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数学女孩2:费马大定理 作者:结城浩 近现代)

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10.5 自守形式的世界

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“诶?让我来吗?”泰朵拉先是表示吃惊,然后想了一会儿说道,“对了,指数运算法则……是这样吗?”

“我不知……啊,难不成叫作展开?”

“我们来试试不用章节插图把米尔嘉写的 Φ(z) 表示出来。它会变成无限乘积的形式。”

“我没觉得‘一点都不明白’啊,哥哥。嗯……这个像牌坊一样的符号是什么啊。”

展开 2 次方的部分。

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“好的。”米尔嘉点点头,“我们将qk的系数称为a(k),将F(q) 看作数列a(k) 的生成函数。把系数明确写出来……

因为章节插图只会产生超过 30 次方的项,所以k= 8 之后就不用展开了。

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“再复杂一点的话,人家脑袋就要爆炸了喵。”尤里说道。

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10.5.1 保护形式

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10.5.3 从 F(q) 到数列 a(k)

在三个女生目不转睛的注视下,我开始展开数学公式。真让人紧张啊……一瞬间我想找些简便算法,但还是决定就这么硬算下去。因为算到q29 就够了,超过 30 次方的项在计算途中无视掉就好了。那么就把超过 30 次方的项省略,写作Q30 吧。

在此,参数z暗示了复数……尤里,怎么了?”

◎  ◎  ◎

“好好看看函数 Φ(z) 的定义方程式。”米尔嘉继续往下讲。

呼……我做了个深呼吸,继续往下计算。

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“让哥哥来帮你简单解释一下吧。”米尔嘉看向我。

10.5.2 q 展开

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“Φ(z) 是自守形式的一种,尤其是模形式的伙伴。”米尔嘉说道,“a,b,c,d是整数,满足ad-bc= 1,且c是 32 的倍数,再基于z=u+ν_i,ν_ > 0 这个条件……可知以下等式成立。”

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吃完巧克力慕斯以后,泰朵拉开始讲自守形式。

也就是说,z+ 1 和z经由 Φ 可以同等看待。换言之,实轴方向构成了周期为 1 的函数。”

“不明白。给人家具体讲讲嘛!”尤里嘟起嘴。

“完全……没办法想象。”泰朵拉抱着头。

“下面这个函数 Φ(z) 有着非常有意思的性质。

把这个总结成表格。

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“这个……”突然把问题扔给我吗,“我说尤里,看见这么复杂的数学公式,可不能想着‘我一点都不明白’啊。”

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q= e2πiz(q的定义)

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将最前面的两个因式相乘。

“在这里你们应该注意到了吧,这个式子里镶嵌了无数个 e2πiz。因此,我们像下面这样定义一个字母q

“喔……那我举个简单的例子吧。因为‘a,b,c,d是整数,满足ad-bc= 1,且c是 32 的倍数’,所以我们打个比方,假设章节插图,这样一来……

k= 1 时,将因子移到章节插图的前面。

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“为了忘记 Φ(z),只关注q,我们给它换个名字,叫作F(q)。”

◎  ◎  ◎

此时,可以用q表示 Φ(z)。这就交给泰朵拉来吧。”

“自守……形式?”尤里重复道。

q乘到括号内。

“好吧,接下来我把 Φ(z) 变简单点。”

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“等等,F(q) 可是无限积啊……”我说道。

“式子变形不难。用的只有指数运算法则而已。”

“只要从q1 到q29 的系数都正确就行了。超过 30 次方的项就无视掉,函数的收敛我们也无视掉。作为形式幂级数来计算。”

“做完了。这样就行了吧?”我问道。

米尔嘉微笑着把手放在尤里的头上。

“好的。”米尔嘉说道,“像这样,用q= e2πiz来表示这个式子,就叫作q展开。从现在开始,我们只关注q。”

“米尔嘉大人……这个数学公式,我一点都看不懂。”

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“虽然不太明白……但能够感觉出确实是这样。”泰朵拉答道。

“不是牌坊,是章节插图(π 的大写),这是表示乘法的符号。下面写着k= 1,上面写着 ∞。意思是把变量k替换成 1, 2, 3, ... ,再乘以章节插图右边写着的所有因子。明白吗?”

“所以都说了!为了简写才用章节插图来表示的!”我说道。

“对。我们找个人来把F(q) 展开。数学公式狂热分子 —— 哥哥就很合适嘛。”

章节插图的意思我倒是明白了……不过太复杂了喵!”尤里说道。

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“保护形式。由章节插图这个式子,可知‘经由 Φ 来看,z章节插图形式相同’。即使发生了章节插图这种变换,也保持了原有的形式,所以叫作自守形式。话虽这么说,也有 (cz+d)2 这种程度的偏差。(cz+d)2 的指数 2 称为权。Φ(z) 是‘权为 2 的自守形式’。到这里听明白了吗?”

可以从数列a(k) 还原F(q)。也就是说,数列a(k) 像含有遗传因子般含有关于F(q) 的信息。接下来终于该说到将椭圆函数和自守形式世界连接起来的‘谷山 - 志村定理’了。”

F(q) 全体都 是‘积的形式’。现在我想把F(q) 变成‘和的形式’。尤里,把积的形式转化成和的形式叫什么来着?”

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