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abc 猜想

《数论中的 50 个公开问题》 · 问题 18 专题综述

题面对互素正整数 a+b=c,c 被「根积」rad(abc) 的任意大于 1 次幂支配(对每个 ε>0 只有有限多个例外)。

本页为 VIP 专阅综述:主要概念的详细介绍与主要命题的细致证明,全文见下方专阅区。

问题

对互素正整数 a+b = c,定义根积 rad(abc) = ∏p|abc p(出现的素数各计一次)。abc 猜想(Oesterlé–Masser,1985):对每个 ε > 0,只有有限多个互素三元组使

c > rad(abc)1+ε.

比值 log c/log rad(abc) 称为三元组的质量(quality)。已知最高质量约 1.63(命题 2 给出演算);猜想断言质量超过 1+ε 的三元组只有有限多个——乘法复杂度(根积)最终支配加法复杂度(和)。

主要概念

根积与质量

rad 把整数的「乘法基因」剥到只剩不同素因子的骨架:rad(2⁶·3⁵) = 6。三元组 a+b = c 的三方互素意味着素因子各不重复,rad(abc) 恰是三方全部素因子的乘积。质量接近 1 是「常态」;质量 > 1.4 的已知例子只有几十个。abc 的哲学:加法关系中不能隐藏太深的幂结构。

为何是「已经解决一半的数论」

abc 蕴含费马大定理的渐近加强(命题 1)、Mordell 方程的有效化、Pillai 问题、Erdős–Woods 猜想的等价形式等一大批结果。它等价于斯皮罗猜想(问题 19)的半稳定形式,是算术几何「Diophantine 不等式」纲领的中枢。

主要命题与证明

命题 1(完整证明) abc 猜想蕴含:对每个指数 n ≥ 4,方程 An+Bn = Cn 没有任何两两互素的正整数解——不只是有限个,而是一个都没有(费马大定理的直接强化,且只用了 abc 的 ε-形式)。

证明 设 (A, B, C) 两两互素且 An+Bn = Cn,n ≥ 4。对三元组 (a, b, c) = (An, Bn, Cn) 应用 abc:取 ε = (n−3)/6 > 0。三方互素保证 abc 的前提成立。计算根积:rad(AnBnCn) = rad(ABC) ≤ ABC(根积不超过原数)。又 A < C、B < C(正数幂不等式),故 ABC < C³。于是

Cn = c ≤ rad(abc)1+ε ≤ (ABC)1+ε < C3(1+ε) = C3+(n−3)/2 = C(n+3)/2.

核对指数:3(1+ε) = 3+(n−3)/2 = (n+3)/2,而 n ≥ 4 时 (n+3)/2 < n。于是不等式给出 Cn < C(n+3)/2,其中指数左边更大——与 C ≥ 2 矛盾(幂函数对底数 ≥ 2 严格递增)。故这样的解根本不存在;引理得证。注意 n = 3 时 (n+3)/2 = 3,论证失效——abc 对指数 3 的费马方程确实无话可说。□

命题 2(已知最高质量三元组;完整演算) 三元组 (2, 3¹⁰·109, 23⁵):2 + 59049·109 = 23⁵,质量约 1.6299。

演算 3¹⁰ = 59049;59049×109 = 59049×100+59049×9 = 5904900+531441 = 6436341;加 2 得 6436343。验 23⁵:23² = 529,23³ = 12167,23⁴ = 279841,23⁵ = 279841×23 = 6436343 ✓。互素:三方素因子 2、3、109、23 分属不同成员,两两互素成立。rad = 2·3·109·23 = 15042。质量 = log 6436343 / log 15042 ≈ 15.677/9.618 ≈ 1.630。按 abc,质量 > 1+ε 的例子只有有限多——目前所有已知例子质量 < 1.64,与「1+ε 上界」相容但留给猜想的余量极薄:若存在质量趋于 2 的无穷三元组列,abc 直接崩溃。□

命题 3(等价形式与现状) abc 等价于 Szpiro 猜想的半稳定形式(问题 19),也等价于 Granville–Tucker 的「ε-根积形式」。望月新一(2012)宣布的 Inter-universal Teichmüller 理论声称证明 abc,但经 Scholze–Stix 等指出的关键引理(系 3.12)争议至今未决,数学界未普遍接受。

说明 争议焦点:IUT 把数域的算术「解体」到胝系数环上重编,其中系 3.12 的不等式是否成立取决于两种「体积」能否比较——Scholze–Stix 认为该步在现有写法下不成立,IUT 方认为批评者未接受理论内部约定。无论结局如何,abc 的工具化后果(命题 1 型推论)都保持独立价值。□

进展与文献

Oesterlé–Masser 的原始表述(1985);高质量三元组的系统搜索见 Bart de Smit 的 abc 三元组表;IUT:Mochizuki, PRIMS 专号 (2021) 及 Scholze–Stix 的批评意见(Why abc is still a conjecture, 2018)。

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