¿Sería más productivo si los matemáticos pudieran usar el método científico y dedicar menos tiempo a probar las cosas de manera determinista? ¿Existen principios formales que determinan qué requiere prueba y qué no?

Muchas teorías, principalmente el teorema de los números primos y la hipótesis de Riemann, no son demostrables porque no son deterministas.

Esto es algo bastante extraño por varias razones. ¡Obviamente, existe el pequeño problema de que el teorema de los números primos ya se probó hace más de cien años! Más allá de eso, no tiene sentido que ninguna de las afirmaciones sea “no determinista”. Ahora, sí, es teóricamente posible que la hipótesis de Riemann no sea demostrable [1], pero nunca he visto ninguna razón para sospechar eso y casi todos creen que es demostrable y verdadera.

Hay áreas de fenómenos matemáticos que están tan abrumadoramente respaldadas por evidencia que es simplemente una tontería exigir una prueba. Por ejemplo, la conjetura de Legendre

Conocemos varias afirmaciones en la misma línea que la conjetura de Legendre que son falsas pero donde el primer contraejemplo es tan incomprensiblemente grande que nunca podría encontrarlo a través de la búsqueda de fuerza bruta. Si comenzamos a suponer que cada resultado que es verdadero para n <10 ^ 100 se cumple para todos n, definitivamente estaríamos introduciendo inconsistencias, y el problema sobre el razonamiento de una declaración inconsistente es que seguramente terminarás haciendo declaraciones falsas sobre números mucho más pequeños eventualmente.

Además, a nadie le importa si los resultados como la conjetura de Legendre son ciertos . Incluso si tuviera, digamos, una nota firmada de Dios de que la conjetura era cierta, no valdría mucho. El punto es entender por qué es verdad.

Si tiene predilección por las matemáticas y desea tener una vida productiva que marque la diferencia en el mundo más allá de una torre de marfil, lo más probable es que elija un campo aplicado, como la ciencia computacional o la ingeniería eléctrica.

Trajiste la criptografía de curva elíptica arriba. Las personas que primero estudiaron las curvas elípticas ciertamente no tenían en mente las aplicaciones del mundo real; fueron estudiados porque quedó claro que podían usarse para comprender algo más simple. Si la gente adoptara el enfoque pragmático de gratificación instantánea de las matemáticas que ha descrito aquí, nunca se habrían descubierto. Para el caso, nunca habríamos desarrollado la teoría de números en absoluto, el campo desarrollado durante más de dos mil años antes de que tuviera su primera aplicación práctica, lo que significa que nunca habríamos desarrollado el tipo de criptografía que permite una comunicación segura a través de Internet .

Del mismo modo, si la gente no hubiera pasado dos mil años jugando con la pregunta completamente inútil de si el quinto postulado de Euclides podría derivarse de los otros cuatro, nunca hubiéramos descubierto la geometría no euclidiana. Como tal, los antecedentes matemáticos necesarios no habrían estado allí para que Einstein hiciera sus descubrimientos sobre la forma del universo.

De hecho, sin tres o cuatro mil años de estudio del tema de la astronomía absolutamente inútil, el trabajo de Copérnico y Kepler no habría estado disponible para Newton, quien a su vez no habría podido descubrir la gravedad. No estoy seguro de querer contemplar cómo sería el mundo moderno hoy, pero no sería uno en el que quisiera vivir.


[1] ¿Cómo puede ser imposible demostrar una afirmación como la hipótesis de Riemann? Bueno, cuando tomas algunos axiomas para describir algo, a menudo te encontrarás con la situación de que los axiomas no especifican de manera única un objeto en particular. Por ejemplo, los axiomas grupales no especifican de manera exclusiva un grupo en particular, sino que existen múltiples grupos diferentes que satisfacen los axiomas grupales. Del mismo modo, nuestros axiomas para la teoría de conjuntos (es decir, ZFC) no especifican de manera única una categoría particular de conjuntos; más bien, hay varias categorías no isomórficas que satisfacen los axiomas de ZFC. Por lo general, estas cosas se comportan de manera lo suficientemente similar como para que la respuesta a cualquier pregunta que nos interese sea la misma en todas ellas, pero hay algunas preguntas que suenan bastante naturales y que tienen respuestas diferentes en el modelo de ZFC que en otras. Por supuesto, cuando nos enfrentamos a una declaración, obviamente no podemos demostrar que es verdad o falso a partir de los axiomas de ZFC.

No podría estar más en desacuerdo.
La matemática trata con un conjunto infinito de números. Decir “funciona para todos los números menos de 10 ^ 10, por lo que probablemente funcione para todos los números” sería una tontería.
Hay muchas propiedades que se mantienen para todos los números que son lo suficientemente pequeños, pero no para cualquier número más allá de cierto punto. Supongamos que observa los números impares y observa que 1 es un cuadrado, 3 es primo, 5 es primo, 7 es primo, 9 es un cuadrado, 11 es primo y 13 es primo. Obviamente, todos los números impares son cuadrados primos o perfectos.

Eche un vistazo a la Ley de Números Pequeños: http://primes.utm.edu/glossary/p

Ejemplo historico:
Fermat una vez conjetura que todos los números de la forma [matemática] 2 ^ {2 ^ {n}} – 1 [/ matemática] fueron primos después de notar que todos los suficientemente pequeños para calcular eran primos. Había verificado n = 0,1,2,3,4. Euler luego mostró que es compuesto para n = 5. De hecho, todos los números de este formulario que hemos podido verificar con las computadoras modernas han sido compuestos, excepto los primeros. Como resultado, alguien conjeturó que para todos n> 4 [matemáticas] 2 ^ {2 ^ {n}} – 1 [/ matemáticas] es compuesto. La simple verdad es que no lo sabemos.

Si está progresando en una nueva tecnología pero decide renunciar a ella porque no puede probar un resultado único a pesar de la abrumadora evidencia empírica, es un mal ingeniero.
Aplicar el conocimiento de las ciencias y las matemáticas para resolver problemas del mundo real es lo que significa ser productivo en esta profesión.

Si está progresando en un problema interesante y decide abandonarlo porque cree que ya tiene suficientes casos especiales y que no hará una diferencia fuera de la academia, es un mal matemático.
Probar teoremas y desarrollar nuevas teorías es lo que significa ser productivo en esta profesión.

Por lo que dijiste, ya has hecho tu elección. Los matemáticos hicieron la suya.

Un caso con el que me he obsesionado personalmente son los problemas de Landau: cuatro conjeturas de la teoría de números que Edmund Landau afirmó que eran “inatacables en el estado actual de la ciencia” hace 102 años. Una de ellas, la conjetura de Legendre, no ha sido “probada” desde la Revolución Francesa. Los cuatro son verdaderos basados ​​en el peso de enormes cantidades de evidencia. Sin embargo, para los teóricos de los números, la evidencia empírica y una hipótesis no son más que una corazonada. Estas cuatro conjeturas están en la categoría de no probadas de no probadas , y podrían permanecer allí por infinito empleando muchos matemáticos capaces.

¿Cuál es el problema? Por un lado, los matemáticos académicos se preocupan por el infinito, y una prueba debe ser determinísticamente fiel al infinito. Tales pruebas son extremadamente escurridizas, si no imposibles, para cualquier conjetura que dependa de la distribución de números primos que esté más estrictamente definida que asintóticamente . Debido a que los matemáticos académicos no tienen conocimiento determinista sobre los números primos, el Teorema de los números primos, también llamado la “ley asintótica de la distribución de los números primos” es lo mejor que pueden hacer: una tendencia probada pero aún probabilística, y, sinceramente, no que interesante. (A pesar de la enorme cantidad de atención que recibe la Hipótesis de Riemann, es esencialmente geek. Tengo entendido que no hará más que refinar el PNT).

Sin embargo, sabemos, desde los primeros principios de conteo, que cada número primo es responsable simplemente por las reglas de la aritmética. A los matemáticos nunca se les otorgará el poder computacional para aplicar esas reglas de la aritmética al infinito , ¡o incluso cerca! Por lo tanto, tienen la teoría de los números: una colección de “trucos de magia” que permiten a los matemáticos manipular y comprender números grandes con mayor facilidad. Sin embargo, parece haber una cosa crítica que falta en esa caja de trucos : un medio para relacionar el crecimiento cuadrático de los números cuadrados con el crecimiento asintótico de los números primos.
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Aquí está mi tesis en miniatura. A partir de hace aproximadamente 150 años, las matemáticas académicas comenzaron a perder contacto con los principios básicos de la Infinitud de los Primes y el Teorema Fundamental de la Aritmética por falta de cosas que hacer. Casi al mismo tiempo, algunos problemas clásicos pasados ​​por alto también volvieron a surgir, como la observación de primos gemelos.

Estos problemas quedaron atrapados entre el universo ordinal de Euler y el universo cardinal de Cantor. (Luego agregue a eso los universos paralelos de números y planos complejos, combinatoria y topología, probabilidad y estadística, lógica informática y álgebra, y eso es solo el comienzo: toda la panoplia de las ciencias matemáticas).

Sugiero que los problemas de Landau son realmente un problema. La incapacidad de llamarlos demostrados con el estándar actual de rigor académico, a pesar de su evidente y abrumadora probabilidad de ser verdad, se debe a lo siguiente:

1. Se han mantenido durante más de un siglo, por lo que se supone que deben ser intratables.
2. No son asignaturas particularmente atractivas para los matemáticos académicos (especialmente si sacar el cuello puede resultar en ridículo).
3. No son accesibles para la alquimia estándar de la teoría de números.

Agrego a estas otras dos razones de la variedad de chistes cósmicos:
4. Uno de estos es posiblemente demostrable por aritmética o geometría sin necesidad de conceptos o técnicas avanzadas. * *
5. Uno de estos no necesita ser probado como verdadero. (De hecho, tiene que ser falso). *

Esto ha creado un logjam. Mientras que otras ciencias buscan conexiones entre los fenómenos naturales, el matemático académico está adoptando el atomismo: el equivalente moderno de “cuántos ángeles pueden bailar a través del ojo de una aguja”. El pensamiento atómico y lineal está bien, si hay autenticidad (e incluso originalidad) allí . Para mí, hay formas más interesantes de entender los números naturales que el modelo clásico en el que marchan, como pequeños soldados de hojalata, hasta el infinito en una línea. Mi modelo mental es la ciclicidad alrededor de una columna vertebral geométrica. (Ver NumberSpiral.com – Inicio.)
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* Me refiero al mismo problema: la conjetura de Legendre. Es clara y demostrablemente cierto, y lo ha sido desde la época en que vivieron Legendre y Euler.

(Wikipedia dice, de hecho, sin ironía y sin atribución: “un contraejemplo cercano a 10 ^ 18 requeriría una brecha principal cincuenta millones de veces el tamaño de la brecha promedio”.

Tal contraejemplo nunca se encontrará. Si se encontrara, hasta donde puedo entender, el Teorema del número primo, ipso facto, se demostraría falso.

En realidad, el número de números primos entre cuadrados perfectos aumenta de forma indefinida y absoluta, como un reloj, con perturbaciones menores que nunca exceden un límite de error conocido porque el crecimiento cuadrático de los números cuadrados “más que niega” la disminución de la densidad de números primos.

El recuento primo real por intervalo cuadrático versus la “línea asintótica”.
La desviación entre el recuento real y el derivado de registro para cada intervalo.

Debido a que los otros tres problemas de Landau están estrechamente relacionados con este, si este cae, es decir, está sellado con un sello creíble de prueba, los otros, más difíciles, se vuelven menos intimidantes y más vulnerables a los ataques (jerga académica de matemáticas para ser demostrable).

Una respuesta común que hará un matemático cuando se le presenten los hechos de la conjetura de Legendre es algo como esto: el PNT no puede usarse para probar la conjetura de Legendre porque el PNT es una ley asintótica que es un límite discreto aplicado a todos los números menos que un valor dado en particular de N y no a N ^ 2 y (N + 1) ^ 2 específicos.

Personalmente, no me quedaré despierto por la noche preocupándome por la posibilidad teórica de que el vasto mar de la ley asintótica de la distribución de números primos se dividirá, de manera milagrosa, para permitir que un espacio cuadrado de gran magnitud esté libre de primos. (“Simplemente no va a suceder”)
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El hecho histórico e irónico es que Legendre, él mismo, fue la primera persona en conjeturar el tamaño de la función de conteo primo, en 1798 para ser exactos. (Hubo una revolución, pero encontró tiempo.) Para citar de Prime Pages: “La constante 1.08366 se basó en su tabla limitada para valores de Π (x) (que solo fue a x = 400,000). la ejecución 1 es una mejor opción … “(Esta cita en realidad no le hace justicia a Legendre, pero no me desviaré).

Esta es, de hecho, la conjetura por la que Legendre debe ser recordado. Y el límite que se le ocurrió aumenta mi respeto aún más. ¿Podría la misma persona que descubrió algo que precozmente y con tanta precisión en realidad ha declarado la conjetura trillada que se convirtió en uno de los problemas de Landau?

No es necesario embarcarse en el viaje al infinito, porque la aritmética no cambia con la magnitud. El crecimiento del recuento principal continúa aumentando hasta el infinito si el PNT continúa hasta el infinito. Si uno es verdadero, el otro también lo es. El delta entre la función de conteo de primos sin refinar y los datos de conteo de primos reales es tan pequeño que niega la posibilidad de que su desviación pueda acercarse a desafiar la conjetura de Legendre. De hecho, incluso entretener la posibilidad teórica de que esto ocurra requiere el repudio de no uno sino dos principios fundamentales de la ciencia matemática:

– La evidencia: son los datos conocidos y observables.
– La teoría: ese es el teorema de los números primos.

Lógicamente, por lo tanto, uno podría sostener que la conjetura de Legendre no requiere su propia prueba.
Una pequeña trama de la primera expansión temprana.
La linealidad del patrón de crecimiento para el recuento primo y el tamaño del intervalo.
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Sin embargo, para ser lo más claro posible, creo sinceramente que existe la realidad de una prueba estadística hipotética-deductiva y la alta probabilidad de una prueba aritmética (basada en la aplicación de la función del producto de Euler) y una geométrica (basada en el conservación de la simetría de los objetos a medida que crecen).
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Una prueba estadística funciona más o menos así:

Considere la brecha, o intervalo, entre dos números cuadrados, X ^ 2 y (X + 1) ^ 2 estrictamente como excluyendo los puntos finales (es decir, los números cuadrados mismos). No hay casos en los que el recuento primo único sea inferior a dos.

El teorema del número primo establece que X / log (X) es una buena aproximación de la función de conteo primo. Esto puede ser refinado por varios métodos. Sin embargo, incluso en su estado más no refinado, para números mayores que 10 ^ 10, los términos de error son pequeños en comparación con la relación de primos a todos los enteros.

Dada la verdad del teorema de los números primos, sabemos que la siguiente fórmula muestra que el recuento primo, dentro de un término de error, aumenta en intervalos cuadráticos sucesivos hasta el infinito si PNT es correcto.

[matemáticas] ((n + 1) ^ 2 / log ((n + 1) ^ 2)) – (n ^ 2 / log (n ^ 2)) [/ matemáticas]

Esto no es un tema de disputa. El crecimiento absoluto del recuento primo continuará si conecta cualquier número para el que sea computacionalmente posible usar el logaritmo natural.

Aquí están mis estadísticas para algunos órdenes de magnitud con los recuentos primos reales. (No puedo encontrar una buena fuente en línea, pero si encuentra una, hágamelo saber).
No es necesario invocar la hipótesis de Riemann para refinar el término de error. porque el crecimiento del número primo lo eclipsa. Para números “pequeños”, los datos computarizados empíricos son pan comido (cualquier programa pequeño puede generar datos de hasta 10 ^ 8 muy rápidamente). Para números más grandes, podemos usar datos que usen potencia computacional sin procesar de hasta 10 ^ 25 en la actualidad. Más allá de esto, tenemos pruebas rigurosas que utilizan la continuación analítica sin la HR.

El término de error real es mucho más pequeño que cualquier desviación que pueda negar el efecto del crecimiento cuadrático.
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¡Las pruebas aritméticas y geométricas llegaré en otro momento!

Los matemáticos usan lo que se conoce como razonamiento “deductivo”, que es, con mucho, el tipo más fuerte de razonamiento. Es el único tipo que está absolutamente garantizado para ser correcto. Comenzamos con un conjunto de supuestos, y determinamos qué se puede deducir lógicamente de esos supuestos. Mientras no cometamos ningún error lógico (Falacia del inverso, etc.), podemos estar absolutamente seguros de nuestros resultados.

El Método Científico utiliza lo que se conoce como razonamiento “abductivo” (y a veces “inductivo”). El razonamiento abductivo es mirar un escenario y determinar (adivinar) cuál es la explicación más probable. Tenga en cuenta que esto es lo que hace Sherlock Holmes. Él sigue diciendo ¡Deducción !, pero eso no es lo que está usando.

El razonamiento inductivo es notar un patrón y asumir que ese patrón continúa. Es la forma de lógica menos rigurosa, y es notoria por fallar. También hacemos esto a menudo en ciencias, y a menudo recibimos la respuesta incorrecta. Durante miles de años, notamos que los objetos más pesados ​​cayeron más rápido que los objetos ligeros, por lo que asumimos que esta es la ley de la gravedad. No fue hasta Newton que nos dimos cuenta de que este razonamiento estaba mal.

En resumen, las matemáticas fracasarían por completo si nos limitáramos a “El Método Científico”.

Hay cosas de matemáticas y teoría de las matemáticas.

En física-cosas y física-teoría, las cosas son causadas por la naturaleza, y la teoría explica las cosas. Es decir, si decimos que el átomo de Bohr es correcto y salimos y encontramos que algo diferente está sucediendo, buscamos una mejor aproximación.

Las matemáticas son un poco más complejas. Todavía tienes cosas de matemáticas y teoría de las matemáticas. El copo de nieve de Koch existe, por ejemplo, sin ninguna explicación que se le pueda dar, pero lo que significa es diferente para diferentes personas. Lo veo como una cascada de clase 2 infinito.

La otra cosa es que los puntales que movemos en física o biología o lo que sea, están formulados en una teoría básica, que no responde a la naturaleza. Entonces, el ‘modelo de carga’ es un complemento con varios parámetros libres. En su forma cruda, no responde a la naturaleza. En física, vemos que su capacidad para mostrar la naturaleza no está en la corrección del modelo, sino en su aplicación actual. Funciona para la gravedad, para la electricidad, pero no para el magnetismo, aunque se ha aplicado a los tres.

Una declaración que está mal en matemáticas, como “en un espacio (completo) (orientable), las líneas se cruzan (una vez)”. Podemos rechazar cualquiera de las tres declaraciones entre paréntesis y obtener una geometría válida. Una declaración que es falsa por parte de la naturaleza, se convierte en una oportunidad para producir subdivisiones en matemáticas.

Creo que los matemáticos quieren pruebas formales de que una afirmación es absolutamente cierta, es absolutamente falsa o no se puede probar. De lo contrario, el método de Monte Carlo (aproximación de una solución usando un algoritmo probabilístico) se usa comúnmente para problemas extremadamente difíciles.