенін көрсетті. Бұл нәтиже ең жақсы нәтиже болмауы мүмкін, бірақ одан әрі прогресс болған жоқ. Сондықтан, әсіресе, 9 немесе одан аз белгісіздері бар Диофантикалық теңдеулерді натурал сандарда шешілетіндігін тексеруге арналған алгоритм жоқ. Рационал бүтін сандардағы шешімдер үшін (Хилберт бастапқыда қойған мәселе бойынша), 4 квадраттық тәсіл 36-дан аспайтын белгісіздері бар теңдеулер үшін алгоритмнің жоқтығын көрсетеді. Бірақ Чжи Вэй Сун бүтін сандар мәселесінің 11 белгісізден аспайтын теңдеулер үшін де шешілмейтінін көрсетті. Мартин Дэвис Диофантикалық теңдеудің шешімдерінің санын қамтитын алгоритмдік мәселелерді зерттеді. Хилберттің оныншы мәселесі – осы санның 0-ге тең болатыны немесе болмайтыны туралы сұрақ қояды. Егер және болсын, онда Дэвис бұл жиынның бос емес ішкі жиыны екенін дәлелдеді. Ол берілген Диофантикалық теңдеудің шешімдерінің саны аталған жиынның мүшесі болатынын анықтауға арналған алгоритмнің жоқтығын дәлелдеді. Осылайша, Диофантикалық теңдеудің шешімдерінің саны шекті, тақ, толық квадрат, жай сан және т.б. болатынын анықтауға арналған алгоритм жоқ. MRDP теоремасының дәлелі Coq жүйесінде формалданудан өтті.
Хилберттің оныншы проблемасының кеңейтулері
Гилберт рационалды бүтін сандар үшін мәселені қойғанмен, оны көптеген сақиналар үшін де (әсіресе, элементтерінің саны саналатын кез келген сақина үшін) қоюға болады. Нақты мысалдар – алгебралық сандар өрістерінің бүтін сандарының сақиналары, сондай-ақ рационалдық сандар. Гильберттің оныншы мәселесі алгебралық сандар өрістерінің бүтін сандарының сақиналары бойынша көп зерттелді. Ян Денеф пен Леонард Липшицтің бұрынғы жұмыстарына сүйене отырып және сыныптық өріс теориясын пайдалана отырып, Гарольд Н. Шапиро мен Александра Шлапентох мынаны дәлелдеді: Гильберттің оныншы мәселесі рационалдарға қатысты Галуа тобы абельдік болатын кез келген алгебралық сан өрісінің бүтін сандарының сақинасы үшін шешілмейді. Шлапентох және Танасес Фидас (бір-бірінен тәуелсіз) дәл бір жұп кешенді конъюгатты енгізуге ие алгебралық сандар өрісі үшін сол нәтижені алды. Жоғарыда аталған нәтижелерге кірмейтін алгебралық сандар өрістерінің бүтін сандарының сақинасы үшін мәселе ашық күйде қалады. Сонымен қатар, үлкен қызығушылыққа қарамастан, рационалдардағы теңдеулер мәселесі де ашық болып қала береді. Барри Мазур рационалдар үстіндегі кез келген сорт үшін шешімдер жиынының нақты сандар бойынша топологиялық жабылуы тек шекті саны ғана компоненттерден тұрады деп болжайды. Бұл болжам бүтін сандардың рационалдар үстінде Диофанттық емес екенін көрсетеді, сондықтан егер бұл болжам дұрыс болса, Гильберттің оныншы мәселесіне теріс жауап беру үшін басқа сақиналар үшін қолданылғаннан өзгеше тәсіл қажет болады.
Hilbert's tenth problem is unsolvable for the ring of integers of any algebraic number field whose Galois group over the rationals is abelian. Shlapentokh and Thanases Pheidas (independently of one another) obtained the same result for algebraic number fields admitting exactly one pair of complex conjugate embeddings. The problem for the ring of integers of algebraic number fields other than those covered by the results above remains open. Likewise, despite much interest, the problem for equations over the rationals remains open. Barry Mazur has conjectured that for any variety over the rationals, the topological closure over the reals of the set of solutions has only finitely many components. This conjecture implies that the integers are not Diophantine over the rationals and so if this conjecture is true a negative answer to Hilbert's Tenth Problem would require a different approach than that used for other rings.