引言

博客更新辣!一看上次更新,还是在四个月前.除了爽玩之外,也还是参加了中科院的暑校学习了一些丢番图问题的知识.于是终于打算开始学习Tim Browning的这本Quantitative Arithmetic of Projective Varieties[1]{[1]}.

在看这本书之前,还没有意识到这些数论问题和几何之间的联系原来有这么深,因此很值得记录一下,免得一段时间下来进度为负然后被薄纱.

此处先记录该书的第一章内容,以及本章后的习题(都还蛮简单的).由于第一章其实是Intro性质的,涉及到了很多开放性的问题,但成书又是在2006年左右,因此我也简单收集了一下这些问题的最新进展,或许这些进展又能反过来带来新的想法,而这就在后面的某段时间可以看看了.

再补充说明一下,与筛法读书笔记基本翻译原文的风格不同,我尽量以极简风格来记录这些内容.话说到此处打住,接下来要狠狠启动了!😎

高度有界的整点的分布

Birch定理

假设fZ[x1,,xn]f \in \mathbb{Z}[x_1, \cdots, x_n]是一个nndd次的整系数形式,记它的非零整点集为

Sf{x=(x1,,xn)Zn{0}:f(x)=0},S_f \coloneqq \{ \mathbf{x} = (x_1, \cdots, x_n) \in \mathbb{Z}^n \setminus \{ 0 \} : f(\mathbf{x}) = 0 \},

但是我们更关心的是SfS_f中高度有界的有理点,也就是

N(f;B):=#{xSf:xB},(1)N(f;B) := \#\{ x \in S_f : \| x \| \le B \}, \quad(1)

其中\|\cdot\|是无穷范数,更具体而言就是

:RnRxmax1inxi.\begin{split} \|\cdot\| : \mathbb{R}^n & \to \mathbb{R} \\ \mathbf{x} & \mapsto \max_{1\le i \le n} |x_i|. \end{split}

而对于N(f;B)N(f;B)的估计,有以下定理:

Thm 1(Birch; P4):

\quad Suppose fZ[x1,,xn]f \in \mathbb{Z}[x_1, \cdots, x_n] is a non-singular homogeneous polynomial of degree dd in n>(d1)2dn > (d-1)2^d variables. Assume that f(x)=0f(\mathbf{x})=0 has non-trivial solutions in R\mathbb{R} and each pp-adic field Qp\mathbb{Q}_p. Then there is a constant cf>0c_f>0 such that

N(f;B)cfBnd,(2)N(f;B) \sim c_f B^{n-d}, \quad (2)

\quad as B.B \to \infty.

其中围绕"f(x)=0f(\mathbf{x})=0 has non-trivial solutions in R\mathbb{R} and each pp-adic field Qp\mathbb{Q}_p",n>(d1)2dn > (d-1)2^d和non-singular这些条件能很容易得构造出几个反例.在后面我将简单补充一些目前对于Birch定理的一些改进,感觉也是一大块很值得深挖的内容.

一些简单的反例

下面的例子1将说明在Q\mathbb{Q}的局部域中有非零解的重要性.

例1

\quadnn2d2d次形式

f0:=x12d++xn2d,f_0 := x_1^2d + \cdots + x_n^{2d},

\quad 显然Sf0=S_{f_0} = \emptyset,因此不满足(2)(2).

KK是一个dd次数域,ω1,,ωd\omega_1, \cdots, \omega_d是其代数整数环OK\mathcal{O}_K的一组整基,记

N(y1,,yd):=NK/Q(y1ω1++ydωd),\mathbf{N}(y_1,\cdots,y_d) := N_{K/\mathbb{Q}}(y_1\omega_1 + \cdots + y_d\omega_d),

可知N(y1,,yd)\mathbf{N}(y_1, \cdots, y_d)是一个dd次整系数的范形式(norm form).而对于这样子的norm form,也有很多有意思的东西值得研究,比如Tim Browning的这篇论文[2]{[2]}.

例2

\quadd2d^2dd次形式

f1:=N(x1,,xd)+pN(xd+1,,x2d)++pd1N(xd2d+1,,xd2),f_1 := \mathbf{N}(x_1, \cdots, x_d) + p\mathbf{N}(x_{d+1}, \cdots, x_{2d}) + \cdots + p^{d-1}\mathbf{N}(x_{d^2-d+1}, \cdots, x_{d^2}),

\quadf1(x=0)f_1(\mathbf{x}=0)当且仅当x=0\mathbf{x}=\mathbf{0},从而Sf1=S_{f_1} = \emptyset,因此不满足(2).

解答:

\quad 假设存在x=(x1,,xd2)Zd2\mathbf{x} = (x_1, \cdots, x_{d^2}) \in \mathbb{Z}^{d^2}使得f1(x)=0f_1(\mathbf{x}) = 0,且gcd(x1,.xd2)=1\gcd(x_1, \cdots. x_{d^2}) = 1.

\quad 于是在mod p\text{mod }p的意义下,得到有

N(x1,,xd)0(modp),\mathbf{N}(x_1, \cdots, x_d) \equiv 0 \pmod{p},

\quad 由于pN(y)p \mid \mathbf{N}(\mathbf{y})当且仅当pyp \mid \mathbf{y}(这个是练习1的结论),于是

pgcd(x1,,xd).p \mid \gcd(x_1, \cdots, x_d).

\quad 从而再设

(x1,,xd)=p(x1,,xd).(x_1, \cdots, x_d) = p(x_1', \cdots, x_d').

\quad 于是在mod p2\text{mod }p^2的意义下,最终得到有

pgcd(xd+1,,x2d).p \mid \gcd(x_{d+1}, \cdots, x_{2d}).

\quad 以此类推便可以得到p(x1,,xd2)p \mid (x_1, \cdots, x_{d^2}),与假设矛盾,因此不存在非零整解.\square

例子2貌似仍然是在说定理1成立的必要条件是在pp-adic域中有非零解,但是再细看f1f_1的构造,可以知道的是,如果变量数不够大的话,我们便可能构造出一个ff使得其没有非平凡解,更详细地可以见[3]{[3]}.因此在定理中,条件n>(d1)2dn > (d-1)2^d是重要的,但是仍然是可以优化的.

接下来的两个SfS_f \neq \emptyset的例子将说明non-singular的重要性,同样地,其也可以适当地得到改进.打头的是一个很简单的例子:

例3

\quadnndd次形式

f2:=x1dx2(x3d1++xnd1).f_2 := x_1^d - x_2(x_3^{d-1} + \cdots + x_n^{d-1}).

\quad 由于f2(0,0,a3,,an)=0f_2(0,0,a_3,\cdots,a_n) = 0,从而#SfBn2\#S_f \gg B^{n-2}与(2)并不符合.

利用例子2中的f1f_1我们还可以构造出以下这个简单但又不太简单的例子:

例4

\quadn>d2n > d^2时,可选择任意d2d^2Q\mathbb{Q}线性无关的线性形式L1,,Ld2Z[x1,,xn]L_1, \cdots, L_{d^2} \in \mathbb{Z}[x_1, \cdots, x_n].

\quadnndd次形式

f3:=f1(L1(x1,,xn),,Ld2(x1,,xn)),f_3 := f_1(L_1(x_1, \cdots, x_n), \cdots, L_{d^2}(x_1, \cdots, x_n)),

\quad 于是#Sf+1=#{xZn:L1(x)==Ld2(x)=0}Bnd2\#S_f + 1 = \#\{ \mathbf{x} \in \mathbb{Z}^n : L_1(\mathbf{x}) = \cdots = L_{d^2}(\mathbf{x}) = 0 \} \asymp B^{n-d^2},显然也是与(2)不符合的.

而上面的这两个例子都是由于其有着large singular locus所导致的,因此non-singular并能很好的排除这一点.

本原整点的计数

但我们更关心的其实是projective rational points的分布.记VV是一个Pn1\mathbb{P}^{n-1}中的projective variety,对于Pn1\mathbb{P}^{n-1}中的有理点x=[x]x = [\mathbf{x}],我们选取这样的一个代表元(x1,,xn)Zn(x_1, \cdots, x_n) \in \mathbb{Z}^n,且gcd(x1,,xn)=1\gcd(x_1, \cdots, x_n) = 1,定义

H(x):=max1inx,H(x) := \max_{1 \le i \le n} | x |,

给定一个locally closed subsetUVU \subseteq V,定义

NU(B):=#{xU(Q):H(x)B}.(3)N_U(B) := \#\{ x \in U(\mathbb{Q}) : H(x) \le B \}. \quad (3)

在后文中也是基本都是在考虑计数函数NU(B)N_U(B),比如很重要的Manin猜想,便是猜测对于很多情况的projective variety VV,可以选取出一个恰当的闭子集UU,使得有这样的一个渐近估计式成立

NU(B)cBa(logB)b,(4)N_U(B) \sim cB^{a}(\log B)^b, \quad (4)

事实上,根据目录来看,整本书基本上就是在围绕这个猜想展开的.

在这里,我们先简单记录一下NV(B)N_V(B)N(f;B)N(f;B)之间的关系,而这个联系就是——容斥原理.因此利用Mobius函数μ\mu,我们可以很容易地得到有

NV(B)=12k=1μ(k)N(f;k1B).(5)N_V(B) = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{\infty} \mu(k) N(f; k^{-1}B). \quad (5)

利用(5),我们就很容易可以得到

Thm 2:

\quad Let n2n \ge 2 and let H:Pn1(Q)R>0H: \mathbb{P}^{n-1}(\mathbb{Q}) \to \mathbb{R}_{>0} be the height function metrized by the choice of norm z=max1inzi|z| = \max_{1 \le i \le n}|z_i|. Then we have

NPn1(B)=2n1ζ(n)Bn+On(Bn1(logB)bn),N_{\mathbb{P}^{n-1}}(B) = \frac{2^{n-1}}{\zeta(n)}B^n + O_n(B^{n-1}(\log B)^{b_n}),

\quad where

bn:={1,if n=2,0,if n>2.b_n := \left\{\begin{matrix} 1, & \text{if } n = 2, \\ 0, & \text{if } n > 2. \end{matrix}\right.

如果再结合Thm 1,我们还能得到

NV(B)cfBnd,N_V(B) \sim \overline{c}_f B^{n-d},

cfc_f仍然是Thm 1中的常系数,则

cf=12ζ(nd)1cf.\overline{c}_f = \frac{1}{2} \zeta(n-d)^{-1} c_f.

而这个的证明将在练习2中稍微写一点,事实上和Thm 2的证明是完全一样的,因此上面也就没有给出Thm 2的证明了.

Birch定理的推广

Birch定理,也就是Thm 1的证明用到了Hardy-Littlewood圆法,争取早点能了解一下圆法的基本形式嗷.而该定理是Birch在1961年给出的,在这么长一段时间里,也是得到了进一步的推广,下面稍微记录一些,或许之后细看论文时能get到一些新的角度.

在局部域有非平凡解的条件几乎是不可质疑的,或许也有一般的结论可以将无平凡解的情况也包含进去,此处我也没有再去深挖了.

但是"n>(d1)2dn > (d-1)2^d"的这个条件倒是得到了相当大的改进.对于三次型,也就是d=3d=3时,Heath-Brown[4]{[4]}(太权威了!)在1983年证明了n10n \ge 10便有(2)成立,但是仍然还有着未解决的猜想:

猜想1:

\quad 对于nndd次形式ff,当d=3d=3时,只要n7n \ge 7,便有(2)成立.

而对于一般的dd的讨论,其又与Vinogradov’s Mean Value Theorem有着深刻的联系(这个到后面章节再说),总之貌似只需要nCd2n \ge C\cdot d^2便能有(2)成立.

而对于non-singular条件的放弱,也由W. M. Schmidt[5][6]{[5][6]}(看来真得学学才行了)给出了突破性的进展,他证明了只要singular locus的维数不要太大,那么仍然有(2)的结论成立.

除此之外,还可以将Thm 1推广至方程组以及非齐次方程的情况,其中后者更加复杂一些,我这里还是先聚焦于单个齐次方程的处理,因此这部分就没有记录更多内容.

丢番图几何与解析数论的交叉

在2.4节,我们发现Birch定理的推广可能与一些解析数论问题有关,但事实上,也有很多解析数论问题也可以用丢番图几何的角度去分析.本章除了是Browning书上给出的情况之外,仍然是收集了目前已有的一些进展与突破.

Paucity Results

仿照Fermat猜想的形式,Euler曾猜想

x1k++xk1k=xkkx_1^k + \cdots + x_{k-1}^k = x_k^k

没有非平凡解.当k=3k=3时,其就是Fermat猜想的一个特例,并且正是Euler给出了这种情况下的证明.但是!由于计算机的发展,Elkies发现了k=4k=4时的无穷多组反例,Lander和Parkin发现了k=5k=5时的最小反例.

对于Euler猜想进行一些修正,便有这样的一个仍然开放的猜想:

猜想2(Lander-Parkin-Selfridfe猜想):

\quad 如果有

i=1nxik=j=1myjk,\sum_{i = 1}^n x_i^k = \sum_{j = 1}^m y_j^k,

\quad 那么有

n+mk.n+m \ge k.

这里再考虑LPS猜想的一个特例,也就是考虑

x1d+x2d=x3d+x4d(6)x_1^d + x_2^d = x_3^d + x_4^d \quad (6)

的非平凡解数,有猜想:

猜想3:

\quadd5d \ge 5时,(6)没有非平凡解.

假设(6)中x1d+x2d=x3d+x4d=nxx_1^d + x_2^d = x_3^d + x_4^d = n \le x的解数为νd(x)\nu_d(x),我们想要证明的是对于任意d5d \ge 5和任意的x>0x > 0,(6)只有平凡解.但事实上这很困难,我们只能估计得到νd(x)\nu_d(x)的上界,比如一个平凡的上界x2/d+εx^{2/d+\varepsilon}.而Salberger[7]{[7]}则得到有:

νd(x)d,εx3d32+ε.\nu_d(x) \ll_{d,\varepsilon} x^{3d^{-\frac{3}{2}} + \varepsilon}.

并且貌似这个结果已经是非常好的一个结果了.在2020年,Castryck,Cluckers,Dittmann,Nguyen去掉了Salberger结果中的BεB^\varepsilon项.

Waring’s Problem

而Waring问题也能与丢番图几何联系起来.这里有两个略有不同的概念:对于任意正整数,其都可以表示为至多g(k)g(k)kk次幂的和;对于充分大的正整数,其都可以表示为至多G(k)G(k)kk次幂的和.Hilbert证明了对于任意kk而言g(k)g(k)的存在性,但是g(k)g(k)G(k)G(k)的准确值难度差别还是很大的.

例如我们已经可知的是g(2)=G(2)=4g(2)=G(2)=4,而这也对应于Lagrange四平方和定理,以及g(4)=19g(4)=19,而G(4)=16G(4)=16.而当k=3k=3时便有所不同了,Wirferich和Dickson证明了g(3)=9g(3) = 9,然而G(3)G(3)却仍未确定下来,其取值范围为4G(3)74 \le G(3) \le 7,而普遍猜想G(3)G(3)就是44.

目前对于G(k)G(k)最好的上界仍然是

G(k)k(logk+loglogB+Ok(1)),G(k) \le k(\log k + \log\log B + O_k(1)),

而这也与Vinogradov’s Mean Value Theorem有着很紧密的联系.此外通过一个很简单的讨论(练习1.4)可以知道的是

g(k)2k+[(32)k]2,g(k) \ge 2^k + \left[ \left( \frac{3}{2} \right)^{k} \right] - 2,

可以看到g(k)g(k)G(k)G(k)的估计式的差别还是特别大.那么Waring问题和丢番图问题又有什么联系呢?

在处理Waring问题的过程中,要利用到圆法来处理

x1k++xsk=xs+1k++x2sk.x_1^k + \cdots + x_s^k = x_{s+1}^k + \cdots + x_{2s}^k.

但如果承认Manin猜想,便可以得到上式在0x1,,x2sB0 \le x_1, \cdots, x_{2s} \le B时有Ok,s,ε(B2sk+ε)O_{k,s,\varepsilon}(B^{2s-k+\varepsilon})数量的非负整数解,于是便可以得到G(k)G(k)的一个极强的估计式

G(k)max{2k+1,Γ0(k)},G(k) \le \max\{ 2k+1, \Gamma_0(k) \},

其中Γ0(k)\Gamma_0(k)是使得x1k++xsk=nx_1^k + \cdots + x_s^k = nQps\mathbb{Q}_p^s中有非平凡解的最小的ss,也就是确保上式的局部可解性.

Vinogradov’s Mean Value Theorem

在前面的内容中就有几处已经和这个定理已经扯上了关系,该定理的作用在指数和求和中也发挥了重要的作用,而且这也是Intro部分介绍的问题中有重大突破的一个定理,因此后面应该要仔细研究研究才行.

考虑由如下的一组方程定义的projective variety Vk,sP2s1V_{k,s} \subset \mathbb{P}^{2s-1}:

x1j++xsj=xs+1j++x2sj, (1jk).(7)x_1^j + \cdots + x_s^j = x_{s+1}^j + \cdots + x_{2s}^j,\ (1 \le j \le k).\quad (7)

再记其在0x1,,x2sB0 \le x_1, \cdots, x_{2s} \le B时的非负整数解的数量为Nk,s(B)N_{k,s}(B).

容易知道的是(7)有以下这些平凡解

{x1,,xs}={xs+1,,x2s},\{x_1, \cdots, x_s\} = \{ x_{s+1}, \cdots, x_{2s} \},

因此显然有Nk,s(B)BsN_{k,s}(B) \gg B^s,但是还不够,我们还需要再考虑其非平凡解数量的影响.

H:={hZk:hjBj,j=1,,k}\mathcal{H} := \{ \mathbf{h} \in \mathbb{Z}^k : |h_j| \ll B^{j}, j=1,\cdots,k \},以及

Uh(k,s):={xZ2s:0x1,,x2sB,i=1s(xjkxs+jk)=hj,j=1,,k}.\mathcal{U}_{\mathbf{h}}(k,s) := \{ \mathbf{x} \in \mathbb{Z}^{2s} : 0 \le x1, \cdots, x_{2s} \le B, \sum_{i=1}^{s} (x_j^k - x_{s+j}^k) = h_j, j = 1, \cdots, k \}.

于是有下面的估计[8,eq7.4]{[8, eq 7.4]}(应该不是很平凡,要利用到很多指数和的知识):

B2shH#Uh(k,s)hHNk,s(B)Bk(k+1)2Nk,s(B),B^{2s} \ll \sum_{\mathbf{h}\in\mathcal{H}}\#\mathcal{U}_{\mathbf{h}}(k,s) \ll \sum_{\mathbf{h}\in\mathcal{H}}N_{k,s}(B) \ll B^{\frac{k(k+1)}{2}}N_{k,s}(B),

因此我们最终得到了如下的估计式:

Nk,s(B)BsB2sk(k+1)2.(8)N_{k,s}(B) \gg B^s + B^{2s-\frac{k(k+1)}{2}}. \quad (8)

而长期的一个Main Conjecture,但是现在已经得到证明,其表述如下:

Thm 3(Vinogradov’s Mean Value Theorem):

\quad 对于任意的ε>0\varepsilon > 0,有

Nk,s(B)BsB2sk(k+1)2+ε.(9)N_{k,s}(B) \ll B^s + B^{2s-\frac{k(k+1)}{2} + \varepsilon}. \quad (9)

结合(8)和(9)来看,这也就是在说Nk,s(B)N_{k,s}(B)的上下界是很窄的,也就是说上面的估计式是非常准确的.而这个定理的证明有着两种方法,一种是Bourgain,Demeter和Guth[9]{[9]}在2016年给出的,另一种是Wooley[10]{[10]}在2019年给出的,或许这两种方法我后面都可以值得看一看.

总之,无论从什么方面来看,这个定理以及其相关的内容应该是很值得学习的一块了,加入我的必看清单(虽然我并没有必看清单,也不知道什么时候开始看).

Small Solutions

现在令n3n \ge 3,fZ[x1,,xn]f \in \mathbb{Z}[x_1, \cdots, x_n]是一个d2d \ge 2次形式,且其范数f\|f\|取作ff系数绝对值的最大值.这一节的内容将聚焦于,当SfS_f \neq \emptyset时的最小正整数解的性质,更具体地,定义Λn(f)\Lambda_n(f)为最小的一个正整数λ\lambda,使得存在xSf\mathbf{x}\in S_f,有x=max1inxiλ|\mathbf{x}| = \max_{1\le i\le n} |x_i| \le \lambda.

d=2d=2,取f=Qf=Q是一个不定二次型,Cassels[11]{[11]}证明了

并且右侧的确是最优的,用

Q0(x):=x12(x2cx1)2(xncxn1)Q_0(\mathbf{x}) := x_1^2 - (x_2-cx_1)^2 - \cdots - (x_n-cx_{n-1})

便可以验证.但是对于足够一般的二次型而言,其判别式ΔQn\Delta \asymp \|Q\|^n,在这种情况下,Browning和Dietmann[12]{[12]}给出了(10)的进一步优化,他们证明了

Λn(Q)ε,nQn12(Qn+εΔ12(n5αn))1n3αn,\Lambda_n(Q) \ll_{\varepsilon, n} \|Q\|^{\frac{n-1}{2}} \left( \frac{\|Q\|^{n+\varepsilon}}{|\Delta|^{\frac{1}{2}(n-5-\alpha_n)}} \right)^{\frac{1}{n-3-\alpha_n}},

其中ε\varepsilon是任意大于00的实数,而

αn={1,if n is even,0,if n is odd.\alpha_n = \begin{cases} 1, & \text{if } n \text{ is even}, \\ 0, & \text{if } n \text{ is odd}. \end{cases}

在这个命题的证明之中,便利用到了丢番图几何的一些结论,很直接的就是对于一个从Rn\mathbb{R}^nR0\mathbb{R}_{\ge 0}的有界紧支集函数ω\omega,需要去估计

Nω(Q;B):=xZnQ(x)=0ω(B1x)N_{\omega}(Q;B) := \sum_{\substack{\mathbf{x} \in \mathbb{Z}^n \\ Q(x) = 0}} \omega(B^{-1}\mathbf{x})

的渐近估计式,当然这里也是用的圆法得出的.

而对于d=3d=3的一个nn元三次型CC而言,那么就复杂了许多.当变量数nn充分多的时候,Pitman[13]{[13]}证明了

Λn(C)ε,nC256+ε.\Lambda_n(C) \ll_{\varepsilon, n} \|C\|^{\frac{25}{6}+\varepsilon}.

如果变量数很少的时候,在n17n \ge 17时,Browning,Dietmann和Elliot[14]{[14]}证明了

Λn(C)ε,nC3.6×105+ε.\Lambda_n(C) \ll_{\varepsilon, n} \| C \|^{ 3.6 \times 10^5 + \varepsilon}.

当然,对于两种情况下,Browning,Heath-Brown,Wooley,Mormon等人也给出了进一步的优化,但这里就不进一步记录了.

Divisor Problems

丢番图几何中的问题有一些最后就划归为了除数问题最终得以解决,而这个问题在解析数论中也是一个很自然很重要的问题.我们定义一般形式下的估计式为

其中φ\varphi是一个合适的数论函数,例如下面的例子中我们将取φ(n)=τ(n)=dn1\varphi(n) = \tau(n) = \sum_{d|n} 1,而FZ[x1,x2]F \in \mathbb{Z}[x_1, x_2]是一个二元dd次的无重根形式.

书中说d=1,2d=1,2时是容易估计的,我没算不知道嗷.对于d=3d=3的情况就开始复杂起来了,Greaves[15]{[15]}利用指数和证明了

D(X;τ,F)=cFX2logX+cFX2+Oε,F(X2714+ε).D(X;\tau,F) = c_FX^2\log X + c_F'X^2 + O_{\varepsilon,F}(X^{\frac{27}{14}+\varepsilon}).

然后Daniel[16]{[16]}利用"数的几何"(geometry of number)证明了d=4d=4时的情况为

D(X;τ,F)=cFX2logX+OF(X2loglogX).D(X;\tau,F) = c_FX^2\log X + O_F(X^2\log\log X).

并且Daniel还将Greaves的结果优化至158\frac{15}{8}.

对于除数问题仍然是一个相当困难的问题,在2020年Frei和Sofos[17]{[17]}才第一次(应该是吧)将除数问题推广到更一般的数域上进行研究.总之,除数问题,指数和的一些相关技术以及所谓的"数的几何"听上去都挺有意思的,也加入必读清单了,争取早花点时间了解了解.

第一章练习题!

接下来是第一章的几个习题,基本上都比较简单,也就只简单记一下想法,毕竟现在也写的够长了.

练习1.1:

\quad Let KK be a number field of degree dd over Q\mathbb{Q}, with integral basis ω1,,ωd\omega_1, \cdots, \omega_d. Let pp be a rational prime such that the ideal (p)(p) is prime in the ring of integers OK\mathcal{O}_K. For any α=y1ω1++ydωdOK\alpha = y_1\omega_1 + \cdots + y_d\omega_d \in \mathcal{O}_K, show that pNK/Q(α)p \mid N_{K/\mathbb{Q}}(\alpha) if and only if pαp \mid \alpha.

解答:

\quad 很显然当pαp\mid\alpha时会有pNK/Q(α)p\mid N_{K/\mathbb{Q}}(\alpha).而反过来稍微会复杂一点,注意到(p)(p)OK\mathcal{O}_K中的素理想,因此OK/pOKFpd\mathcal{O}_K / p\mathcal{O}_K \cong \mathbb{F}_{p^d},在这个情况下,有

NK/Q(α)(modp)=NFpd/Fp(α)=ααpαp2αpd1=αpd1p1.N_{K/\mathbb{Q}}(\alpha) \pmod{p} = N_{\mathbb{F}_{p^d} / \mathbb{F}_p}(\overline{\alpha}) = \overline{\alpha} \cdot \overline{\alpha}^p \cdot \overline{\alpha}^{p^2} \cdot \cdots \cdot \overline{\alpha}^{p^{d-1}} = \overline{\alpha}^{\frac{p^d-1}{p-1}}.

\quad 因此pNK/Q(α)p \mid N_{K/\mathbb{Q}}(\alpha)等价于α=0\overline{\alpha} = 0,即α(p)\alpha \in (p),于是有pαp\mid\alpha,因此得证.\square

练习1.2

\quad Let VPn1V \subset \mathbb{P}^{n-1} be a hypersurface defined by a non-singular form ff of degree dd, with n>(d1)2dn > (d-1)2^d. Mimicking the proof of Theorem 2, use Theorem 1 to deduce that

NV(B)cfBnd,N_V(B) \sim \overline{c}_f B^{n-d},

\quad where

cf=cf2ζ(nd).\overline{c}_f = \frac{c_f}{2\zeta(n-d)}.

解答:

\quad 利用(2)和(5),可以得到有

NV(B)=12k=1μ(k)N(f;k1B)12k=1μ(k)cfk(nd)Bnd=12cfBndk=1μ(k)knd=12cfBndp(11pnd)=cf2ζ(nd)Bnd.\begin{array}{ll} N_V(B) & = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{\infty} \mu(k) N(f; k^{-1}B) \\ \\ & \sim \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{\infty} \mu(k) c_f k^{-(n-d)} B^{n-d} \\ \\ & = \frac{1}{2} c_f B^{n-d} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\mu(k)}{k^{n-d}} \\ \\ & = \frac{1}{2} c_f B^{n-d} \prod_{p} \left(1 - \frac{1}{p^{n-d}}\right) \\ \\ & = \frac{c_f}{2 \zeta(n-d)} B^{n-d}. \end{array}

\quad 从而得证.\square

练习1.3:

\quad Establish the trivial bound νd(x)d,εx2/d+ε\nu_d(x) \ll_{d,\varepsilon} x^{2/d+\varepsilon}.

解答:

\quad 这也确实是一个很平凡的上界,注意

νd(x)=#{nNx:n=ad+bd=md+nd}.\nu_d(x) = \#\{ n \in \mathbb{N}_{\le x} : n = a^d+b^d = m^d+n^d\}.

\quad 很显然,有以下估计

νd(x)#{nNx:n=ad+bd}#{aN:adx}#{bN:bdx}x2/d+ε.\nu_d(x) \le \#\{ n \in \mathbb{N}_{\le x} : n = a^d+b^d\} \le \#\{a \in \mathbb{N}: a^d \le x\} \cdot \#\{b \in \mathbb{N}: b^d \le x\} \ll x^{2/d+\varepsilon}.

\quad 从而得证.\square

练习1.4:

For kNk \in \mathbb{N}, let g(k)g(k) be the least number of kkth powers needed to represent every positive integer as a sum of kkth powers. By considering the integer

n=2k[(32)k]1,n = 2^k \left[ \left( \frac{3}{2} \right)^{k} \right] - 1,

deduce that

g(k)2k+[(32)k]2.g(k) \ge 2^k + \left[ \left( \frac{3}{2} \right)^{k} \right] - 2.

解答:

\quad 由于2k<n<3k2^k < n < 3^k,因此nn只能分解为0k,1k,2k0^k, 1^k, 2^k的和,而最有效率的分解方式也仅仅只是:

n=2k([(32)k]1)+1k(2k1),n = 2^k \left(\left[ \left( \frac{3}{2} \right)^{k} \right] - 1\right) + 1^k (2^k - 1),

\quad 因此得证.\square

总结

目前第一章的内容就记录到这,后面还有非常非常多的东西等我去学,简单做一个规划吧.首先是Browning的这本书可以继续深入学习,第二章应该会过得比较快,毕竟在前段时间已经和它打过不少照面了.其次是后面这么多的参考文献可以再了解了解,其中比较感兴趣的是[2][9][15][16]{[2][9][15][16]}这几篇,空闲时候可以翻一翻.然后还有很多其他的内容啦,比如代数几何,丢番图逼近(说起来[6]{[6]}也可以看看),椭圆曲线,Riemann zeta函数等,都要花时间(怎么上个研究生这么多事啊,真学不过来了😭).

以及我的电脑坏了,不知道什么时候才来上传到爱音学报上,悲!

Remark:时隔半个月(9.19)后的补充:终于是给传上了!😭

(待)参考资料

[1] Browning T D. Quantitative arithmetic of projective varieties[M]. Springer Science & Business Media, 2009.

[2] Browning T D, Matthiesen L. Norm forms for arbitrary number fields as products of linear polynomials[C]//Annales Scientifiques de l’Ecole Normale Superieure. 2017, 50(6): 1383-1446.

[3] Wikipedia. Quasi-algebraically closed field[Z]. https://en.wikipedia.org/wiki/Quasi-algebraically_closed_field.

[4] Heath-Brown D R. Cubic forms in ten variables[J]. Proceedings of the London Mathematical Society, 1983, 3(2): 225-257.

[5] Schmidt W M. The density of integer points on homogeneous varieties[J]. 1985.

[6] Schmidt W M. Diophantine approximations and Diophantine equations[M]. Springer, 2006.

[7] Salberger P. On the density of rational and integral points on algebraic varieties[J]. 2007.

[8] Vaughan R C. the Hardy-Littlewood method[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.

[9] Bourgain J, Demeter C, Guth L. Proof of the main conjecture in Vinogradov’s mean value theorem for degrees higher than three[J]. Annals of Mathematics, 2016: 633-682.

[10] Wooley T D. Nested efficient congruencing and relatives of Vinogradov’s mean value theorem[J]. Proceedings of the London Mathematical Society, 2019, 118(4): 942-1016.

[11] Cassels J W S. Bounds for the least solutions of homogeneous quadratic equations[C]//Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. Cambridge University Press, 1955, 51(2): 262-264.

[12] Browning T D, Dietmann R. On the representation of integers by quadratic forms[J]. Proceedings of the London Mathematical Society, 2008, 96(2): 389-416.

[13] Pitman J. Cubic inequalities[J]. Journal of the London Mathematical Society, 1968, 1(1): 119-126.

[14] Browning T D, Dietmann R, Elliott P. Least zero of a cubic form[J]. Mathematische Annalen, 2012, 352(3): 745-778.

[15] Greaves G. On the divisor-sum problem for binary cubic forms[J]. Acta arithmetica, 1970, 17: 1-28.

[16] Daniel S. On the divisor-sum problem for binary forms[J]. 1999.

[17] Frei C, Sofos E. Generalised divisor sums of binary forms over number fields[J]. Journal of the Institute of Mathematics of Jussieu, 2020, 19(1): 137-173.