世界上最难的数学题 世界十大数学难题

　　在人类的历史发展和社会生活中，数学发挥着不可替代的作用，同时它也是学习和研究现代科学技术必不可少的基本工具。而在漫长的岁月里，有十个数学难题始终如数学王冠上的明珠，又如数学宫殿的高墙，对人类既有着无穷的吸引力，又总是令人类百思不解，折磨着人类的求知欲和好奇心，挑战着人类的智慧。那么今天的民族文化就为你介绍，那些世界上最难的数学题。（部分图文无关）

　　NP完全问题（NP－C问题）

　　NP完全问题（NP－C问题），是世界七大数学难题之一。NP的英文全称是Non－deterministic Polynomial的问题，即多项式复杂程度的非确定性问题。简单的写法是NP＝P？，问题就在这个问号上，到底是NP等于P，还是NP不等于P。

　　NP就是Non－deterministic Polynomial的问题，也即是多项式复杂程度的非确定性问题。而如果任何一个NP问题都能通过一个多项式时间算法转换为某个NP问题，那么这个NP问题就称为NP完全问题（Non－deterministic Polynomialcompleteproblem）。NP完全问题也叫做NPC问题。

　　有些计算问题是确定性的，比如加减乘除之类，你只要按照公式推导，按部就班一步步来，就可以得到结果。但是，有些问题是无法按部就班直接地计算出来的。例如寻找大质数的问题。有没有一个公式，一旦套入公式，就可以一步步推算出来，下一个质数应该是多少呢？这样的公式是没有的。再例如，大的合数分解质因数的问题，有没有一个公式，把合数代入以后，就直接可以算出，它的因子各自是多少？也没有这样的公式。

　　这种问题的答案，是无法直接计算得到的，只能通过间接的“猜算”来得到结果。这就是非确定性问题。而这些问题的通常有个算法，它不能直接告诉你答案是什么，但可以告诉你，某个可能的结果是正确的答案还是错误的。这个可以告诉你“猜算”的答案正确与否的算法，假如可以在多项式时间内算出来，就叫做多项式非确定性问题。而如果这个问题的所有可能答案，都是可以在多项式时间内进行正确与否的验算的话，就叫完全多项式非确定问题。

　　完全多项式非确定性问题可以用穷举法得到答案，一个个检验下去，最终便能得到结果。但是这样算法的复杂程度，是指数关系，因此计算的时间随问题的复杂程度成指数的增长，很快便变得不可计算了。

　　人们发现，所有的完全多项式非确定性问题，都可以转换为一类叫做满足性问题的逻辑运算问题。既然这类问题的所有可能答案，都可以在多项式时间内计算，人们于是就猜想，是否这类问题存在一个确定性算法，可以在多项式时间内直接算出或是搜寻出正确的答案呢？这就是着名的NP＝P？的猜想。

　　解决这个猜想，无非两种可能，一种是找到一个这样的算法，只要针对某个特定NP完全问题找到一个算法，所有这类问题都可以迎刃而解了，因为他们可以转化为同一个问题。另外的一种可能，就是这样的算法是不存在的。那么就要从数学理论上证明它为什么不存在。

　　当今时代，在纯粹科学研究，通信、交通运输、工业设计和企事业管理部门，在社会军事、政治和商业的斗争中涌现出大量的NP问题。若按经典的纯粹数学家们所熟悉的穷举方法求解，则计算时间动辄达到天文数字，根本没有实用价值。

　　也因此，在数学界中有许多有经验的人认为，对于这些问题，根本上就不存在完整、精确、而又不是太慢的求解算法。由此可见，NP＝P？可能是这个世纪最重要的数学问题了。

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　　霍奇猜想

　　霍奇猜想是代数几何的一个重大的悬而未决的问题。由威廉·瓦伦斯·道格拉斯·霍奇提出，它是关于非奇异复代数簇的代数拓扑和它由定义子簇的多项式方程所表述的几何的关联的猜想，属于世界七大数学难题之一。

　　二十世纪的数学家们发现了研究复杂对象的形状的强有力的办法。基本想法是问在怎样的程度上，我们可以把给定对象的形状通过把维数不断增加的简单几何营造块粘合在一起来形成。

　　这种技巧是变得如此有用，使得它可以用许多不同的方式来推广；最终导至一些强有力的工具，使数学家在对他们研究中所遇到的各种的对象进行分类时取得巨大的进展。不幸的是，在这一推广中，程序的几何出发点变得模糊起来。在某种意义下，必须加上某些没有任何几何解释的部件。

　　霍奇猜想断言，对于所谓射影代数簇这种特别完美的空间类型来说，称作霍奇闭链的部件实际上是称作代数闭链的几何部件的（有理线性）组合。可以说霍奇猜想集中体现了现代数学发展中抽象特征在滚雪球般扩大的趋势。

　　霍奇猜想是代数几何的一个重大的悬而未决的问题。它是关于非奇异复代数簇的代数拓扑和它由定义子簇的多项式方程所表述的几何的关联的猜想。它在霍奇的着述的一个结果中出现，他在1930至1940年间通过包含额外的结构丰富了德拉姆上同调的表述，这种结构出现于代数簇的情况（但不仅限于这种情况）。

　　对于（1，1）类的霍奇猜想已经在霍奇本人提出本猜想前的1924年由Lefschetz证明。换句话说，霍奇猜想对于H＾2成立。实际上，这是霍奇提出其猜想的动机之一。除此以外，还成立以下定理：如果霍奇猜想对于度数p的霍奇类成立，其中p＜n，n是上述射影代数簇的维数，那么对于度数为2n－p的霍奇类，霍奇猜想也成立。

　　如今，霍奇猜想名列21世纪七大数学难题之一。2000年5月，美国的克莱数学研究所为每道题悬赏百万美元求解。目前，这一难题仍没有被破解，但可以预见的是，与阿蒂亚－辛格指标定理一样，霍奇猜想的解决将在数学三大分支即分析、拓扑、代数几何之间找到某种基本的内在联系。

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　　庞加莱猜想

　　庞加莱猜想（Poincaré conjecture）是法国数学家庞加莱提出的一个猜想，其中三维的情形被俄罗斯数学家格里戈里·佩雷尔曼于2003年左右证明。2006年，数学界最终确认佩雷尔曼的证明解决了庞加莱猜想。

　　1904年，法国数学家亨利·庞加莱提出了一个拓扑学的猜想：“任何一个单连通的，闭的三维流形一定同胚于一个三维的球面。”简单地说，一个闭的三维流形就是一个有边界的三维空间；单连通就是这个空间中每条封闭的曲线都可以连续的收缩成一点，或者说在一个封闭的三维空间，假如每条封闭的曲线都能收缩成一点，这个空间就一定是一个三维圆球。

　　后来，这个猜想被推广至三维以上空间，被称为“高维庞加莱猜想”。提出这个猜想后，庞加莱一度认为自己已经证明了它。但没过多久，证明中的错误就被暴露了出来。于是，拓扑学家们开始了证明它的努力。

　　20世纪以来，怀特海、宾、哈肯、莫伊泽和帕帕奇拉克普罗斯等优秀的数学家均尝试对庞加莱猜想进行证明，这一时期拓扑学家对庞加莱猜想的研究，虽然没能产生他们所期待的结果，但是，却因此发展出了低维拓扑学这门学科。

　　一次又一次尝试的失败，使得庞加莱猜想成为出了名难证的数学问题之一。2000年5月24日，美国克雷数学研究所（Clay Mathematical Institute）的科学顾问委员会把庞加莱猜想列为七个“千禧年大奖难题”之一。

　　俄罗斯数学家格里戈里·佩雷尔曼在花了8年时间研究这个足有一个世纪的数学难题后，在2002年11月和2003年7月之间，将3份关键论文的手稿粘贴到arXiv.org这个专门刊登数学和物理预印本论文的网站上，并用电邮通知了几位数学家，声称自己证明了几何化猜想。

　　到2005年10月，数位专家宣布验证了该证明，一致的赞成意见几乎已经达成。2006年，在佩雷尔曼公布他的3篇文章中的第一篇之后近4年，专家们终于达成了共识：佩雷尔曼解决了这个学科最令人肃然起敬的问题之一。

　　庞加莱猜想是一个拓扑学中带有基本意义的命题，有助于人类更好地研究三维空间，其带来的结果能够加深人们对流形性质的认识。

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　　黎曼假设

　　黎曼猜想是关于黎曼ζ函数ζ（s）的零点分布的猜想，由数学家黎曼于1859年提出。希尔伯特在第二届国际数学家大会上提出了20世纪数学家应当努力解决的23个数学问题，被认为是20世纪数学的制高点，其中便包括黎曼假设。现今克雷数学研究所悬赏的世界七大数学难题中也包括黎曼猜想。

　　黎曼假说概述
　　有些数具有特殊的属性，它们不能被表示为两个较小的数字的乘积，如2，3，5，7，等等。这样的数称为素数（或质数），在纯数学和应用数学领域，它们发挥了重要的作用。所有的自然数中的素数的分布并不遵循任何规律。然而，德国数学家黎曼（1826—1866）观察到，素数的频率与一个复杂的函数密切相关。

　　ζ（s）＝1＋1/2S＋1/3S＋1/4S＋…被称为黎曼Zeta函数。黎曼猜想认为所有素数都可以表示为一个函数。
　　ζ（s）＝0位于一条垂直直线上
　　这些是检查自前10000000000000（1×10＾13）个解决方案的结果，证明它会带来许多围绕素数分布的奥秘。但这个问题至今未获得解决。

　　黎曼猜想是黎曼在1859年提出的。在证明素数定理的过程中，黎曼提出了一个论断：Zeta函数的零点都在直线Res（s）＝1/2上。他在作了一番努力而未能证明后便放弃了，因为这对他证明素数定理影响不大。

　　但这一问题至今仍然未能解决，甚至于比此假设简单的猜想也未能获证。而函数论和解析数论中的很多问题都依赖于黎曼假设。在代数数论中的广义黎曼假设更是影响深远。若能证明黎曼假设，则可带动许多问题的解决。

　　有人统计过，在当今数学文献中已有超过一千条数学命题以黎曼猜想（或其推广形式）的成立为前提。如果黎曼猜想被证明，所有那些数学命题就全都可以荣升为定理；反之，如果黎曼猜想被否证，则那些数学命题中起码有一部分将成为陪葬。一个数学猜想与为数如此众多的数学命题有着密切关联，这是极为罕有的。

　　与费尔马猜想时隔三个半世纪以上才被解决，哥德巴赫猜想历经两个半世纪以上屹立不倒相比，黎曼猜想只有一个半世纪的纪录还差得很远，但它在数学上的重要性要远远超过这两个大众知名度更高的猜想，可以说，黎曼猜想是当今数学界最重要的数学难题。

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　　杨米尔斯的存在性和质量缺口

　　杨米尔斯的存在性和质量缺口是世界七大数学难题之一，问题起源于物理学中的杨·米尔斯理论。该问题的正式表述是：证明对任何紧的、单的规范群，四维欧几里得空间中的杨米尔斯方程组有一个预言存在质量缺口的解。该问题的解决将阐明物理学家尚未完全理解的自然界的基本方面。

　　量子物理的定律是以经典力学的牛顿定律对宏观世界的方式对基本粒子世界成立的。大约半个世纪以前，数学家杨振宁和米尔斯发现，量子物理揭示了在基本粒子物理与几何对象的数学之间的令人注目的关系。

　　基于杨－米尔斯方程的预言已经在包括布罗克哈文、斯坦福、欧洲粒子物理研究所和筑波等全世界范围内的实验室中所履行的高能实验中得到证实，但尽管如此，他们的既描述重粒子、又在数学上严格的方程没有已知的解。

　　特别是，被大多数物理学家所确认、并且在他们的对于“夸克”的不可见性的解释中应用的“质量缺口”假设，从来没有得到一个数学上令人满意的证实。在这一问题上的进展需要在物理上和数学上两方面引进根本上的新观念。

　　杨·米尔斯理论

　　杨－米尔斯（Yang－Mills）理论，是现代规范场理论的基础，20世纪下半叶重要的物理突破，旨在使用非阿贝尔李群描述基本粒子的行为，是由物理学家杨振宁和米尔斯在1954年首先提出来的。

　　这个当时没有被物理学界看重的理论，通过后来许多学者于1960到1970年代引入的对称性自发破缺与渐进自由的观念，发展成今天的标准模型。这一理论中出现的杨－米尔斯方程是一组数学上未曾考虑到的极有意义的非线性偏微分方程。

　　杨·米尔斯理论起源于对电磁相互作用的分析，利用它所建立的弱相互作用和电磁相互作用的统一理论，已经为实验所证实，特别是这理论所预言的传播弱相互作用的中间玻色子，已经在实验中发现。

　　杨－米尔斯理论又为研究强子（参与强相互作用的基本粒子）的结构提供了有力的工具。在某种意义上说，引力场也是一种规范场。所以这一理论在物理中的作用非常重要。1975年以来数学家对杨－米尔斯方程进行了许多深入的研究，这些研究对于纯粹数学的发展，也起了推动作用。

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　　纳维－斯托克斯方程

　　纳维－斯托克斯方程是一组描述象液体和空气这样的流体物质的方程，简称N－S方程，是世界七大数学难题之一。因1821年由C.－L.－M.－H.纳维建立和1845年由G.G.斯托克斯改进而得名。

　　纳维－斯托克斯方程建立了流体的粒子动量的改变率（加速度）和作用在液体内部的压力的变化和耗散粘滞力（类似于摩擦力）以及重力之间的关系。这些粘滞力产生于分子的相互作用，能告诉我们液体有多粘。这样，纳维－斯托克斯方程描述作用于液体任意给定区域的力的动态平衡，这在流体力学中有十分重要的意义。

　　纳维－斯托克斯方程是最有用的一组方程之一，因为它们描述了大量对学术和经济有用的现象的物理过程。它们可以用于建模天气，洋流，管道中的水流，星系中恒星的运动，翼型周围的气流。它们也可以用于飞行器和车辆的设计，血液循环的研究，电站的设计，污染效应的分析等等。

　　纳维－斯托克斯方程依赖微分方程来描述流体的运动。这些方程和代数方程不同，不寻求建立所研究的变量（譬如速度和压力）的关系，而是建立这些量的变化率或通量之间的关系。用数学术语来讲，这些变化率对应于变量的导数。

　　这样，最简单情况的0粘滞度的理想流体的纳维－斯托克斯方程表明加速度（速度的导数，或者说变化率）是和内部压力的导数成正比的。这表示对于给定的物理问题的纳维－斯托克斯方程的解必须用微积分的帮助才能取得。

　　实用上，只有最简单的情况才能用这种方法解答，而它们的确切答案是已知的。这些情况通常设计稳定态（流场不随时间变化）的非湍流，其中流体的粘滞系数很大或者其速度很小（小的雷诺数）。

　　对于更复杂的情形，例如厄尔尼诺这样的全球性气象系统或机翼的升力，纳维－斯托克斯方程的解必须借助计算机。这本身是一个科学领域，称为计算流体力学。虽然湍流是日常经验中就可以遇到的，但这类问题极难求解。

　　一个价值一百万美元的大奖由克雷数学研究所于2000年5月设立，奖给对于能够帮助理解这一现象的数学理论作出实质性进展的任何人。

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　　BSD猜想

　　BSD猜想，全称贝赫和斯维纳通－戴尔猜想（Birchand Swinnerton－Dyer猜想），属于世界七大数学难题之一。它描述了阿贝尔簇的算术性质与解析性质之间的联系。

　　BSD猜想陈述
　　给定一个整体域上的阿贝尔簇，猜想它的莫代尔群的秩等于它的L函数在1处的零点阶数，且它的L函数在1处的泰勒展开的首项系数与莫代尔群的有限部分大小、自由部分体积、所有素位的周期以及沙群有精确的等式关系。

　　前半部分通常称为弱BSD猜想。BSD猜想是分圆域的类数公式的推广。格罗斯提出了一个细化的BSD猜想。布洛克和加藤提出了更一般的对于motif的Bloch－Kato猜想。

　　由BSD猜想可以推出奇偶性猜想、西尔维斯特等很多猜想。其中最着名的是与同余数问题的关系，从BSD猜想可以推出模8余5，6，7的平方自由的正整数一定可以成为某个有理边长直角三角形的面积。

　　关于BSD猜想的破解，目前已知的进展是BSD猜想的陈述依赖于莫代尔定理：整体域上的阿贝尔簇的有理点形成一个有限生成交换群。精确的部分依赖于沙群的有限性猜想。

　　对于解析秩为0的情形，Coates，Wiles，Kolyvagin，Rubin，Skinner，Urban等人证明了弱BSD猜想，并且精确的BSD猜想在2以外均成立。而对于解析秩为1的情形，Gross，Zagier等人证明了弱BSD猜想，并且精确的BSD猜想在2和导子以外均成立。

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　　哥德巴赫猜想

　　哥德巴赫1742年给欧拉的信中哥德巴赫提出了以下猜想：任一大于2的偶数都可写成两个质数之和。但是哥德巴赫自己无法证明它，于是就写信请教赫赫有名的大数学家欧拉帮忙证明，但是一直到死，欧拉也无法证明。

　　因现今数学界已经不使用“1也是素数”这个约定，原初猜想的现代陈述为：任一大于5的整数都可写成三个质数之和。欧拉在回信中也提出另一等价版本，即任一大于2的偶数都可写成两个质数之和。

　　如今关于这一猜想常见的陈述为欧拉的版本，把命题“任一充分大的偶数都可以表示成为一个素因子个数不超过a个的数与另一个素因子不超过b个的数之和”记作“a＋b”。即任一大于2的偶数都可写成两个素数之和，亦称为“强哥德巴赫猜想”或“关于偶数的哥德巴赫猜想”。

　　1966年，中国数学家陈景润证明了“1＋2”成立，即“任一充分大的偶数都可以表示成二个素数的和，或是一个素数和一个半素数的和”，但哥德巴赫猜想本身依然是一个未解的世界级难题。

　　从关于偶数的哥德巴赫猜想，可推出：任一大于7的奇数都可写成三个质数之和的猜想。后者称为“弱哥德巴赫猜想”或“关于奇数的哥德巴赫猜想”。若关于偶数的哥德巴赫猜想是对的，则关于奇数的哥德巴赫猜想也会是对的。

　　弱哥德巴赫猜想尚未完全解决，但1937年时前苏联数学家维诺格拉多夫已经证明充分大的奇质数都能写成三个质数的和，也称为“哥德巴赫－维诺格拉朵夫定理”或“三素数定理”。

　　中国数学家与哥德巴赫猜想
　　华罗庚是中国最早从事哥德巴赫猜想的数学家。1936—1938年，他赴英留学，师从哈代研究数论，并开始研究哥德巴赫猜想，验证了对于几乎所有的偶数猜想。

　　1950年，华罗庚从美国回国，在中科院数学研究所组织数论研究讨论班，选择哥德巴赫猜想作为讨论的主题。参加讨论班的学生，例如王元、潘承洞和陈景润等在哥德巴赫猜想的证明上取得了相当好的成绩。

　　1956年，王元证明了“3＋4”；同年，原苏联数学家阿·维诺格拉朵夫证明了“3＋3”；1957年，王元又证明了“2＋3”；潘承洞于1962年证明了“1＋5”；1963年，潘承洞、巴尔巴恩与王元又都证明了“1＋4”；1966年，陈景润在对筛法作了新的重要改进后，证明了“1＋2”。

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　　四色定理

　　四色定理又称四色猜想、四色问题，是世界三大数学猜想之一。四色定理的本质正是二维平面的固有属性，即平面内不可出现交叉而没有公共点的两条直线。地图四色定理（Four color theorem）最先是由一位叫古德里（Francis Guthrie）的英国大学生提出来的。

　　四色问题的内容是：“任何一张地图只用四种颜色就能使具有共同边界的国家着上不同的颜色。”也就是说在不引起混淆的情况下一张地图只需四种颜色来标记就行。

　　而用数学语言表示，即“将平面任意地细分为不相重叠的区域，每一个区域总可以用1234这四个数字之一来标记而不会使相邻的两个区域得到相同的数字。”这里所指的相邻区域是指有一整段边界是公共的。如果两个区域只相遇于一点或有限多点就不叫相邻的，因为用相同的颜色给它们着色不会引起混淆。

　　在问题提出后的岁月里，曾有很多人证明了二维平面内无法构造五个或五个以上两两相连区域，但却没有将其上升到逻辑关系和二维固有属性的层面，以致出现了很多伪反例。不过这些恰恰是对图论严密性的考证和发展推动。

　　高速数字计算机的发明，促使更多数学家对“四色问题”的研究。电子计算机问世以后，由于演算速度迅速提高，加之人机对话的出现，大大加快了对四色猜想证明的进程。

　　就在1976年6月，在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上，用了1200个小时，作了100亿个判断，结果没有一张地图是需要五色的，最终证明了四色定理，轰动了世界。

　　但是，计算机证明无法给出令人信服的思考过程。计算机虽然做了百亿次判断，终究只是在庞大的数量优势上取得成功，这并不符合数学严密的逻辑体系，至今仍有无数数学爱好者投身其中研究。

　　一个多世纪以来，数学家们为证明这条定理绞尽脑汁，所引进的概念与方法刺激了拓扑学与图论的生长、发展。在“四色问题”的研究过程中，不少新的数学理论随之产生，也发展了很多数学计算技巧。

　　例如，数学家们将地图的着色问题化为图论问题，丰富了图论的内容。不仅如此，“四色问题”在有效地设计航空班机日程表，设计计算机的编码程序上都起到了推动作用。

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　　费马大定理

　　费马大定理，又被称为“费马最后的定理”，由17世纪法国数学家皮耶·德·费马提出。定理断言当整数n＞2时，关于x，y，z的方程x＾n＋y＾n＝z＾n没有正整数解。费马大定理提出后，曾经历多人猜想辩证，历经三百多年的历史，最终在1995年被英国数学家安德鲁·怀尔斯彻底证明。

　　大约1637年左右，法国学者费马在阅读丢番图（Diophatus）《算术》拉丁文译本时，曾在第11卷第8命题旁写道：“将一个立方数分成两个立方数之和，或一个四次幂分成两个四次幂之和，或者一般地将一个高于二次的幂分成两个同次幂之和，这是不可能的。关于此，我确信已发现了一种美妙的证法，可惜这里空白的地方太小，写不下。”

　　虽然费马本人说自己已经发现了证法，但他毕竟没有写下证明，而他的其它猜想对数学又贡献良多，由此激发了许多数学家对这一猜想的兴趣。数学家们的有关工作丰富了数论的内容，推动了数论的发展。

　　大约在1850年前后，高斯的学生、德国数学家库默尔看到唯一因子分解是否成立是欧拉、热尔曼创立的企图证明费马大定理的方法关键，于是他创立了一种“理想数环”理论。

　　据说这一思想也受其老师高斯启发，高斯表面上声称对费马大定理不感兴趣，实际上对n＝7久思不解。学生库默尔运用独创的“理想素数”理论，一下子证明了100以内除37、59、67以外的所有奇数费马大定理都成立，使证明问题取得了第一次重大突破。

　　库默尔之后近半个世纪，费马大定理证明都停滞不前，1908年，格丁根皇家科学协会公布沃尔夫斯凯尔奖：凡在2007年9月13日前解决费马大定理者，将获得10万马克奖励。这一奖项还有一个颇有些传奇意味的故事。

　　可以说正是数学让沃尔夫斯凯尔先生重生，并在后来通过努力成为大富豪，1908年这位富豪死时，由此立下遗嘱，将自己一半的遗产捐赠设奖，一方面以谢救命之恩，一方面也希望问题得到解决。

　　1986年，格哈德·弗赖提出，费马大定理的真实性将使谷山－志村猜想一经证明之后的直接结果并演算出一个椭圆方程，于是，英国数学家安德鲁·怀尔斯决定重新研究原来搁置的问题，并可以运用一些新的方法。经过7年的努力，怀尔斯完成了谷山－志村猜想的证明。作为一个结果，他在前人工作的基础上，终于证明了费马大定理。

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