03-2希尔伯特和他的23个问题

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三、“希尔伯特问题”解决的现状
经过整整一个世纪,希尔伯特的23个问题中,
将近一半已经解决或基本解决。有些问题虽未解决, 但也取得了重要进展。 能够解决一个或基本解决一个希尔伯特问题的 数学家,就自然地被公认为世界一流水平的数学家, 由此也可见希尔伯特问题的特殊地位。
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希尔伯特问题的研究与解决,大大推动了许
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思考题
如果只要求找出次品乒乓球,并不要
求判断次品是过重还是过轻,那么三次使
用不带砝码的天平,最多可以从多少个
乒乓球中找出唯一的次品?
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趣题——找次品:
1)有5个外形相同的乒乓球,其中只有 1个重量不标准的次品乒乓球。 现再给你一个标准球;请用一架不带 砝码的天平,最多两次使用该天平,找 出上述次品乒乓球。
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4.对康托集合论的支持
康托的集合论打出实无限的旗帜,遭到另一些持潜 无限观点的数学家的反对,包括他的老师克罗涅克尔的 反对。克罗涅克尔个性专横、语言刻薄,利用他的威望 和权势压制康托,所以康托当年的地位和待遇都不好。
而希尔伯特则客观、公正地评价康托的学术成就,并给
予支持,这表现了希尔伯特的学术公正和为人正直。
乒乓球中找出唯一的次品?
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趣题——填骨牌:
用10个 1×2 矩形骨牌挤满 2×10 矩形盒, 有多少种方法?如下图。
只是他的数学成就,也包括他优秀的
人品。
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1.第一次世界大战时拒绝在“宣言” 上签字
在第一次世界大战爆发时,德国政府 让它的一批最著名的科学家和艺术家出来 发表一个“宣言”,声明他们拥护德国皇帝 威廉二世。“宣言”的第一句是:“说德国 人发动了战争,这不是事实”。
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“宣言”的题目是《告文明世界》,邀 请了一批知名人士签字。当局认为,知名 人士中的数学家,大半只是为他们的同行 所了解而不为外界熟知,因而数学家中只邀请了世 界声望最高的 希尔伯特和克莱因两人签 名。前边提到过的发表埃尔朗根纲领、用 不变量观点统一几何学的那位数学家克莱 因,未有什么怀疑就签了名。但希尔伯特 仔细阅读后,却表示他不能判断“宣言”内 容的真实性,从而拒绝签字。
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果尔 丹 本人 后 来解 决 了二 元 、三 元 二
次型的这一问题,用的是“构造性证明”。
后人继续用这一思路,德、英、法、意许
多数学家,经过20年的努力,也未最终解 决果尔丹问题。而希尔伯特另辟奚经,出 奇制胜,统一地对任意元的给定的型,证 明 了 果 尔 丹 定 理 。 当 时 希 尔 伯 特 还 是 讲 师,学术权威们认为,没有构造的存在性 证明不算是数学上的存在性证明。
大价值的“好的问题” 。
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3. “好的问题”的标准
尽管有困难,人们仍希望给出“好的
问题”的一般标准。希尔伯特在他的演讲
中就提出了这样的标准。我们把它归纳叙
述如下:
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1)清晰易懂
即,问题本身应很容易解释清楚,让别人听懂。希尔伯
特说:“一个清晰易懂的问题会引起人们的兴趣,而复杂 的问题使人们望而生畏。”
闵可夫斯基
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赫尔维茨
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3.对女数学家爱米•诺特的支持
当时的德国,对女科学家和资历较浅的学 者是有一定歧视的。现在公认的著名女数学家 爱米.诺特,1916年从埃尔朗根来到哥廷根,
就遇到这样的歧视。但希尔伯特和克莱因很重
视她,要为诺特争取一个讲师的职位,却遭到 大学评议会的反对。希尔伯特在会上说:“我 无法想象候选人的性别,竞成了反对她升任讲 师的理由。”
4.直线作为两点间最短距离的问题。
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5.李(S.Lie)的连续变换群概念,但不要 定义群的函数的可微性假设。 6.物理学的公理化。 7.某些数的无理性和超越性。 8.素数问题。 9.在任意数域中证明最一般的互反定律。 10.丢番图方程的可解性。 11.系数为任意代数数的二次型。
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12.阿贝尔域上的克罗内克定理在任意代 数有理域上的推广。
的 巴 黎 科 学 院 开 除 了 克 莱 因 , 希 尔 伯 特 则
更加受到尊重。
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2.为法国数学家达布写悼念文章
“达布上和”、“达布下和”,在定积分 理 论 中 为 大 家 所 熟 知 。 达 布 是 法 国 人 , 而
当 时 法 国 是 与 德 国 交 战 的 敌 国。 所 以 1917
年 达 布 逝 世 时 , 德 国 人 不 敢 悼 念 他 。 而 希 尔 伯 特 对 达 布 非 常 敬 佩 , 他 写 了 一 篇 悼 念 文章。
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趣题——找次品:
2)有12个外形相同的乒乓球,其中只有
1个重量不标准的次品乒乓球。请用一架不带 砝码的天平,最多三次使用该天平,找出上述
次品乒乓球,并判断它是重于标准球,还是轻
于标准球。
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思考题
如果只要求找出次品乒乓球,并不要
求判断次品是过重还是过轻,那么三次使
用不带砝码的天平,最多可以从多少个
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当然,希尔伯特当年也不是尽善尽美 的。一些评论者认为,其局限性是,希尔 伯特问题未包括拓扑学和微分几何,而这 两者在20世纪也成了数学的前沿和热点, 这是希尔伯特没有预见到的。此外,希尔 伯特问题除数学物理外,很少涉及应用数 学。
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四.希尔伯特的人品
希尔伯特不仅是一位伟大的数学家,
而且有很高尚的品德,令人尊敬的不
多数学分支的发展,这些分支包括:数理逻辑、
几何基础、李群、数学物理、概率论、数论、函
数论、代数几何、常微分方程、偏微分方程、黎
曼曲面论、变分法等。第二问题和第十问题的研
究,还促进了现代计算机理论的成长。
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重要的“问题”,历来是推动科学前

的杠杆。但一位科学家,如此自觉、如此 集中地提出如此一整批问题,并且如此持
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康托(Contor,Georg)(1845-1918), 俄罗斯—德国数学家、19世纪数 学伟大成就之一——集合论的创 立人。康托自幼对数学有浓厚兴
趣。23岁获博士学位,以后一直
从事数学教学与研究。他所创立 的集合论已被公认为全部数学的
基础。
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5.攻克果尔丹问题中的表现
果尔丹问题是关于二次型不变量的一个问 题 。 果 尔 丹 解 决 了 二 次 型 的 有 限 完 备 不 变 量 系 , 下 一 个 问 题 是 : 对 于 给 定 的 二 次 型 , 是 否 存 在 一 组 有 限 的 基, 使 所 有 不 变 量 都 能 够 用 这 组 基 的 有 理 整 式 表 达。 称 之 为果尔丹问题。
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闵可夫斯基(Hermann Minkowski,1864-1909)出生 于俄国的 Alexotas (现在变成立 陶宛的 Kaunas)。1873年,闵可 夫斯基进入艾尔斯塔特预科学校 读书。 1884年,年方25的数学 家Hurwitz来到Konigsberg大学当 副教授,很快地便和闵可夫斯基 及Hilbert建立起友谊,共同的科 学爱好把他们紧密地结合在一起。
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在宣言上签字的,除了克莱因,还有
德国的另一些著名的科学家,如普朗克,
伦琴等。这份1914年10月15日发表的“宣
言”,使文明世界震惊:那些素来受人尊
敬的科学家们怎么会同意在这样一份欺骗 文明世界的“宣言”上签字?
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希 尔 伯 特 拒 绝 签 字 , 也 特 别 引 人 注 目 。 在 国 内 , 似 乎 他 是 一 个 卖 国 贼 。 当 1 9 1 4 年 1 1 月 开 学 时 , 许 多 学 生 不 再 来 听 希 尔 伯 特 的 课 。 但 是 希 尔 伯 特 的 大 多 数 同 行 理 解 和 同 情 他 。 克 莱 因 也 很 快 就 后 悔 自 己 的 所 谓 “ 爱 国 ” 行 动 。 当 时 世 界 上 最 著 名
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二、 适当的问题对科学发展的价值
1. 有问题的学科才有生命力
问题,在学科进展中的意义是不可否认的。一门学科 充满问题,它就充满生命力;而如果缺乏问题,则预示着该 学科的衰落。正是通过解决问题,人们才能够发现学科的新 方法、新观点和新方向,达到更为广阔和高级的新境界。
提出数学问题的动力,不仅来自数学以外的客观世界,
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后来,希尔伯特以自己的名义申请了 一门课,让爱米.诺特来讲授。诺特很快显 示出她的才能,后来也成为世界著名的数 学家,在代数方面有巨大的贡献,做了许 多奠基性的工作。
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通常把诺特1921年发表的《环中的理想论》,看作现代抽象代数的开端。 由于对概念的准确抽象及表述,诺特的理论具有令人惊叹的普遍性。
也来自数学内部的逻辑发展。例如:素数的理论;非欧几何; 伽罗瓦理论;代数不变量理论。
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2. 提出一个“好的问题”是不容易的
这是因为在解决问题前,要想预先判断一个问 题的价值是困难的,问题的价值最终取决于科学 从该问题得到的收益。因此,只有对该学科的知 识有广泛而深入了解的学者,对该学科的发展有
清醒的认识和深刻洞察力的学者,才能提出有较

语言者)、闵可夫斯基(苹果树下
散步者)和赫尔维茨(苹果树下散步者)。
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魏尔斯特拉斯(1815~1897)
德意志帝国数学家。1815年10 月31日生于威斯特法伦州的奥斯滕 费尔德,1897年2月19日卒于柏林。 1834年入波恩大学学习法律和财政。 1838年转学数学。1842~1856年, 先后在几所中学任教。1854年3月31 日获得柯尼斯堡大学名誉博士学位。 1856年10月受聘为柏林大学助理教 授,同年成为柏林科学院成员, 1864年升为教授。
2)难而又可解决
希尔伯特说:“为了具有吸引力,一个数学问题应该是 困难的,但又不应是完全不可解决,而使我们劳而无功。”
3)对学科发展有重大推动意义
问题解决的意义,不是局限于问题本身,而是波及整个
学科,推动整个学科的发展。
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“好的问题” 举例
费马大定理
五次方程根式解
最速降线问题 三体问题
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在世纪之交提出的这23个问题,涉
及现代数学的许多领域。一个世纪以来, 这些问题激发着数学家们浓厚的研究兴
趣,对20世纪数学的发展起着巨大的推
动作用。
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希尔伯特的23个问题
1.证明“连续统假设”,即证明“可数基数”
与“连续统基数”之间不存在任何基数。
2.研究算术公理的相容性。
3.两个等底等高的四面体的体积相等。
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希 尔 伯 特 不 畏 权 势 , 坚 持 真 理 。 随 着 时间的推移,人们逐渐认识到,这种纯存在 性 证 明 比 构 造 性 证 明 更 有 价 值 、 更 本 质 。 希尔伯特本人,后来也在这种纯存在性证明
的 思 路 启 发 下 , 给 出 了 一 个 构 造 性 证 明 。
这 有 力 地 改 变 了 人 们 的 看 法 , 果 尔 丹 也 从 过去说希尔伯特的方法“是神学”,转而表 示敬意。
第二节 希尔伯特和他的23个问题
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一、 希尔伯特的23个问题
希尔伯特(德国,1862—1943年)是19世纪 末和20世纪上半叶最伟大的数学家之一。他提出 的23个问题更是功勋卓著、影响深远。
那是1900年8月在巴黎召开的国际数学家大会上,
年仅38岁的希尔伯特做了题为《数学问题》的著 名讲演,根据19世纪数学研究的成果和发展趋势 提出23个问题,成为数学史上的一个重要里程碑。
13.不可能用仅有两个变数的函数解一般
的七次方程。
14.证明某类完全函数系的有限性。
15.舒伯特(Schubert)计数演算的严格基
础。
16.代数曲线与代数曲面的拓扑问题。
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17.正定形式的平方和表示。 18.用全等多面体构造空间。 19.正则变分问题的解一定是解析的吗? 20.一般边值问题。 21.具有指定单值群的线性微分方程解的 存在性证明。 22.通过自守函数使解析关系单值化。 23.变分法的进一步发展。
久地影响了一门学科的发展,这在科学史
上是仅有的。
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在20世纪末,人们也想模仿19世纪
末的希尔特,提出一批有价值的数学问
题。但由于20世纪数学的发展,数学的分
支越来越细,已没有一个人能像当年的希 尔伯特那样涉足数学的广泛领域。于是人 们想到了组成一个数学家的小组,来做这 件事,并且已经付诸行动,但最终并没有 做成这件事。这也反衬出希尔伯特的伟 大。
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文章发表后,一群学生到希尔伯特的家门口示 威,要他收回和销毁这篇悼念“敌人数学家”的文章。 希尔伯特断然拒绝这一无理要求,并且到校长那里提 出辞职。结果希尔伯特很快收到了校方的道歉信。悼
念达布的文章也继续刊登。希尔伯特一生只写过四篇
悼念文章,除这篇外,其余三篇分别是悼念魏尔斯特 拉斯(创造
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