数学纪闻录

第86章 物理学公理的数学处理、 数的无理性与超越性、素数问题(1/2)

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关于“连续性”:目前来看,这一假设无疑需要保留——至少从几何与算术的应用角度出发是如此,因为在这些应用中,相关函数的连续性是“连续性公理”的推论。但另一方面,“定义群的函数具有可微性”这一假设,在几何公理中只能以“牵强且复杂”的方式表述。

因此,问题就产生了:能否通过引入合适的新变量与新参数,将任意群都转化为“定义函数可微”的群?或者至少在一些简单假设的帮助下,将群转化为“可应用李的方法”的群?

根据李提出(但由舒尔(Schur)首次证明)的一个定理[10][11]:当群满足“可迁性”,且假定“定义群的函数存在一阶及某些二阶导数”时,上述“转化为解析群”的过程总是可行的。

我认为,对于“无限群”,研究类似问题也具有重要意义。此外,这还会将我们引入“函数方程”这一广阔且有趣的领域——此前,人们研究函数方程时,通常都会假定涉及的函数具有可微性。

尤其是阿贝尔(Abel)曾巧妙处理过的函数方程[12]、差分方程,以及数学文献中出现的其他方程,它们本身并未直接要求“伴随函数必须可微”。我在变分法中寻找某些存在性证明时,就曾直接遇到这样的问题:如何由“差分方程的存在性”证明“所讨论函数的可微性”。

因此,在所有这些情况下,都会出现一个共同问题:在不假定“函数可微”的前提下,通过适当修正,原本针对“可微函数”得出的结论,能在多大程度上仍然成立?

还需补充的是,闵可夫斯基在其上述着作《数的几何》中,以函数方程

f(x_1 + y_1, x_2 + y_2, \\dots, x_n + y_n) \\leq f(x_1, x_2, \\dots, x_n) + f(y_1, y_2, \\dots, y_n)

为起点,实际上成功证明了“该函数存在某些微商(导数)”。

但另一方面,我想强调一个事实:确实存在“仅以非可微函数为解”的解析函数方程。例如,我们可以构造一个“一致连续但非可微的函数f(x)”,它是以下两个函数方程的唯一解:

f(x + \\alpha) - f(x) = g(x)

f(x + \\beta) - f(x) = h(x)

其中\\alpha与\\beta是两个实数,且对所有实数x,g(x)与h(x)都是“正则解析的一致函数”。

构造这类函数的最简单方法,是借助三角级数,采用与博雷尔(borel)类似的步骤——皮卡(picard)近期指出[13],博雷尔曾用这种方法构造出“某解析偏微分方程的双周期非解析解”。

[10]李-恩格尔(Lie-Engel),《变换群理论》(theorie der transformationsgruppen),第3卷,莱比锡,1893年,第82、144节。

[11]《论表示有限连续变换群的函数的解析性质》(Ueber den analytischen charakter der eine endliche Kontinuierliche transformationsgruppen darstellenden Funktionen),《数学年刊》(math. Annalen),第41卷。

[12]《全集》(werke),第1卷,第1、61、389页。

[13]《数学分析中的若干基础理论》(quelques théories fondamentales dans lanalyse mathématique),克拉克大学演讲(conférences faites à clark University),收录于《综合科学评论》(Revue générale des Sciences),1900年,第22页。

6. 物理学公理的数学处理

对几何学基础的研究,引发了这样一个问题:像处理几何学那样,借助公理来处理那些数学占据重要地位的物理学科;其中最主要的是概率论和力学。

关于概率论的公理[14],在我看来,有必要在对其进行逻辑研究的同时,为数学物理(尤其是气体分子运动论)中的平均值方法,提供严格且完善的推导。

物理学家们已经开展了多项关于力学基础的重要研究;我在此提及马赫[15]、赫兹[16]、玻尔兹曼[17]和福尔克曼[18]的着作。

因此,非常有必要让数学家也参与到力学基础的探讨中来。

例如,玻尔兹曼关于力学原理的研究提出了一个问题:将他仅简要提及的、从原子论观点推导到连续体运动定律的极限过程,进行数学上的完整推导。

反过来,人们也可尝试从一套公理出发,通过极限过程推导出刚体运动定律;这套公理基于“充满整个空间的物质其状态连续变化”的思想,而物质的状态由参数来定义。

因为不同公理系统之间的等价性问题,在理论层面始终具有重要意义。

若要以几何学为范本处理物理学公理,我们首先会尝试用少量公理,涵盖尽可能广泛的物理现象类别,随后通过添加新公理,逐步推导出更具特殊性的理论。

与此同时,李(Lie)的无限变换群深刻理论,或许能为分类原则提供依据。

数学家不仅要关注那些贴近现实的理论,还应像在几何学中那样,关注所有逻辑上可能成立的理论。

他们必须时刻保持敏锐,以全面梳理从所设公理系统中可推导出的全部结论。

此外,数学家有责任在每一种情况下,精确验证新公理与先前公理是否相容。

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