59,2K подписчиков

7 математических задач, за решение которых Институт Клэя заплатит 1 млн. долларов

12K прочитали

Приветствую Вас, уважаемые Читатели! В математике до сих пор огромное количество нерешенных задач. Многие из них не решаются уже десятки и сотни лет, а некоторые даже на обозримом горизонте еще очень далеки от разгадки. В 2000 году Математический институт Клэя определил "7 задач тысячелетия", за каждую из которых обещана премия в 1 млн. долларов. Разберемся же, что это за задачи. Поехали!

Задача № 1. Гипотеза Пуанкаре

Начнем с единственной задачи, которая на данный момент решена нашим соотечественником Григорием Перельманом в 2002 году, отказавшимся, кстати, от вознаграждения из-за своих нонконформистских взглядов и убеждений.

Всякое замкнутое n-мерное многообразие гомотопически эквивалентно n-мерной сфере тогда и только тогда, когда оно гомеоморфно ей
Источник: https://i0.wp.com/modcos.com/images/articles/oleg/2011/05/30_10.jpg
Источник: https://i0.wp.com/modcos.com/images/articles/oleg/2011/05/30_10.jpg

Доказательство гипотезы привело к важным выводам об устройстве окружающего нас пространства: благодаря ее доказательству, мы можем утверждать, что нашу трехмерную Вселенную можно свернуть в точку, что, в свою очередь, косвенно подтверждает теорию Большого взрыва.

Задача № 2. Равенство классов P и NP

Основная проблема теории алгоритмов, изучающей в т.ч. вычислительную сложность задач. Класс задач сложности P - это задачи, для которых мы знаем алгоритм, работающий "быстро" (за полиномиальное время). Пример такой задачи - это сложение двух чисел, сортировка элементов множества и т.д.

Класс задач сложности NP - это задачи, для которых мы можем только "быстро" проверить, но неизвестен алгоритм, с помощью которого мы можем так же "быстро" решить её. Пример такой задачи - это разложение числа на простые множители.

Источник: https://steemitimages.com/DQma1pGupm1Y8Tztoqpnt1Hp7kKrNKBigUayvoMudLJymfF/Pvsnp.png
Источник: https://steemitimages.com/DQma1pGupm1Y8Tztoqpnt1Hp7kKrNKBigUayvoMudLJymfF/Pvsnp.png
Например, для числа 385723674 мы можем "быстро" проверить, есть ли в его разложении простое число 1249, однако можем ли мы создать способ, который "настолько же алгоритмически быстро" вычислит разложение этого числа, равное 2 ∙ 3^3 ∙ 7 ∙ 19 ∙ 43 ∙ 1249 ? "Настолько же алгоритмически быстро" - значит в той же самой зависимости по времени от исходных данных.

Положительное решение задачи равенства классов P и NP приведет к тому, что современные методы шифрования, основанные на разложении на простые множители, могут потерять актуальность, потому что у каждого будет такой же быстрый алгоритм дешифровки. Однако, современные ученые склоняются к тому, что классы сложности задач не равны.

Задача № 3. Гипотеза Ходжа

Одна из самых важных задач алгебраической геометрии, изучающей геометрические объекты, задаваемые алгебраическими уравнениями, пользуясь методами которой, Эндрю Уайлз доказал теорему Ферма.

Источник: https://print-prime.ru/uploads/posts/2018-01/shest-zadach-za-reshenie-kotoryh-zaplatyat-million-dollarov-internet-i-svyaz_8.png
Источник: https://print-prime.ru/uploads/posts/2018-01/shest-zadach-za-reshenie-kotoryh-zaplatyat-million-dollarov-internet-i-svyaz_8.png
Гипотеза утверждает, что "для проективных алгебраических многообразий класс Ходжа представляет собой рациональную линейную комбинацию классов алгебраических циклов".

Ключевое понятие алгебраической геометрии - это инвариант. Давайте предположим, что есть два объекта, равенство которых нужно показать. Как это сделать ? Например, можно установить некоторые свойства этих объектов, и, если они не окажутся одинаковыми, сделать вывод о различии объектов. Эти свойства и есть инварианты.

Например, как проверить, что два текста одинаковы ? Если размер текстов не совпадает, то и сравнивать нечего, но если он совпадает, то значит ли, что тексты и впрямь одинаковые? Конечно, в общем случае, нет. В этом и состоит гипотеза Ходжа простыми словами: "существует ли набор инвариантов для заданного сложного геометрического объекта, по которому можно комплексно судить о его свойствах и равенству другим объектам"?

Задача № 4 Гипотеза Бёрча-Свиннертон-Дайера

Еще одна задача из алгебраической геометрии. Посвящена она свойствам эллиптических кривых - одного из краеугольных камней криптографии с открытым ключом. Эллиптическая кривая в общем случае задается таким уравнением:

Разные  коэффициенты генерируют разные кривыее
Разные коэффициенты генерируют разные кривыее

Эллиптические уравнения разделены на 3 общих класса: они не имеют, имеют конечное или бесконечное множество решений. Математиков же среди этого многообразия интересует рациональность решений, т.е. рациональность пар (x,y).

Пример нахождения рациональных точек на эллиптической кривой. Источник: https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/6e3/d55/f53/6e3d55f53be3a9ef8a1468f4ef04b30d.jpg
Пример нахождения рациональных точек на эллиптической кривой. Источник: https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/6e3/d55/f53/6e3d55f53be3a9ef8a1468f4ef04b30d.jpg

В 1922 году Луис Морделл доказал, что для любой эллиптической кривой можно сгенерировать все рациональные пары (x,y), начав с небольшого их числа, например, 1 или 2. Количество точек в таком начальном наборе называется рангом эллиптической кривой. Если ранг равен 1, то весь бесконечный набор рациональных пар (x,y) можно сгенерировать из одной. Максимальный известный ранг на данный момент - 19.

Гипотеза Бёрча-Свиннертон-Дайера предполагает, что существует общая формула для вычисления ранга эллиптических кривых.

Кстати, многие математики склоняются к тому, что подтвердить гипотезу в общем случае невозможно. К тому же, эта гипотеза очень сильно завязана на справедливость гипотезы Римана, так же входящей в список "задач тысячелетия".

Остальные три задачи рассмотрим позже! Не думал, что материал так разрастется! Читайте про не менее важную математическую задачу - формулу идеального сэндвича!

ССЫЛКА НА ДЗЕН-КАНАЛ и TELEGRAM.

Путеводитель по каналу "Математика не для всех"