Ernst Eduard Kummer · 1810–1893

库默尔

他发现分圆整数里素因子分解不唯一,就给那个不在场的素因子一道同余检验,称之为理想数——戴德金的理想由此而来;他还把费马大定理一口气证到了所有「正则」的素数次方

f(α)pξ    f(ξ)0(modp)f(\alpha) \ni \mathfrak{p}_\xi \iff f(\xi) \equiv 0 \pmod p
理想素因子的定义,1847 年《克雷勒杂志》第 35 卷第 320 页(柏林科学院 1846 年 3 月那篇报告的摘录):α 是 λ 次单位根,p = mλ + 1,ξ 是 ξ 的 λ 次方模 p 余 1 的一个根;把 α 换成 ξ,余数是 0,就说 f(α) 含有属于 α = ξ 的那个 p 的理想素因子。式中那个花体 p 是后人的记号,他的原话是「含有属于 α = ξ 的那个理想素因子」

恩斯特·爱德华·库默尔 1810 年 1 月 29 日生于勃兰登堡的索劳(今波兰扎雷),父亲是医生,在他三岁时去世。1828 年他进哈雷大学读新教神学,被数学课上的舍尔克吸引过去,1831 年一篇获奖论文让他拿到了博士学位与中学教师资格。此后十年他在利格尼茨(今莱格尼察)的文科中学教数学与物理,学生里有克罗内克与约阿希姆斯塔尔;1836 年讲超几何级数、1837 年讲慢级数求和的两篇长文,署名都是「利格尼茨的哲学博士」。1839 年他还在中学教书,就经狄利克雷推荐当选柏林科学院通讯院士;1842 年到布雷斯劳(今弗罗茨瓦夫)大学任正教授。

理想数、正则素数与那条进位定理,全是布雷斯劳那十三年里的事:1844 年他为柯尼斯堡大学三百年校庆写的拉丁文论文里叹过一口气——复数的素因子分解不唯一;1846 年 3 月 26 日,狄利克雷在柏林科学院替他宣读了补救的办法。1855 年狄利克雷去哥廷根接高斯的班,柏林的讲席给了他;他随即设法让魏尔斯特拉斯也来了柏林,1861 年两人在柏林大学合办了数学讨论班。他在柏林教到 1883 年,带出的博士里有康托尔与施瓦茨,做过大学校长与科学院数理学部的秘书。晚年他转向几何,1864 年找到了今天以他命名的那种有十六个奇点的四次曲面。1893 年 5 月 14 日卒于柏林,八十三岁。

库默尔肖像
佚名摄,1893 年以前 · Wikimedia Commons,公有领域

生平

  1. 1810年1月29日
    生于索劳

    今波兰扎雷。父亲是医生,三年后去世,他与哥哥由母亲带大。

  2. 1831
    哈雷大学,获奖论文与博士

    本来读神学。题目是舍尔克出的,这篇论文同时换来了学位与中学教师资格。

  3. 1832–1842
    利格尼茨文科中学教师

    教数学与物理。学生里有克罗内克与约阿希姆斯塔尔。

  4. 1834年11月10日
    慢级数求和那一篇写完

    1837 年刊于第 16 卷。只加十项,把 1 + 1/2³ + 1/3³ + … 定到十四位。

  5. 1836
    《论超几何级数》

    《克雷勒杂志》第 15 卷,署名「利格尼茨的哲学博士」。接着高斯 1812 年那篇往下做。

  6. 1842
    布雷斯劳大学正教授

    据 MacTutor,是雅可比与狄利克雷极力推荐的。

  7. 1844
    拉丁文论文,给柯尼斯堡的三百年校庆

    论单位根构成的复数。文中叹道:它们的素因子分解不唯一。

  8. 1846年3月26日
    理想数

    狄利克雷在柏林科学院全体会议上替他宣读。1847 年转载于《克雷勒杂志》第 35 卷时,页眉把报告的年份印成了 1845。

  9. 1847年4月28日
    写信给刘维尔

    拉梅在巴黎宣读了一份费马定理的证明,它要用的唯一分解并不成立。见本页第六件。

  10. 1849年6月19日
    正则素数的定理写完

    1850 年刊于第 40 卷。5 到 43 之间只有 37 不满足他的条件。

  11. 1852
    进位定理

    藏在一篇讲互反律的长文里,第 115–116 页。

  12. 1855
    接狄利克雷在柏林的讲席

    次年魏尔斯特拉斯也来了柏林;1861 年两人在柏林大学合办数学讨论班。

  13. 1857
    巴黎科学院大奖

    据 MacTutor:原是悬赏费马大定理的,无人解出,改授给了并未应征的他。

  14. 1864
    十六个奇点的四次曲面

    今称库默尔曲面。

  15. 1893年5月14日
    卒于柏林

    十年前他以记性不如从前为由退休,据说除了他自己,没人觉得。

展品厅

绝大多数展品都可以亲手把玩——这是本馆的立馆之本;少数以叙述为主的,做成故事展签。

镇馆之宝 · 亲手玩

一个不在场的因子,用同余去认它

分圆整数里,有的数分解不唯一。他不去造那个缺席的素因子,只给它一道检验:把 α 换成模 p 的一个单位根,余 0 就算含它。

取 α 为 λ 次单位根,a + a₁α + a₂α² + … 这种数他叫复整数,高斯为研究双二次剩余引入的 a + b√−1,是四次单位根造出来的同一类数。麻烦在于:一个复整数分不出别的因子,并不等于它像素数那样好用——他在第 319 页说,两个这样的「素数」相乘,乘积却可能被第三个这样的数整除。1844 年他在一篇拉丁文论文里为此叹过气;1846 年 3 月,他找到了出路。办法写在第 320 页:p = mλ + 1 是素数时,同余式 ξ 的 λ 次方 ≡ 1 (mod p) 有 λ − 1 个根;把 α 换成其中一个 ξ,一个复整数就变成一个模 p 的余数,余数是 0,就说它含有「属于 α = ξ 的那个 p 的理想素因子」。这道检验不管 p 在这个数系里到底拆不拆得开,于是拆不开时,那些因子照样有名有姓。他自己打了个比方:两个不相交的圆也可以有一条「理想的公共弦」,只要找对那个在一切位置都适用的定义。本件演示取 λ = 23、p = 47:47 有二十二个理想因子,α − 2 恰好含其中一个(它的范数是 2 的 23 次方减 1 = 47 × 178481);可这个因子不是任何一个真的复整数——那样的数范数就该是 47,而把它压到二次子域里要解 x² + 23y² = 188,y 取 0、1、2 都凑不出平方数。它的三次方才是:48² + 23 × 134² = 4 × 47³。他在同一篇第 324 页写的正是这件事——每个理想数都有某个整数次幂是真的数。二十五年后,戴德金把「一道检验」换成了「一整族数」,那就是馆里戴德金那一页的理想。

换几个 α − r、换 p = 47 或 139,看二十二道同余检验里哪一道余 0;再看右下为什么 47 的因子不是一个真的数

α 是 23 次单位根,α − 2 是一个复整数。它含不含 47 的某个理想素因子,不必把那个因子造出来,只要把 α 换成 ξ²³ ≡ 1 (mod 47) 的一个根、看余数是不是 0——这正是库默尔 1847 年那篇第 320 页的定义。47 有二十二个这样的根,于是有二十二个理想因子;左边这一圈里 ξ = 2 那一格余 0,而右边算出来 47 在范数里恰好出现 1 次,两边对得上。右下是另一半故事:47 的这些因子没有一个是真的数(那样的数范数就是 47,而 x² + 23y² = 188 无解),可它的三次方是。

三十七,他的证明在这里停下

费马方程对哪些素数次方无解?他的答案是一个与方程毫不相干的条件:这个素数不整除前面那些伯努利数的分子。

有了理想数,费马方程 x 的 λ 次方 + y 的 λ 次方 = z 的 λ 次方就可以在 λ 次单位根的数系里拆开来谈。拆开之后要用到两件事:理想数的类数不被 λ 整除,以及一条关于单位的性质。同一卷《克雷勒杂志》里,他先证明这两件事都可以归结为一个查得出来的条件,然后在第 130 页起那篇短文里把证明写完,标题长得几乎就是定理本身:凡是奇素数 λ 不整除前 ½(λ−3) 个伯努利数的分子,这个方程就没有整数解,连复整数解也没有。文末署着 1849 年 6 月 19 日,布雷斯劳。他随即动手查:λ = 5、7、11、13、17、19、23、29、31、41、43 都满足,所以这些次方全证完了;「对 λ = 37 则不满足」——B₃₂ 的分子是 7709321041217,正好等于 37 × 683 × 305065927。他写道:我目前对复数理论的了解,还没有给我办法去弄清 37 次方时方程到底有没有解。要注意他那时的伯努利数编号与今天不同:他写 B₁ = 1/6、B₂ = 1/30(1837 年那篇第 214 页也这么写),所以「前 ½(λ−3) 个」就是今天的 B₂ 到 B_(λ−3)。本件演示从 B₂ 一路算到 B₁₆₀,163 以内的素数逐个查:100 以内不正则的只有 37、59、67 三个。1915 年已经证明不正则的素数有无穷多个;正则的是不是也有无穷多个,至今没人证得出来。馆里伯努利数的来历在雅各布·伯努利那一页:那串常数本来是为了给幂和求公式的。

1850 年那篇的标题几乎就是定理本身:凡是不整除前 ½(λ−3) 个伯努利数分子的奇素数 λ,λ 次的费马方程都没有整数解。条件看上去与费马方程毫不相干,其实量的是 λ 次单位根那个数系里「理想数」有多少类——类数不被 λ 整除,他的证明就走得通。他在文末列出 5 到 43 之间满足条件的十一个素数,并写明 37 不满足:B₃₂ 的分子被 37 整除。现在选中的是 λ = 37它整除 B32 的分子。上面每一列都是现算的,从 B₂ 算到 B₁₆₀。

有几个 p,就进了几次位

C(A+B, A) 里有几个素因子 p?不必把它算出来:把 A 与 B 写成 p 进制相加,进了几次位就有几个。

这条定理今天挂着他的名字,可它在原文里连一个编号都没有。1852 年他在《克雷勒杂志》第 44 卷发表一篇讲高次互反律补充定理的长文,写到第 115 页,需要数一个和式里每一项——都是二项式系数——含有几个素因子 q,于是插进两页证明。他先引一条「即使不算人所共知、也容易证明」的定理:把 A 写成 q 进制 a + a₁q + a₂q² + …,那么 1·2·3·…·A 里含 q 的个数是 (A − (a + a₁ + a₂ + …))/(q − 1)——这一条今天通称勒让德公式。接着把 A、B 按位相加,逐位写成 a + b = εq + c、ε + a₁ + b₁ = ε₁q + c₁……,其中 ε、ε₁ 只能是 0 或 1,也就是进位;三个阶乘各用一次那条公式,一减,剩下的恰好是 N = ε + ε₁ + … + ε_(k−1)。这一步在那篇文章里只是为了往下算,他没有再回头看它。本件演示把它画在帕斯卡三角上:按 C(n, k) 含几个 p 给每一格着色,那些层层嵌套的镂空三角形,就是「做加法一次也不进位」的地方——p = 2 时,C(n, k) 是奇数恰好当 k 的二进制里每个 1 在 n 里也是 1。竖式与「把组合数精确算出来一次次除以 p」两条路并排,A、B 各取 0 到 199 的四万组本馆都核过,一组不差。帕斯卡三角本身在馆里贾宪、杨辉与帕斯卡三页。

C(A+B, A) 里有几个素因子 q,不必把它算出来:把 A 与 B 写成 q 进制相加,进了几次位,就有几个 q。现在 41 + 193 进制里进位 2 次,而把 C(60, 41) 精确算出来一次次除以 3,能除 2 次。库默尔 1852 年是在一篇讲互反律的长文中途、为了数一个和式里每一项含几个 q,顺手在两页里证完的。

只加十项,夹出十四位

1 + 1/2³ + 1/3³ + … 收敛得极慢。他只老老实实加了前十项,把剩下的无穷多项夹在两个界之间,得到十四位小数。

1834 年他还在利格尼茨的中学里,11 月 10 日写完了这篇《计算慢收敛级数数值和的一种新方法》,三年后刊出。办法是:找一个辅助函数 m_k,使 f(k) = m_k A_k / A_(k+1) − m_(k+1) 单调地趋于 1,那么第 k 项之后的全部尾巴,就一定夹在 m_k A_k 与 m_k A_k / f(k) 之间。m_k 取成一次式加一个有理分式,分式的系数照一组递推方程解出来,使 f(k) 的展开从 1/k 一直到很高次都抵消掉——分式越长,f(k) 离 1 越近,两个界就贴得越紧。他的第一个例子就是 1 + 1/2³ + 1/3³ + …,取 k = 10:前十项之和 1.19753 19856 74193 25,两界之间只差约 1.2 × 10 的 −14 次方,于是「只真正加了前十项,这个级数的真值就已准确到小数点后第十四位」;而照通常的办法一项项加,他说要加一千万项以上——本馆算过,一千万项之后的尾巴约 5 × 10 的 −15 次方,他说得不错。本馆拿分数把他印的每个数都复算了一遍:m₁₀、m₁₁、mA、前十项之和都对,唯独 f(10) 印作 1.00000 00000 0261,照他自己印的 m₁₀、m₁₁ 算是 …0262,末位差一,下一格 mA/f 就是照这个数除出来的;第二个例子里 f(10) 印作 1.0000000019,应作 1.0000000017,这一处差得多些,好在只让下界松了一点,他说「末位至多差两个单位」仍然成立。这个办法是怎么来的,他在开篇交代了:是从他此前刊在第 13 卷的那篇收敛判别法(今称库默尔判别法)里长出来的。

1 + 1/2³ + 1/3³ + … 收敛得极慢,第 k 项之后还剩约 1/(2k²)。1834 年还在利格尼茨的中学教书的库默尔,想出一个办法:只老老实实加前 k 项,其余无穷多项不去加,而是夹在两个算得出来的界之间。两界由一个辅助函数 m_k 定,m_k 里的有理分式取得越长(n 越大),两界贴得越紧。现在先加 10 项、n = 5:两界相差 10 的 −13.9 次方,ζ(3) 就在中间。他印的正是 k = 10、n = 5 那一档,十四位;右下是本馆拿分数逐位复算的对照,有一格末位差一。

换一个自变量,级数就换一副样子

同一个函数,在 x 处写成级数可能发散,换成 1/x 或 1 − x 却收得飞快。他把超几何级数所有这样的换法一次找齐了:24 个解,六种自变量。

1836 年那篇《论超几何级数》开篇就说明了自己要接着谁做:高斯 1812 年那篇只是「一篇更大的论文的第一部分」,并没有全部发表,缺的正是自变量 x 不同的超几何级数之间怎么比。他换了个角度:超几何级数是一条二阶线性微分方程的解,只要找出这条方程所有能写成「某个因子乘另一条超几何级数」的解,它们之间的关系就全出来了。他一共找到 24 个,按自变量分成六组——x、1 − x、1/x、1/(1 − x)、x/(x − 1)、(x − 1)/x。他在开篇交代过前人做到哪一步:欧拉早就找到过两种变换,此后普法夫、雅可比、古德曼各有推导;把 24 个解一次找齐、六种自变量全部连起来,是这一篇的事。这件事的实际用处他写得很直白(第 61 页):x 大于 ½ 时,把级数换成两条自变量为 1 − x 的,就小于 ½ 了,「这一变换对数值计算极为有利」,最不利时每一项也不到前一项的一半。第 60 页他举的例子是反正切:z 大于 1 时,arctan z 的级数 z − z³/3 + z⁵/5 − … 发散,而他的 (27) 式把它写成 π/2 减去一条自变量为 −1/z² 的级数,恰好收敛。本件演示左边把这件事画在整个复平面上:每一点都按六个自变量里模最小的那个着色,几乎处处挑得到一个很小的,只有 e 的 ±iπ/3 次方两点六个的模全是 1;右边把他那个反正切的例子逐项算了出来。二十年后黎曼换了一种眼光重看这条方程——不看级数,只看它绕奇点转一圈解怎么变——那是另一段故事了。

高斯 1812 年那篇只讲了自变量 x 固定时的超几何级数。库默尔 1836 年接着问:同一个函数,换一个自变量写,会不会好算得多?他找出了那条二阶方程的 24 个解,分成六组,自变量是 x、1−x、1/x、1/(1−x)、x/(x−1)、(x−1)/x。左图说的就是这件事的好处:复平面上几乎处处都挑得到一个模很小的,只有 e^(±iπ/3) 两点六个全是 1。右边是他自己举的例子——arctan 的级数 z > 1 就发散,换成 −1/z² 立刻收敛:现在 z = 1.5直接加是发散的他的 (27) 式要 30 项

一封寄到巴黎的信

1847 年春天,巴黎科学院正为一份费马定理的证明争论。一封从布雷斯劳寄来的信告诉他们:那份证明要用的唯一分解,一般并不成立。

1847 年春天,拉梅在巴黎科学院宣读了一份费马大定理的证明:把 x 的 n 次方 + y 的 n 次方拆成 n 个一次因子的乘积,再像处理整数那样往下推。刘维尔随即指出了要害——这一步要用到「复整数分解成素因子只有一种方式」,而这一点没人证过。那年 4 月 28 日,库默尔从布雷斯劳写信给刘维尔,信刊在同年刘维尔主编的《纯粹与应用数学杂志》第 12 卷第 136 页。他说,经他的朋友狄利克雷鼓励,寄上几份他三年前为柯尼斯堡大学三百年校庆写的论文,外加他的「朋友和学生」克罗内克的一篇;至于那条您很正确地为之惋惜的命题,「我可以向您保证,对这种形式的复数它一般并不成立,但只要引入一种新的复数,就可以把它救回来,我把它叫作理想复数」;结果 1846 年 3 月已经报告给柏林科学院,更详细的论文不久会在克雷勒的杂志上出来。信末一句最有分量:他已经把方程无解归结到素数 n 的两条性质,「剩下的只是去查它们是不是对所有素数都成立」——这就是两年后那条正则素数的定理。刘维尔在信后加了一段按语,说那篇拉丁文论文在法国似乎还没人知道,下一期全文刊出;又说各位作者之间异同如何、谁在哪一项发现上占先,「不由我们来判定,时间会给每件事以它的位置」。而他三年前那一口叹气,1847 年那篇里他自己引了出来:「最可惋惜的似乎是,实数能分解成素因子、而同一个数的素因子永远相同的这一长处,复数并不具备。」

故事展签故事展签:一封从布雷斯劳寄到巴黎的信,和一份差一步的费马定理证明。

传承

他的工作没有留在十八世纪——每条链的终点,都是你今天正在使用的东西。

1846:分圆整数里分解不唯一,他给不在场的素因子一道同余检验戴德金 1871 年把它改写成理想,整个二十世纪的代数从此以「集合本身就是对象」为写法今天的后量子密码在分圆环上做加密,快速乘法就是把环按模 q 的单位根拆开再乘
1850:素数次的费马方程,只要这个素数正则就无解,判据是伯努利数的分子类数与 ζ 函数在负整数处的值连成一条线,岩泽理论与怀尔斯那一代的工具都从这里接过去今天已用计算机把二十亿以内的素数逐个判过正则与否,靠的是快速算伯努利数的算法
1852:组合数里素数 p 的次数,等于 p 进制加法的进位次数帕斯卡三角模 p 的分形图案、判断组合数奇偶的位运算,都从这一条读得出来程序竞赛与密码学里模素数的组合计数,常用的算法就是把数按 p 进制拆开来算
1834:只加十项,把其余无穷多项夹在两个界之间级数加速从此成了一门手艺,理查森外推、艾特肯加速一路传下来数学软件里算 ζ 函数与各种特殊函数时的数值逼近,收尾用的都是这一类办法
1836:超几何方程的 24 个解,自变量在六种之间换黎曼 1857 年改看解绕奇点转一圈怎么变,特殊函数有了统一的骨架量子力学里氢原子的径向波函数是合流超几何函数,今天通称库默尔函数

他在哪几条专题里

专题是按技术组织的演进线,一条从概念提出拉到今天的器物。这里一个字都没手写, 全是 tracks.ts 推出来的。

语录

最可惋惜的似乎是:实数能分解成素因子、而同一个数的素因子永远相同的这一长处,复数并不具备;倘若具备,这整套还困难重重的学说便可轻易完成。

—— 1844 年为柯尼斯堡大学三百年校庆写的布雷斯劳大学纪念论文(拉丁文),第 18 页;他自己在 1847 年《克雷勒杂志》第 35 卷第 323 页原文引出,并说理想数把这一叹息消解了

我可以向您保证,对这种形式的复数它一般并不成立,但只要引入一种新的复数,就可以把它救回来,我把它叫作理想复数。

—— 1847 年 4 月 28 日自布雷斯劳致刘维尔的信,《纯粹与应用数学杂志》第 12 卷(1847)第 136 页

我目前对复数理论的了解,还没有给我办法去弄清,对 λ = 37 以及其余不满足这一条件的素数,费马方程到底可解还是不可解。

—— 《费马定理的一般证明……》,《克雷勒杂志》第 40 卷(1850)第 138 页,文末署 1849 年 6 月 19 日

只真正加了前十项,这个级数的真值就已准确到小数点后第十四位;而照通常的办法求和,要达到同样的精度,得加一千万项以上。

—— 《计算慢收敛级数数值和的一种新方法》,《克雷勒杂志》第 16 卷(1837)第 211 页,大意