費馬大定理得證歷程

2021-02-08 數學中國



公元前500年前後,古希臘畢達哥拉斯學派宰殺百牛歡宴,慶祝畢達哥拉斯定理的發現:直角三角形兩直角邊平方之和等於斜邊平方,即X^2+Y^2=Z^2。公元前12世紀我國《周髀算經》也提出過「勾三股四弦五」,後稱勾股定理。如果把冪次提高,對於方程X^3+Y^3=Z^3直至X^n+Y^n=Z^n能否找到正整數解?這一問題的提出和「解答」始於法國業餘數學家費馬。


費馬貢獻最大的領域是數論,但他從不公布,過世後其子才將成果整理出版。大約1637年,費馬在閱讀古希臘數學家丟番圖《算術》第二卷第八命題有關X^2+Y^2=Z^2的討論時寫道:「將一個立方數分為兩個立方數,一個四次冪分為兩個四次冪,或者一般地將高於二次的冪分為兩個同次的冪,這是不可能的。關於此,我確信已發現一種奇妙的證法,可惜這裡的空白地方太小,寫不下。」此話發表於1670年,費馬已過世5年。大家翻遍費馬遺稿,也沒找到這一證明。19世紀初,費馬遺留的其他問題均告解決,只剩這一問題懸而未解,是以被稱為「費馬最後定理」(我國稱「費馬大定理」)。



不存在正整數X,Y,Z,使得X^n+Y^n=Z^n(n為大於2的正整數)

1676年數學家根據費馬的少量提示用無窮遞降法證明了n=4。

1678年和1738年德國數學家萊布尼茲和瑞士數學家歐拉也各自證明了n=4。

1770年歐拉證明n=3。

1823年和1825年法國數學家勒讓德和德國數學家狄利克雷先後證明n=5。

1832年狄利克雷試圖證明n=7,卻只證明了n=14。

1839年法國數學家拉梅證明了n=7,隨後得到法國數學家勒貝格的簡化……

19世紀貢獻最大的是德國數學家庫麥爾,他從1844年起花費20多年時間,創立了理想數理論,為代數數論奠下基礎;庫麥爾證明當n<100時除37、59、67三數外費馬大定理均成立。

為推進費馬大定理的證明,布魯塞爾和巴黎科學院數次設獎。1908年德國數學家佛爾夫斯克爾臨終在哥廷根皇家科學會懸賞10萬馬克,並充分考慮到證明的艱巨性,將期限定為100年。數學迷們對此趨之若鶩,紛紛把「證明」寄給數學家,期望憑短短幾頁初等變換奪取桂冠。德國數學家蘭道印製了一批明信片由學生填寫,上面印著:


謝謝您寄來的您關於費馬大定理的證明稿件。第一個錯誤是在第_____頁______行。


在解決問題的過程中,數學家們不但利用了廣博精深的數學知識,還創造了許多新理論新方法,對數學發展的貢獻難以估量。1900年,希爾伯特提出尚未解決的23個問題時雖未將費馬大定理列入,卻把它作為一個在解決中不斷產生新理論新方法的典型例證。據說希爾伯特還宣稱自己能夠證明,但他認為問題一旦解決,有益的副產品將不再產生。「我應更加注意,不要殺掉這隻經常為我們生出金蛋的母雞。」

數學家就是這樣緩慢而執著地向前邁進,直至1955年證明了n<4002。大型計算機的出現推進了證明速度,1976年德國數學家瓦格斯塔夫證明n<125000,1985年美國數學家羅瑟證明n<41000000。但數學是嚴謹的科學,n值再大依然有限,從有限到無窮的距離漫長而遙遠。

1983年,年僅29歲的德國數學家法爾廷斯證明了代數幾何中的莫德爾猜想,為此在第20屆國際數學家大會上榮獲菲爾茨獎;此獎相當於數學界的諾貝爾獎,只授予40歲以下的青年數學家。莫德爾猜想有一個直接推論:對於形如X^n+Y^n=Z^n(n≥4)的方程至多只有有限多組整數解。這對費馬大定理的證明是一個有益的突破。從「有限多組」到「一組沒有」還有很大差距,但從無限到有限已前進了一大步。

1955年日本數學家谷山豐提出過一個屬於代數幾何範疇的谷山猜想,德國數學家弗雷在1985年指出:如果費馬大定理不成立,谷山猜想也不成立。隨後德國數學家佩爾提出佩爾猜想,補足了弗雷觀點的缺陷。至此,如果谷山猜想和佩爾猜想都被證明,費馬大定理不證自明。

事隔一載,美國加利福尼亞大學伯克利分校數學家裡比特證明了佩爾猜想。

1993年6月,英國數學家、美國普林斯頓大學教授安德魯·懷爾斯在劍橋大學牛頓數學研究所舉行了一系列代數幾何學術講演。在6月23日最後一次講演《橢圓曲線、模型式和伽羅瓦表示》中,懷爾斯部分證明了谷山猜想。所謂部分證明,是指懷爾斯證明了谷山猜想對於半穩定的橢圓曲線成立——謝天謝地,與費馬大定理相關的那條橢圓曲線恰好是半穩定的!這時在座60多位知名數學家意識到,困擾數學界三個半世紀的費馬大定理被證明了!這一消息在講演後不脛而走,許多大學都舉行了遊行和狂歡,在芝加哥甚至出動了警察上街維持秩序。


來源:數學英才




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