陶哲軒趙宇飛學生聯手攻下組合數學難題，23年來首次突破

基爾西 魚羊 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

陶哲軒和趙宇飛的學生聯手，給數學界整了個新驚喜：

讓組合數學領域最大難題之一——從無序中證明有序，取得了23年來的重大突破。

這個問題有多難？

用知名華裔數學家、MIT副教授趙宇飛本人的話說，是「我不會建議任何學生去做這個課題」。

有意思的是，這甚至還是個「意外」收穫：

陶哲軒弟子、剛上研究生二年級的James Leng（以下簡稱小冷）原本試圖延續另一位費爾茲獎得主——蒂莫西·高爾斯的理論研究。

但搞了一年多，他幾乎是「一無所獲」。

就在一籌莫展之時，他遇上了趙宇飛的兩位天才學生——本科期間就聯手發了十幾篇論文的Ashwin Sah（以下簡稱小薩）和Mehtaab Sawhney（以下簡稱索哥）。

三人一碰頭，頓時靈光乍現：小冷這研究思路用到塞邁雷迪定理上，那說不定真能整出點新進展。

幾個月後，都還在攻讀博士學位的三個年青人真的做到了——

23年首次突破組合數學難題

小冷、小薩和索哥的這項研究，是組合數學領域的一大難題，是對塞邁雷迪定理的進一步研究。

塞邁雷迪定理由2012年阿巴爾獎得主、匈牙利數學家塞邁雷迪·安達（Szemerédi Endre，註：匈牙利人的習慣是姓前名後）於1975年證明，其中說到：

若一個整數集A具有正的自然密度，則對任意的正整數k，都可以在A中找出一個包含k項的等差數列。

所謂具有正自然密度，就是當n趨於無窮時，A與1,2,…,n這個數列的交集中元素個數與n的比值大於0。

比較著名的反例就是2,4,8…這樣的等比數列，它們被認為在數軸上「過於稀疏」，不具備正自然數密度。

這個理論的猜想由兩名匈牙利數學家埃爾德什·帕爾（Erdős Pál）和杜蘭·帕爾（Turán Pál）在1936年提出。

顯然對於k=1和2的情況，這個結論毫無疑問是成立的，k=3的情況則在1953年由英國數學家高路斯·羅特證明。

到了1969年，塞邁雷迪用組合數學方法證明了k=4的情況，直到最終證明該結論對任意k均成立。

後來，又有數學家利用遍曆理論、傅里葉分析等其他方法證明了這一結論。

這也讓陶哲軒為之感慨，還把該定理的眾多證明稱為「羅塞塔石碑」，因為它們連結了幾個乍看起來完全不同的數學分支。

但總之，塞邁雷迪定理的證明並不是一個終點，而且還開啟了新的討論。

塞邁雷迪定理還有另一種表述形式——

若在正整數1-N中取一個子集，使得對於某一k值，在該子集中找不到長度為k的等差數列；

則當N趨近於無窮時，該子集的大小r_k(N)與N的比值趨近於0。

不過這個比值趨近於0的速度究竟是怎樣的，仍然是一個未知數，也就成了後續這幾十年的研究課題。

前面提到，有人用傅里葉分析方法給出了塞邁雷迪定理的新證明，這個人就是1998年費爾茲獎得主、英國數學家蒂莫西·高爾斯（Timothy Gowers）。

更重要的是，高爾斯同時給出了r_k(N)與N比值的上界，即該比值下降的速度不會慢於某個特定的函數。

這個函數長這樣：

此後的20多年來，不斷有人針對具體k值，對r(N)的範圍給出了更精確的上界。

比如在2017年，陶哲軒和英國數學家本·格連（Ben Green）一起給出了k=4時的新上界。

然而，對k取任意值的情況一直未有新的進展，直到這次研究的出現。

2022年，正在加州大學洛杉磯分校（UCLA）讀研二的小冷開始研究起了高爾斯的理論。

不過他腦海里的是高爾斯提出的幾個技術問題，並沒有想到塞邁雷迪定理。

一年很快過去，小冷沒有得到任何成果，但他的研究引起了小薩和索哥的注意。

他們意識到，小冷的研究可能有助於在塞邁雷迪定理上取得進一步進展。

於是三位年輕的數學家走到了一起，並在幾個月之內就想出了k=5時更精確的上界。

直到今年，三人又把這一結論推廣到了k為任意取值的情況，成為了23年以來在這個問題上最重大的突破。

證明的核心在於應用了高爾斯U^(k+1)範數的逆定理，這是一個與傅里葉分析相關的高級工具，它提供了一種衡量函數在某種意義上接近於零的方法。

該逆定理也是由三人發現的，用了足足100頁的論文進行闡述。

其中指出，如果一個函數在範數意義上足夠大，那麼它必然與某些具有特定結構的序列相關聯，這些序列在數學上被稱為「結構性對象」。

利用這個逆定理，作者們將問題從原始的整數集合，轉移到了具有特定代數結構的nilmanifolds流形上。

通過深入分析這些流形上的nil序列，作者們實現了對這些序列在整數集合上變化的控制。

然後，他們通過對集合進行分解並運用密度增量策略，逐步增加不包含k項等差數列的子集密度，直到達到某一閾值或無法繼續增加。

經過迭代這個過程，作者們證明了存在一個足夠大的子集，其密度遠高於之前的結果，實現了k=5時結論向著更高k值的推廣。

陶哲軒趙宇飛的天才學生們

三位作者中，小冷（James Leng）目前就讀於加州大學洛杉磯分校（UCLA），師從費爾茲獎得主陶哲軒。

他的主要研究方向是算術組合學、動力系統和傅里葉分析。

而小薩（Ashwin Sah）和索哥（Mehtaab Sawhney）都是MIT副教授趙宇飛的學生。

小薩其人，不可謂不是一位「天才少年」。

他是2016年國際奧林匹克數學競賽（IMO）金牌得主，2018年還獲得過首屆阿里巴巴全球數學競賽銀獎。

剛上大一，小薩就跑去聽了趙宇飛研究生級別的組合數學課。這迅速引起了趙宇飛的注意：

儘管他只是大一的學生，但很顯然，他已經掌握了這門課程。

就在本科期間，小薩已經有20多篇數學論文在手——並且他只用了兩年半時間就從MIT本科畢業了。

其中，還包括在藍斯數方面的重大突破：給出了藍斯數的新上限，被認為是「使用現有研究線索可以獲得的最佳結果」。

索哥（Mehtaab Sawhney）比小薩高一年級，他同樣在本科期間就參與了趙宇飛的組合數學課程。

打從本科起，索哥和小薩就是彼此的科研搭子，關係密切到索哥主頁列出的70篇論文里，有60篇都帶小薩的名字。

而導師趙宇飛在本科時對他倆的評價就是：

（MIT）的本科生研究有著悠久的歷史和傳統，但在論文的質量和數量上，都達不到Ashwin Sah和Mehtaab Sawhney的水平。

目前，索哥已經率先博士畢業，獲得了哥倫比亞大學的教職，還在今年年初被任命為克雷研究員。

兩位老友的合作仍在繼續，這也令外界感到期待。他們的導師趙宇飛是這樣說的：

他們的非凡之處在於總能理解極具技術挑戰的事物並加以改進。

很難用語言概括他們的整體成就。

參考鏈接：

[1]https://arxiv.org/abs/2402.17995

[2]https://www.quantamagazine.org/grad-students-find-inevitable-patterns-in-big-sets-of-numbers-20240805/

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Szemer%C3%A9di%27s_theorem