數學的主題是數和形,它們是最基礎、最久遠的數學概念。克羅內克說過:“上帝創造了自然數,其它都是人的作品”,所以我們選擇從數開始說起。數論(Number Theory)專門研究自然數(或整數),這個看似無意義的智力游戲,其實不光是數學家們的思維樂園,它更是孕育新思想、新方法的肥沃土壤。即使我們已經有了耀眼的成就,卻好像還不曾見過她的真面目,在其簡單的外表下,總有不為人知的深邃。高斯曾經說過:“數學是科學的皇后,而數論則是數學的皇后”,不管你覺得數論“有用”與否,她至高無上的威嚴是無法撼動的。
數論最開始的稱號就是我們所熟悉的算術,在古希臘時期就有了初步的發展。歐幾里得的《幾何原本》中就有了一些經典的結論,比如素數有無窮多個,還有大家熟悉的輾轉相除法。包括同時期的素數篩選法,對后來的數論研究都很有啟發性。古希臘末期的丟潘圖唯獨偏愛不定方程,所著的《算術》對數進行了超乎想象的討論。也正是這本書,為今后的數論埋下了神奇的種子。當歐洲文明在中世紀進入漫長的沉寂時,中國數學界卻異常地活躍,主要的數學著作中有很多是數論相關的。只可惜中國人不善於將方法轉化成理論,從而也就止於各種方法技巧,並未得到比較深刻的理論體系。
文藝復興時期,數論迎來了它短暫的萌芽。百無聊賴的律師費馬,將他的所有業余時間都花在了科學上(主要是數學),而丟潘圖的《算術》更是讓他深深地陷入了數論的泥潭。僅靠他在書頁空白處的筆記,就已經得出了豐富而深刻的結論以及各種奇妙的方法,著名的費馬猜想更是足足困擾了后人三百多年。十七、十八世紀是分析學的天下,所有學科都在微積分陰影的籠罩之下。然而全能王歐拉憑借其超人的才華,得到了更多數論方面的深刻結論,並開始挖向了解析數論的寶藏。
Fermat(1601 - 1665) Euler(1707 - 1783) Gauss(1777 - 1855)
至此,數論已經有了非常豐富的結論,但缺乏一個完整的理論體系,這也限制了它進一步的發展。高斯的《算術研究》集前人的成就於一體,提出了同余理論並擴展了整數的概念,為代數數論提供了理論儲備。尤其是得到了被稱為“數論之酵母”的二次互反律,一下子將數論帶進了嶄新的鄰域。《算術研究》標志着數論作為一個學科的建立,並直接將其帶入了現代意義的數論。
接下來,沿着解析數論和代數數論兩個不同的方向,數論在現代數學的道路上飛奔。當與近代最尖端的代數幾何相結合時,數論步入了其最深刻的階段,這就是當今的“算術代數幾何”(注意!這是一門學科)。同時,數論還擺脫了以往純數學的帽子,延伸出了多個應用分支,包括編碼學、計算數論、組合數論等,這門古老的學科終於開始服務大眾了。
也許沒有一個學科像數論這樣,在理論數學、應用數學甚至娛樂數學中都扮演者重要的角色。令人欣慰的是,只要有小學數學的知識,我們就可以開始這段旅程。前方的路坎坷而漫長,也許我們進不了那最終的聖殿,但如果能欣賞到了路邊的風景,其實也就足夠了。當然還是要冷靜地提醒你,這里只是初等數論,僅僅包含了整除、同余、不定方程等最基礎的數論概念。在學會奔跑之前,先要學會爬行,那就讓我們從這里開始匍匐前進……
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【前序學科】 實數系統
【參考資料】
[1] 《初等數論》(3rd),潘承洞,2013
國內最好、使用最廣泛的初等數論教材,注重思想和理論體系的建立。結構清晰合理,表述嚴格精准。大量的習題不僅能鞏固知識,還具有啟發性和挑戰性,可以看作是教材的延伸部分。
[2] 《數論導引》,華羅庚,1957
不得不說是國內的一部經典教材,它深刻而廣泛地介紹了當時數論的各個分支。語言簡練,結構清晰,但內容卻極其豐富。因為年代久遠,專業名詞還未統一,所以讀起來會稍微不暢。
[3] 《初等數論》(3rd),閔嗣鶴,2003
表述簡潔卻不失精准,內容組織合理精巧,難度恰當,非常適合初學者。如果你只是想了解初等數論的基本思想,但又不要過於膚淺,可以從這本書看起。
[4] 《初等數論》,於秀源,2002
不錯的入門書籍,內容平實,但例題比較新奇,難度不大卻較有趣。
[5] 《初等數論(I,II,III)》,陳景潤,2012
內容非常初等,適合只有初中基礎的人學習。而且有很多趣味數學的內容,整體感覺是套科普書。
[6] 《初等數論及其應用》,閻滿富,1999
比較普通,不是很看重理論的建立,有點奧數的傾向。內容淺顯,中學生搞奧數的可看看。
[7] 《初等數論難題集(I)》,劉培傑,2009
初等數論的奧數習題集,題量巨大,難度不低,作者欲出3卷,還未出完。數論習題不僅對奧數和數論本身有利,更是整個數學思維不可或缺的一部分。我暫時還沒有時間做,先收藏並推薦!
[8] 《初等數論100例》,柯召,2011
一本習題集小冊子,可作練習用。大部分問題只用到整除和同余的概念,搞奧數的可以做一做。
[9] 《數論妙趣--數學女王的盛情款待》,H.貝勒,2000
收集了歷史上大量初等數論的趣味故事和問題,以及對問題的各種解法,其中也夾雜一些初等數論的重要結論。作者參考了大量的著作,可作為趣味數論的參考資料,也可以用作數論算法的參考書。
[10] 《談談素數》,王元,1978
關於素數的一個科普小冊子,前半部分較初等,入門可讀,后半部分屬高級內容,讀來消遣也不錯。
[11] 《A Introduction to The Theory of Numbers》(6th),G.H.Hardy,2008
經典巨著,涵蓋了數論的大部分重要內容和結論。內容緊湊,材料豐富,既有基礎定義和結論,也有大量的擴展材料。
[12] 《A Friendly Introduction to Number Theory》(3rd),J.H.Silverman,2005
非常棒的入門書籍,寫作方法清新流暢,可讀性強。集科普與入門於一體,為非專業人士而寫,工科生可以先從這一本看起。
[13] 《Elementary Number Theory》(7th),D.M.Burton,2010
[14] 《Elementary Number Theory》(2nd),U.Dudley,2008
[15] 《Elementary Number Theory with Applications》(2nd),T.Koshy,2007
[16] 《Elementary Number Theory and Its Applications》(6th),K.H.Rosen,2010
幾本不錯的英文版入門書,內容比較基礎但很豐富,偏應用。