齐物看向第一道选择题:
    【题目1(选择题):已知a,b均为n阶实对称正定矩阵,则下列关於矩阵跡(trace)的不等式中,恆成立的是?】
    a. tr((ab)2)≤tr(a2b2)
    b. tr((ab)2)≥tr(a2b2)
    c. tr((ab)2)=tr(a2b2)
    d.大小关係与矩阵的具体特徵值分布有关。
    有点意思……
    考察实对称正定矩阵、矩阵跡、乘积跡不等式,是《线性代数》的进阶內容。
    看到矩阵的跡和乘积,很多人的第一反应可能是去凑低阶矩阵的特例来排除选项。
    但齐物笔都没动,就选择了a。
    “实对称正定矩阵,意味著存在正交矩阵可以將其对角化,並且可以开平方。
    所谓求跡,本质上就是求內积空间中的柯西-施瓦茨不等式。”
    齐物瞬间完成了代数结构的同构映射。
    “令m=a^(1/2)ba^(1/2),因为a,b正定,所以 m也是对称正定矩阵。
    原不等式的左边tr((ab)2)=tr(abab)=tr(a^(1/2)ba^(1/2)a^(1/2)ba^(1/2))=tr(m2)。
    原不等式的右边tr(a2b2)=tr(ab2a)=……不,更直接一点,將其看作frobenius內积。
    根据矩阵的奇异值分解和范数性质,tr(x^t y)≤√tr(x^t x)√tr(y^t y)
    代入特徵值基底,很明显,左边必定小於等於右边。”
    “选a。”
    用时2分30秒。
    题目有难度,但是没那么难。
    接著是第二题,考点是解析数论中的狄利克雷级数与黎曼zeta函数的零点区域放缩。
    齐物快速写下两行阿贝尔求和公式,选出答案。
    第三题,考察隨机微分方程(sde)在带跳跃的马尔可夫过程中的伊藤引理应用。
    齐物心算了一下漂移项和扩散项的积分,得出结论。
    每道题用时都在五分钟之內。
    选择题几乎是摧枯拉朽般地被平推过去。
    第22分钟,齐物就已经来到了第一道解答题。
    【设p为一个奇素数。证明:在有限域fp上的多项式环fp[x]中,多项式f(x)=x^p2-x的所有不可约因子的度数要么是1,要么是2,要么是p。请给出这些因子的確切数量表达式。】
    齐物微微挑眉。
    解答题难度一下子就上来了哈。
    一道非常標准的抽象代数与有限域伽罗瓦理论的题目。
    很多人面对这道题,很容易绕到分裂域的嵌套里出不来。
    齐物略微思考了两分钟,双手已经在键盘上飞速敲击,latex代码如行云流水般输入:
    “根据有限域的性质,x^p2-x是有限域fp2中所有元素的根多项式。
    因为fp2是fp的二次扩张,其子域只有fp本身。
    因此,任何在fp上不可约且整除x^p2-x的多项式,其根必在fp2中。
    这意味著该不可约多项式的度数d必须整除2,即d=1或d=2。
    题目中描述的度数为p是一个典型的障眼法诱导项(因为度数必须整除扩张阶数2,奇素数p绝不可能是其度数,除非特指某种特徵不可分扩张的偽命题,但在本域下不成立)。
    度数为1的因子对应fp中的元素,数量为p。
    总度数为p2,因此度数为2的不可约多项式数量为(p2-p)/2。”
    提交。
    用时10分钟。
    “阿力八八全球数学竞赛的题目果然涵盖现代数学的各个分支。”
    齐物顺手解答了下一道带有一点群论色彩的代数数论题。
    终於来到了最后一道压轴题。
    此时总用时:40分钟。
    当看清压轴题的题干时,齐物神色一紧,坐直了身子。
    这道题……
    【压轴题(本题40分)】
    【背景描述:考虑一个定义在紧致黎曼流形m上的高维非凸能量泛函e(x)=∫m(‖▽x‖2+v(x)) dμ。在標准的梯度流动力系统?x/?t=-▽e(x)演化下,已知系统中存在一个庞大的退化临界子流形s?m,在该子流形s的邻域內,泛函的hessian矩阵▽2e在其法向丛上出现大量的零特徵值,且伴隨及其微弱的非凸扰动。
    【问题:系统在演化至s附近时,会发生严重的“临界滯留”现象,且逃逸时间期望趋近於无穷大。请问,是否能在原梯度流方程中引入一个纯几何的“拓扑补偿项Ω(x)”,在不改变系统全局极小值点的前提下,使得修正后的动力系统方程:
    ?x/?t=-▽e(x)+Ω(x)
    能够以流形內蕴曲率为驱动,以指数速率逃逸该退化子流形s?若存在,请给出Ω(x)的严密解析构造,並证明其逃逸收敛性。若不存在,请说明理由。】
    emmm……
    这道题不对劲。
    太难了!
    以齐物的修为,竟然也读了两遍题目才读懂。
    涉及的知识点太多了。
    紧致黎曼流形、sobolev空间、能量泛函分析、弱导数、梯度流、morse理论破缺、退化临界子流形、hessian算子、法丛、临界滯留、拓扑项的几何意义、lyapunov稳定性、指数收敛速率估计、泛函能量估计……
    这完全不是预赛应该出现的题目!
    据齐物所知,阿力八八全球数学竞赛的预赛,一般只考本科基础的线代、数论、组合、初等概率等,绝对不会涉及流形、梯度流和退化临界这种知识点。
    而这道题,无论是深度和广度,都应该是属於决赛中,几何拓扑和分析与方程的压轴题。
    几乎相当於顶级985数学系博士的复试加试题了。
    阿力是疯了吗?
    拿这种题来当预赛压轴题?
    不过刚刚学完黎曼几何的齐物觉得自己可以挑战一下。
    他最喜欢做难题了。
    他再次精读了一遍题目。
    这一次他发现了一丝不寻常的地方。
    “乍一看,这是一道硬核的微分几何与偏微分方程(pde)交叉的纯数学题,但是描述的是物理图景?”
    齐物忖思,“属於计算机科学,貌似是超大规模人工神经网络在进行梯度训练时,陷入的多维鞍点的死锁现象?”
    齐物很快察觉到违和感。
    “出题人为何要特意强调【极高维】?”
    齐物在草稿纸上写下了一个m,並画了一个圈,“在纯粹的几何拓扑里,维度的具体数值往往並不决定方程的定性行为,除非——”
    齐物心思一转:“除非这个维度本身,具有现实的物理意义。”
    阿力八八不会无缘无故出这么一道超纲的题。
    他再次看向题干,开始抽丝剥茧。
    【如果把黎曼流形m上的坐標点x视为一个参数矩阵w,那么,“极高维”的流形空间,其实是一个包含了千亿乃至万亿个权重的网络参数空间?】
    【能量泛函e(x),非凸性质……在参数空间里,非凸的能量评价標准是什么?】
    【loss(损失)函数!】
    【动力系统?x/?t,不就是连续时间下的梯度下降算法?】
    齐物笔尖猛地停住,这题目,影射的是ai大语言模型在训练过程中,最难解决的梯度消失和loss停滯现象!
    他有些明白了——
    阿力八八是在ai大模型的开发中遇到了问题,然后把问题转换成了数学难题,穿上代数几何以及微分拓扑的马甲,脱敏之后放在预赛压轴?
    希望全球的参赛者能给予他们破局的灵感!

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