Кіріспе
Сан теориясы (немесе арифметика немесе жоғары арифметика) – таза математиканың бүтін сандар мен арифметикалық функцияларды зерттеуге арналған саласы. Немец математигі Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) былай деді: «Математика – ғылымдардың патшайымы, ал сандар теориясы – математиканың патшайымы». Сан теорияшылары жай сандарды, сондай-ақ бүтін сандардан (мысалы, рационалды сандар) құрылған математикалық объектілердің қасиеттерін немесе бүтін сандардың обобщениелері ретінде анықталғандарды (мысалы, алгебралық бүтін сандар) зерттейді. Бүтін сандар өзіндік құндылықтарында немесе теңдеулердің шешімдері ретінде қарастырылуы мүмкін (Диофантия геометриясы). Сандар теориясының мәселелері көбінесе талдау объектілерін зерттеу арқылы жақсы түсініледі (мысалы, Риманның зета-функциясы), олар бүтін сандардың, жай сандардың немесе басқа сандар теориялық объектілердің қасиеттерін бір жолмен кодтайды (аналитикалық сандар теориясы). Рационалды сандарға қатысты нақты сандарды да зерттеуге болады, мысалы, соңғыларымен жуықтау арқылы (Диофантиялық жуықтау). Сандар теориясының ескі атауы – арифметика. ХХ ғасырдың басында ол «сан теориясы»мен ығыстырылды. («Арифметика» сөзі жалпы халық арасында «элементар есептеулер» мағынасында қолданылады; сонымен қатар, ол математикалық логикада, мысалы, Пеано арифметикасында, және компьютерлік ғылымда, мысалы, қозғалатын нүктелік арифметикада басқа мағыналарға ие). Арифметика терминінің сандар теориясы үшін қолданылуы 20 ғасырдың екінші жартысында, әсіресе француздық ықпалдың нәтижесінде, қайтадан қолданысқа кірді. Атап айтқанда, «сан теориялық» дегенге қарағанда «арифметикалық» сөзі жиірек қолданылады.
Number theory (or arithmetic or higher arithmetic in older usage) is a branch of pure mathematics devoted primarily to the study of the integers and arithmetic functions. German mathematician Carl Friedrich Gauss (1777–1855) said, "Mathematics is the queen of the sciences—and number theory is the queen of mathematics." Number theorists study prime numbers as well as the properties of mathematical objects constructed from integers (for example, rational numbers), or defined as generalizations of the integers (for example, algebraic integers). Integers can be considered either in themselves or as solutions to equations (Diophantine geometry). Questions in number theory are often best understood through the study of analytical objects (for example, the Riemann zeta function) that encode properties of the integers, primes or other number theoretic objects in some fashion (analytic number theory). One may also study real numbers in relation to rational numbers, for example, as approximated by the latter (Diophantine approximation). The older term for number theory is arithmetic. By the early twentieth century, it had been superseded by "number theory". (The word "arithmetic" is used by the general public to mean "elementary calculations"; it has also acquired other meanings in mathematical logic, as in Peano arithmetic, and computer science, as in floating point arithmetic.) The use of the term arithmetic for number theory regained some ground in the second half of the 20th century, arguably in part due to French influence. In particular, arithmetical is commonly preferred as an adjective to number theoretic.
Арьябхата, Брахмагупта, Бхаскара
Грек астрономиясы, ықтималда, тригонометрияны енгізуге дейін үнді біліміне әсер еткен болса да, үнді математикасы көбінесе жергілікті дәстүр болып табылады; атап айтқанда, Евклидтің «Элементтері» 18-ғасырға дейін Үндістанға жеткеніне ешқандай дәлел жоқ. Āryabhaṭa (476–550 ж.) бір мезгілдегі конгруенциялар жұбын ол «kuṭṭaka» немесе «ұнтақтау» деп атаған әдіс арқылы шешуге болатынын көрсетті; бұл Эвклид алгоритміне жақын (жалпылау) процедура, ол, мүмкін, Үндістанда тәуелсіз түрде ашылған. Āryabhaṭa астрономиялық есептеулерге қолдануды көздеген сияқты. Brahmagupta (628 ж.) анықталмаған квадраттық теңдеулерді жүйелі түрде зерттеуді бастады – әсіресе, Архимед алғашқыда қызығушылық танытқан және Фермат пен Эйлер заманына дейін Батыста шешілмеген, дұрыс емес аталатын Пелл теңдеуін. Кейінірек санскрит авторлары Brahmagupta-ның техникалық терминологиясын пайдаланды. Пелл теңдеуін шешудің жалпы процедурасы (chakravala, немесе «циклдік әдіс») ақыры Jayadeva табылған (11-ғасырда айтылған; оның еңбегі басқаша жоғалып кеткен); ең ерте сақталған түсіндірме Bhāskara II-нің «Bīja gaṇita» еңбегінде (12-ғасыр) кездеседі. Үнді математикасы 18-ғасырдың соңына дейін Еуропада көпшілікке белгісіз болды; Brahmagupta мен Bhāskara-ның еңбектері 1817 жылы Генри Кольбрукпен ағылшын тіліне аударылды.
Исламның алтын дәуіріндегі арифметика
Тоғызыншы ғасырдың басында халифа Әл-Мамун көптеген грек математикалық еңбектерінің және кем дегенде бір санскрит еңбегінің (Синдхинд, бұл Брахмагуптаның Брахмасфутасиддхантасы болуы мүмкін немесе болмауы мүмкін) аудармаларын тапсырды. Диофанттың негізгі еңбегі "Арифметика" Куста ибн Лука (820–912) тарапынан араб тіліне аударылды. Әл-Караджидің (953 – шамамен 1029) "Әл-Фахри" трактатының бір бөлігі оған белгілі бір дәрежеде сүйенген. Рашид Рошдидің сөзіне сәйкес, Әл-Караджидің замандасы Ибн әл-Хайтам кейін Вильсон теоремасы деп аталатын нәрсені білген.
Орта ғасырлардағы Батыс Еуропа
Солтүстік Африка мен Константинопольді аралап, зерттеген Фибоначчидің арифметикалық прогрессиядағы квадраттар туралы еңбегінен басқа, Орта ғасырларда Батыс Еуропада айтарлықтай сандар теориясы дамытылмады. Еуропада жағдай Кейінгі Ренессанс кезеңінде грек ескілігінің еңбектерін қайта зерттеу арқасында өзгерді. Диофанттың "Арифметика" еңбегінің латын тіліне аударылып, мәтіні түзетілуі осы өзгерістің ықпалдастырғышы болды.
Эйлер
Леонард Эйлердің (1707–1783) сандар теориясына деген қызығушылығы 1729 жылы оның досы, әуесқой Голдбах, Ферманың осы тақырыптағы кейбір еңбектеріне бағытталған кезде туды. Бұл, Ферманың өзінің замандастарының назарын осы салаға аударудағы сәл жетіспеушілігінен кейін, қазіргі заманғы сандар теориясының «қайта жаралуы» деп аталды. Эйлердің сандар теориясы бойынша жұмыстары мыналарды қамтиды: Ферманың тұжырымдарының дәлелдемелері. Бұған Ферманың кіші теоремасы (Эйлермен жаңартылып, жай сан емес модульдерге дейін жалғастырылды); егер және тек егер ; әрбір бүтін санның төрт квадраттың қосындысы болатынын дәлелдеуге жасалған алғашқы қадамдар (толық дәлелдеме Жозеф Луи Лагранжға (1770) тиесілі, бірақ Эйлер оны одан әрі жетілдірді); теңдеуіне нөлдік емес бүтін сан шешімінің болмауы (Ферманың соңғы теоремасының n=4 жағдайы, ал n=3 жағдайы Эйлермен байланысты әдіспен дәлелденді). Пелл теңдеуі, алғаш рет Эйлер тарапынан дұрыс емес атау берілген. Ол үздіксіз бөлшектер мен Пелл теңдеуі арасындағы байланыс туралы жазды. Аналитикалық сандар теориясына жасалған алғашқы қадамдар. Төрт квадраттың қосындысы, бөлістер, бесбұрышты сандар және жай сандардың таралуы жөніндегі еңбектерінде Эйлер сандар теориясында талдау (әсіресе шексіз қатарлар) қолданылатын жаңа тәсілдерді дамытты. Ол күрделі талдаудың дамуына дейін өмір сүргендіктен, оның көптеген жұмыстары қуат қатарларын формалды түрде өңдеумен шектелген. Дегенмен, ол кейінірек Риманның зета-функциясы деп аталатын маңызды (бірақ толыққанды қатаң емес) алғашқы зерттеулер жасады. Квадраттық формалар. Ферманың жолын жалғастыра отырып, Эйлер түрінде қандай жай сандарды өрнектеуге болатындығы туралы сұрақтарды зерттеді, оның кейбір нәтижелері квадраттық өзара байланыстың алғашқы көрінісі болды. Диофантилік теңдеулер. Эйлер 0 және 1 туысы бар кейбір Диофантилік теңдеулерді зерттеді. Ол Диофанттың еңбектерін зерттеді, оларды жүйелеуге тырысты, бірақ осы мақсатқа жету үшін уақыт әлі жетілмеген еді – алгебралық геометрия әлі де даму кезеңінде болды. Ол Диофантилік проблемалар мен эллипстік интегралдар арасындағы байланысты байқады, оның зерттеуін өзі бастаған.
Proofs for Fermat's statements. This includes Fermat's little theorem (generalised by Euler to non prime moduli); the fact that if and only if ; initial work towards a proof that every integer is the sum of four squares (the first complete proof is by Joseph Louis Lagrange (1770), soon improved by Euler himself); the lack of non zero integer solutions to (implying the case n=4 of Fermat's last theorem, the case n=3 of which Euler also proved by a related method). Pell's equation, first misnamed by Euler. He wrote on the link between continued fractions and Pell's equation. First steps towards analytic number theory. In his work of sums of four squares, partitions, pentagonal numbers, and the distribution of prime numbers, Euler pioneered the use of what can be seen as analysis (in particular, infinite series) in number theory. Since he lived before the development of complex analysis, most of his work is restricted to the formal manipulation of power series. He did, however, do some very notable (though not fully rigorous) early work on what would later be called the Riemann zeta function. Quadratic forms. Following Fermat's lead, Euler did further research on the question of which primes can be expressed in the form , some of it prefiguring quadratic reciprocity. Diophantine equations. Euler worked on some Diophantine equations of genus 0 and 1. In particular, he studied Diophantus's work; he tried to systematise it, but the time was not yet ripe for such an endeavour—algebraic geometry was still in its infancy. He did notice there was a connection between Diophantine problems and elliptic integrals, whose study he had himself initiated.
Лагранж, Лежендр және Гаус
Жозеф Луи Лагранж (1736–1813) Ферма мен Эйлердің кейбір еңбектері мен байқауларына толық дәлелдерді алғаш рет берді, мысалы, төрт квадрат теоремасы және дұрыс емес аталатын "Пелл теңдеуінің" негізгі теориясы (оның алгоритмдік шешімін Ферма мен оның замандастары, сондай-ақ, олардан бұрын Жаядева мен Бхаскара II тапқан болатын). Ол квадраттық формаларды толыққанды түрде зерттеді (олардың эквиваленттілік қатынасын анықтап, оларды қысқартылған түріне келтіру тәсілін көрсетті және т.б.). Адриен Мари Лежандр (1752–1833) алғаш рет квадраттық өзара тәуелділік заңы туралы айтты. Ол сондай-ақ жай сандар теоремасы және Дирихледің арифметикалық прогрессиялар туралы теоремасына жуық болжамдар жасады. Ол теңдеуді толыққанды зерттеп, Гаусс кейінірек толықтырған квадраттық формалар бойынша жұмыс істеді. Өмірінің соңында ол Ферманың соңғы теоремасын алғаш рет дәлелдеді (Питер Густав Лежен Дирихленің жұмысын аяқтап, оған және Софи Жерменге де еңбектері үшін құрмет көрсетті). Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) өзінің "Disquisitiones Arithmeticae" (1798) еңбегінде квадраттық өзара тәуелділік заңын дәлелдеп, квадраттық формалар теориясын (әсіресе, олардың композициясын анықтап) дамытты. Ол сондай-ақ негізгі белгілерді (конгруенцияларды) енгізіп, есептеу мәселелеріне, оның ішінде жайлылықты тексеруге бөлім арнады. "Disquisitiones" еңбегінің соңғы бөлімі біртұтас түбірлер мен сан теориясы арасындағы байланысты орнатты:
Шеңберді бөлу теориясы, 7-тарауда қарастырылған, өзіндік арифметикаға жатпайды, бірақ оның принциптерін жоғары арифметикадан ғана алуға болады. Осылайша, Гаусс Эварист Галуаның еңбегі мен алгебралық сан теориясына алғашқы қадам жасады.
The theory of the division of the circle which is treated in sec. 7 does not belong by itself to arithmetic, but its principles can only be drawn from higher arithmetic. In this way, Gauss arguably made a first foray towards both Évariste Galois's work and algebraic number theory.
Элементар сандар теориясы
Элементарлық термині көбінесе күрделі талдау қолданбайтын әдіспен сипатталады. Мысалы, жай сандар теоремасы алғаш рет 1896 жылы күрделі талдау арқылы дәлелденген, бірақ 1949 жылы ғана Эрдос пен Селберг элементарлық дәлелін тапты. Бұл терминнің мағынасы толыққанды айқын емес: мысалы, күрделі Таубер теоремаларына (Винер-Икехара сияқты) негізделген дәлелдер көбінесе түсінікті болғанымен, Фурье талдауын қолданғанына қарамастан, элементарлық деп есептелмейді, себебі олар күрделі талдауды емес, басқа тәсілдерді пайдаланады. Мұндай жағдайда да, басқа жерде де элементарлық дәлелдеме көптеген оқырмандар үшін элементарлық емес дәлелдемеге қарағанда ұзақ және қиын болуы мүмкін. Сандар теориясы көптеген нәтижелерін қарапайым адамға түсінікті етіп жеткізе алатын сала ретінде белгілі. Алайда, осы нәтижелердің дәлелдемелері осы сала қолданатын құралдардың кең ауқымына байланысты, оқуға аса қолайлы емес.
Басқа қосалқы салалар
Төмендегі салалар, ескі материалдарға негізделген болса да, жиырмасыншы ғасырдың ортасынан бұрын пайда болған жоқ. Мысалы, төменде түсіндірілгендей, сандар теориясындағы алгоритмдер мәселесі өте көне, белгілі бір мағынада дәлелдеу ұғымынан да бұрынғы; алайда, есептеу мүмкіндіктерін зерттеу 1930 және 1940 жылдарда ғана басталды, ал есептеу күрделілігі теориясы 1970 жылдардан бастап дамыды.
Ықтималдық сандар теориясы
Ықтималдық сандар теориясының көп бөлігі, бір-біріне толыққанды тәуелсіз емес, бірақ дерлік тәуелсіз айнымалыларды зерттеудің маңызды арнайы жағдайы ретінде қарастырылуы мүмкін. Мысалы, бір мен миллион арасындағы кездейсоқ бүтін санның екіге бөлінетін болуы және оның үшке бөлінетін болуы дерлік тәуелсіз, бірақ толыққанды емес. Кейде ықтималдық комбинаторика, қандай да бір оқиғаның белгілі бір ықтималдықпен орын алуы, оның кейде орын алуын қамтамасыз етеді деп айтылады; сол сияқты, ықтималдық сандар теориясының көптеген қолданыстары, кез келген ерекше жағдайдың сирек болуына байланысты деген тұжырым да айтуға болады. Егер нақты алгебралық объектілер (мысалы, белгілі бір теңдеулердің рационалды немесе бүтін сандық шешімдері) дұрыс анықталған белгілі бір таралымдардың соңғы бөлігінде орналасқандығы көрсетілсе, онда олардың саны аз болуы керек; бұл ықтималдық тұрғысынан туындайтын өте нақты, ықтимал емес тұжырым. Кейде, қатаң емес, ықтималдық тәсіл көптеген эвристикалық алгоритмдерге және ашық мәселелерге, әсіресе Крамердің болжамына алып келеді.
Есептеулік сандар теориясы
Алгоритм сөзі әл-Хуаризмидің кейбір оқырмандарына ғана тән болса да, шешім әдістерінің мұқият сипатталуы дәлелдеулерден бұрын пайда болған: мұндай әдістер (яғни алгоритмдер) ежелгі египеттік, вавилондық, ведалық, қытайлық математика сияқты танымал математиканың өзімен бірдей көне. Ал дәлелдеулер классикалық кезеңдегі гректерде ғана пайда болды. Алғашқы мысал – Евклид алгоритмі. Оның негізгі түрі (яғни, ең үлкен ортақ бөлгішті есептеу алгоритмі ретінде) «Элементтер» кітабының VII бөліміндегі 2-теорема ретінде, дұрыстығы дәлелденген күйінде келтірілген. Дегенмен, сандар теориясында жиі қолданылатын түрінде (яғни, теңдеудің бүтін сандық шешімдерін табу алгоритмі ретінде немесе, қытайлық қалдық теоремасымен қамтамасыз етілген сандарды табу үшін) ол алғаш рет Арябхатаның (5-6 ғасырлар) еңбектерінде «куттака» («ұнтақтағыш») деп аталатын алгоритм түрінде, дұрыстығы дәлелденбестен келтірілген. Екі негізгі сұрақ туындайды: «Бұл есептелуге бола ма?» және «Бұл жылдам есептелуге бола ма?» Кез келген адам санды жай екенін тексеруге болады немесе, егер жай болмаса, оны жай көбейткіштерге жіктеуге болады, бірақ мұны жылдам жасау басқа мәселе. Біз қазір жай санды тексерудің жылдам алгоритмдерін білеміз, бірақ көптеген теориялық және практикалық жұмыстарға қарамастан, санды жіктеудің шынымен жылдам алгоритмі табылмады. Есептеудің қиындығы пайдалы болуы мүмкін: хабарламаларды шифрлаудың қазіргі заманғы протоколдары (мысалы, RSA) барлығына белгілі, бірақ керісінше тек таңдалған адамдарға ғана белгілі функцияларға негізделген, және оларды өздігінен анықтау үшін тым көп уақыт қажет. Мысалы, мұндай функциялардың керісін есептеу үшін белгілі бір үлкен бүтін сандарды жіктеу қажет болуы мүмкін. Сандар теориясынан тыс көптеген қиын есептеу проблемалары белгілі болғанымен, қазіргі уақытта қолданылып жүрген шифрлау протоколдарының көпшілігі сандар теориясының бірнеше қиындықтарына негізделген. Кейбір нәрселер мүлдем есептелуі мүмкін емес; шындығында, мұны кейбір жағдайларда дәлелдеуге болады. Мысалы, 1970 жылы Хилберттің оныншы мәселесін шешу барысында, барлық диофант теңдеулерін шеше алатын Тьюринг машинасының жоқ екені дәлелденді. Атап айтқанда, бұл аксиомалардың есептеуге болатын жиынтығын ескере отырып, аксиомалардан бастап, теңдеулер жиынтығының бүтін сандық шешімдері бар немесе жоқ екендігіне дәлел жоқ диофант теңдеулерінің бар екенін білдіреді. (Біз міндетті түрде бүтін сандық шешімдері жоқ диофант теңдеулері туралы айтамыз, өйткені кем дегенде бір шешімі бар диофант теңдеуді бергенде, шешімнің өзі шешімнің бар екендігіне дәлел болады. Біз белгілі бір диофант теңдеудің осы түрдегі екенін дәлелдей алмаймыз, өйткені бұл оның шешімі жоқ екенін білдіреді.)
Сыйлықтар
Американдық математикалық қоғам сандар теориясы саласындағы Коул сыйлығын тағайындайды. Бұған қоса, сандар теориясы – Ферма сыйлығымен марапатталатын үш математикалық тармақтың бірі.