An Invitation to the Mathematics of Fermat-Wiles

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出版者:Academic Press
作者:Hellegouarch, Yves
出品人:
页数:400
译者:
出版时间:2001-10
价格:$ 90.34
装帧:HRD
isbn号码:9780123392510
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
  • Fermat-Wiles
  • 计算机科学
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具体描述

Assuming only modest knowledge of undergraduate level math, "Invitation to the Mathematics of Fermat-Wiles" presents diverse concepts required to comprehend Wiles' extraordinary proof. Furthermore, it places these concepts in their historical context. This book can be used in introduction to mathematics theories courses and in special topics courses on Fermat's last theorem. It contains themes suitable for development by students as an introduction to personal research as well as numerous exercises and problems. However, the book will also appeal to the inquiring and mathematically informed reader intrigued by the unraveling of this fascinating puzzle. It rigorously presents the concepts required to understand Wiles' proof, assuming only modest undergraduate level math. It sets the math in its historical context. It contains several themes that could be further developed by student research and numerous exercises and problems. It is written by Yves Hellegouarch, who himself made an important contribution to the proof of Fermat's last theorem.

An Invitation to the Mathematics of Fermat-Wiles 深入探索一个世纪以来数学的巅峰之作 本书旨在为对数学前沿领域怀有浓厚兴趣的读者,提供一次深入且引人入胜的旅程,探索支撑费马-怀尔斯(Fermat-Wiles)伟大证明的深层数学结构。我们不直接复述最终的证明细节,而是聚焦于构成这一里程碑式成就的基石——那些独立发展并最终汇聚成一篇宏伟叙事的数学分支和思想。 本书的结构围绕着椭圆曲线、模形式以及伽罗瓦表示这三大核心支柱展开。我们将从历史的视角出发,梳理这些看似不相关的概念是如何在二十世纪末被证明拥有深刻的内在联系的。 第一部分:椭圆曲线的几何与代数 椭圆曲线,从几何上看,是一类特殊的平面代数曲线,其方程形式为 $y^2 = x^3 + ax + b$。然而,其真正的魔力在于其代数结构。 1. 有理点群的结构: 我们将详细探讨椭圆曲线上有理点构成的阿贝尔群结构。这一结构不仅丰富了数论,更直接导向了著名的莫德尔-韦伊定理。我们将通过具体的例子和直观的几何解释,展示如何理解群的生成元及其有限生成性。对群结构的深刻理解是后续将代数问题转化为几何问题或表示论问题的关键。 2. 局部性质与Hasse-Weil L-函数: 椭圆曲线的“局部”行为,即其在有限域上的点计数,是连接几何与分析的关键桥梁。我们将介绍Hasse的界限,并解释如何构造与每条椭圆曲线相关联的L-函数。这个L-函数是分析工具,其性质(如函数方程)预示着更深层次的对称性。我们关注的重点是这些L-函数如何编码了曲线的代数信息。 3. 亏格为1的代数曲线: 在更广阔的代数几何框架下,我们将把椭圆曲线视为亏格为1的曲线。这种视角将帮助读者理解它们在分类和性质上的独特性,并为理解更复杂的代数簇做铺垫。 第二部分:模形式的对称之美 模形式是复分析和数论交汇处产生的极其对称的函数。它们是本主题中“分析”方面的代表。 1. 模群与模空间: 我们将从模群 $mathrm{SL}_2(mathbb{Z})$ 的作用开始,介绍模形式的定义——那些在模群作用下以特定方式变换的全纯函数。我们将探索这些函数在上半复平面上的周期性和变换性质。模空间 $mathcal{H}/mathrm{SL}_2(mathbb{Z})$ 的紧化结构是理解模形式构造的几何基础。 2. 代数结构与傅里叶展开: 模形式的一个核心特征是其傅里叶展开(或称为 $q$-展开),其系数编码了丰富的数论信息。我们将重点分析爱森斯坦级数和尖点形式,并探讨它们系数的乘性性质。这些系数,特别是与素数相关的系数,将是连接到椭圆曲线的关键线索。 3. 隆瑟维茨定理与新形式: 模形式的理论发展产生了诸多强大的工具,其中隆瑟维茨理论(Hecke theory)是构造和分析模形式的代数框架。我们将介绍隆瑟维茨算子如何作用于模空间,以及如何通过它们来生成新的模形式,以及这些新形式的L-函数具有函数方程。 第三部分:伽罗瓦表示——桥梁的构建 伽罗瓦理论是描述域扩张对称性的基础,而伽罗瓦表示则是将这种代数对称性提升到线性代数和表示论层面的工具。 1. 绝对伽罗瓦群: 我们将引入有理数域 $mathbb{Q}$ 上的绝对伽罗瓦群 $G_{mathbb{Q}}$,这是所有代数数论问题的终极对称群。理解其作用于根式的扩张是至关重要的。 2. 椭圆曲线上的伽罗瓦表示: 关键的洞察在于,我们可以从椭圆曲线的Torsion Points(挠点)构造出忠实的伽罗瓦表示。具体来说,对于任意素数 $p$,曲线上的 $p$-挠点构成的群提供了一个 $ ho_p: G_{mathbb{Q}} o mathrm{GL}_2(mathbb{F}_p)$ 的表示。我们将分析这个表示的迹和行列式,这些量直接关联到曲线在局部域上的点计数。 3. 隆瑟维茨猜想的代数表述: 模形式理论同样催生了与之对应的伽罗瓦表示。对于一个模形式 $f$,存在一个与之关联的表示 $ ho_f: G_{mathbb{Q}} o mathrm{GL}_2(mathbb{C})$。隆瑟维茨猜想的核心,就是声称对于每条椭圆曲线 $E$,都存在一个模形式 $f$,使得其伽罗瓦表示 $ ho_E$ 与 $ ho_f$ 是“兼容的”(即它们在素数 $p$ 上的局部因子数一致)。 第四部分:Taniyama-Shimura-Weil 猜想的深远影响 本书的焦点最终汇聚在Taniyama-Shimura-Weil(TSW)猜想上,这个猜想是连接前述所有结构的终极陈述。 1. 猜想的核心内容: TSW猜想断言:每一个定义在 $mathbb{Q}$ 上的椭圆曲线 $E$ 都与某个模形式 $f$ 相关联。 这种关联通过它们的L-函数相等性来实现:$L(E, s) = L(f, s)$。 2. 费马方程的转化: 我们将展示,如何利用 Frey 构造(或 Frey-Hellegouarch 曲线)将费马的方程 $a^p + b^p = c^p$ 转化为一个“异常的”椭圆曲线 $E_{a,b,c}$。 3. 证明的逻辑闭环: 证明费马大定理的关键步骤,正是利用 Ribet 的 $epsilon$-猜想(现已证明),表明如果费马方程有一个非平凡解,那么它会产生一个极其“怪异”的椭圆曲线 $E_{a,b,c}$。这个曲线的伽罗瓦表示 $ ho_{E}$ 具有一种不可能的局部性质。然而,如果 TSW 猜像是真的,那么所有椭圆曲线都必须是模的,意味着 $ ho_E$ 必须是模的伽罗瓦表示 $ ho_f$。Ribet 的工作(将 Frey 曲线的模性等同于 $epsilon$-猜想)和后来的 Wiles 的工作(证明了足够多的椭圆曲线是模的,尤其是那些与费马曲线相关的曲线类型),共同完成了费马-怀尔斯证明的逻辑链条。 本书旨在让读者掌握理解这场数学革命所必需的语言和工具,领略跨越代数几何、复分析与表示论的宏伟交响乐。它提供了一条通往理解这一非凡成就所依赖的深层数学结构的清晰路径。

作者简介

Yves Hellegouarch studied at the École Normale Supérieure in Paris. He has been teaching at the University of Caen since 1970. In 1972 he wrote a thesis, "Elliptic Curves and Fermat's Equation."

目录信息

1 Paths
1.1 Diophantus and his Arithmetica
1.2 Translations of Diophantus
1.3 Fermat
1.4 Infinite Descent
1.5 Fermat’s “Theorem” in Degree 4
1.6 The Theorem of Two Squares
1.6.1 A Modern Proof
1.6.2 “Fermat-Style” Proof of the Crucial Theorem
1.6.3 Representations as Sums of Two Squares
1.7 Euler-Style Proof of Fermat’s Last Theorem for n=3
1.8 Kummer, 1847
1.8.1 The Ring of Integers of Q(ξ)
1.8.2 A Lemma of Kummer on the Units of Z[ξ]
1.8.3 The Ideals of Z[ξ]
1.8.4 Kummer’s Proof (1847)
1.8.5 Regular Primes
1.9 The Current Approach
Exercises and Problems
2 Elliptic Functions
2.1 Elliptic Integrals
2.2 The Discovery of Elliptic Functions in 1718
2.3 Euler’s Contribution (1753)
2.4 Elliptic Functions: Structure Theorems
2.5 Weierstrass-Style Elliptic Functions
2.6 Eisenstein Series
2.7 The Weierstrass Cubic
2.8 Abel’s Theorem
2.9 Loxodromic Functions
2.10 The Function ρ
2.11 Computation of the Discriminant
2.12 Relation to Elliptic Functions
Exercises and Problems
3 Numbers and groups
3.1 Absolute Values on Q
3.2 Completion of a Fequipped with an Absolute Value
3.3 The Field of p-adic Numbers
3.4 Algebraic Closure of a Field
3.5 Generalities on the Linear Representations of Groups
3.6 Galois Extensions
3.6.1 The Galois Correspondence
3.6.2 Questions of Dimension
3.6.3 Stability
3.6.4 Conclusions
3.7 Resolution of Algebraic Equations
3.7.1 Some General Principles
3.7.2 Resolution of the Equation of Degree Three
Exercises and Problems
4 Elliptic Curves
4.1 Cubics and Elliptic Curves
4.2 B´ezout’s Theorem
4.3 Nine-Point Theorem
4.4 Group Laws on an Elliptic Curve
4.5 Reduction Modulo p
4.6 N-Division Points of an Elliptic Curve
4.6.1 2-Division Points
4.6.2 3-Division Points
4.6.3 n-Division Points of an Elliptic Curve Defined Over Q
4.7 A Most Interesting Galois Representation
4.8 Ring of Endomorphisms of an Elliptic Curve
4.9 Elliptic Curves Over a Finite Field
4.10 Torsion on an Elliptic Curve Defined Over Q
4.11 Mordell–Weil Theorem
4.12 Back to the Definition of Elliptic Curves
4.13 Formulae
4.14 Minimal Weierstrass Equations (Over Z)
4.15 Hasse–Weil L-Functions
4.15.1 Riemann Zeta Function
4.15.2 Artin Zeta Function
4.15.3 Hasse–Weil L-Function
Exercises and Problems
5 Modular Forms
5.1 Brief Historical Overview
5.2 The Theta Functions
5.3 Modular Forms for the Modular Group SL2(Z)/{I,−I}
5.3.1 Modular Properties of the Eisenstein Series
5.3.2 The Modular Group
5.3.3 Definition of Modular Forms and Functions
5.4 The Space of Modular Forms of Weight k for SL2(Z)
5.5 The Fifth Operation of Arithmetic
5.6 The Petersson Hermitian Product
5.7 Hecke Forms
5.7.1 Hecke Operators for SL2(Z)
5.8 Hecke’s Theory
5.8.1 The Mellin Transform
5.8.2 Functional Equations for the Functions L(f,s)
5.9 Wiles’ Theorem
Exercises and Problems
6 New Paradigms, New Enigmas
6.1 A Second Definition of the Ring Zp of p-adic Integers
6.2 The Tate Module Tl(E)
6.3 A Marvellous Result
6.4 Tate Loxodromic Functions
6.5 Curves EA,B,C
6.5.1 Reduction of Certain Curves EA,B,C
6.5.2 Property of the Field Kp Associated to Eap,bp,cp
6.5.3 Summary of the Properties of Eap,bp,cp
6.6 The Serre Conjectures
6.7 Mazur–Ribet’s Theorem
6.7.1 Mazur–Ribet’s Theorem
6.7.2 Other Applications
6.8 Szpiro’s Conjecture and the abc Conjecture
6.8.1 Szpiro’s Conjecture
6.8.2 abc Conjecture
6.8.3 Consequences
Exercises and Problems
Appendix: The Origin of the Elliptic Approach to Fermat’s Last Theorem
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书的篇幅看似浩瀚,但其内容的组织结构却展现出惊人的逻辑性和连贯性。章节之间的过渡处理得极其自然,仿佛一气呵成,使得整个阅读体验如同跟随一条规划完善的河流前行,不会在岔路口迷失方向。我注意到作者在每章末尾都设置了“思考题与延伸阅读”板块,这些设计绝非可有可无的填充物,它们巧妙地将本章知识点与后续内容进行了钩连,同时也鼓励读者进行批判性思考,而不是被动接受。这种精心的结构安排,充分体现了作者对教学法深刻的理解,这本书不仅仅是知识的罗列,更是一套完整的学习方法论的体现,引导读者如何高效地吸收和内化复杂的数学体系。

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这本书的价值远远超出了其作为一本纯粹的数学参考书的定位。它散发出来的那种对数学美学的敬畏之情,是通过字里行间渗透出来的。作者对证明过程的优雅性的追求,以及对数学思想如何影响人类认知的探讨,让人在解题之余,还能感受到一种深层次的哲学思辨。它成功地将枯燥的演算过程,转化成了一场智力上的探险之旅,激发了读者内心深处对真理和完美的渴望。读完一部分,我常常需要停下来,不是因为不懂,而是被那种纯粹的数学之美所震撼,它让人重新审视自己与逻辑和抽象世界的联系。

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与其他同类书籍相比,这本书在符号使用的规范性上达到了一个近乎苛刻的水平。每一个变量的定义、每一个操作符的含义,都被反复强调和精确界定,这在处理涉及多领域交叉的复杂数学证明时,显得尤为重要。我发现自己在阅读过程中,几乎不需要停下来猜测作者的意图,信息传递的效率非常高。这种严谨性对于追求精确性的读者来说,是无可替代的优势。此外,书中对一些历史上的数学争论和不同流派的观点也进行了中立且深入的探讨,使得读者不仅学到了“是什么”,更理解了“为什么会是这样”,这种多维度的视角极大地丰富了对数学的理解层次。

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这本书的封面设计和排版简直是一场视觉盛宴,让人忍不住想立刻翻开它。纸张的质感厚实而富有弹性,墨水的印刷清晰锐利,即便是最复杂的公式也能看得一清二楚,这对于需要长时间研读数学著作的读者来说,无疑是一个巨大的加分项。装帧工艺看起来极其考究,书脊的缝合紧密,预示着它能够承受反复翻阅的考验。从第一印象来看,出版方显然投入了大量的精力和资源来确保这本书的物理品质达到顶级水准,这本身就传递出一种信息:这本书的内容值得被如此郑重地对待和珍藏。特别是那深沉的蓝色调,带着一种古典的、知识的重量感,让人在捧读时自然而然地就进入了一种严肃的学习状态,仿佛手中捧着的不是一本普通的教材,而是一份跨越时空的数学宣言。

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我花了大量时间去研究这本书的引言部分,它的叙事口吻非常独特,既有对数学历史宏大背景的勾勒,又不失对具体概念引入时的细腻铺陈。作者似乎非常擅长于将抽象的数学思想“人格化”,用一种近乎讲故事的方式,引导读者逐步理解那些高深莫测的定理。我特别欣赏它在概念构建上的渐进性,它没有直接跳到最难的部分,而是耐心地搭建起必要的桥梁,确保即便是背景稍弱的读者也能跟上节奏。这种“慢工出细活”的教学方法,极大地降低了初学者的畏难情绪,让人感觉数学的殿堂并非高不可攀,而是需要耐心探索的迷宫。那种循序渐进、抽丝剥茧的论证过程,读起来非常过瘾,每一次小小的理解突破都带来极大的满足感。

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