數學魅力:你能解出來這道300多年無人可解的數學題嗎?

2021-01-11 數學思維派

話說在17世紀的法國南部土魯斯附近的博蒙·德·洛馬涅。1601年的8月17日,一個叫皮埃爾·德·費馬就出生在這裡。

費馬的父親,是當地的一家大皮革商店的擁有者,同時也是這個地區的第二執政官。

書窄寫不下,一個公務員給全人類出了道難題>>>

費馬小時候並沒有進學校,父親給他請了兩個家庭教師在家輔導。雖然說費馬小時候並沒有表現出一鳴驚人的神童天賦,但也是一個非常聰明的孩子,他的文科和理科都很不錯。

到了1617年,費馬要進大學了。費馬遵從父親的意見,進大學讀了法律專業。因為當時17世紀法國男子最體面的職業,是做一名律師。而且,家人已經花錢幫費馬買了一個「律師」和一個「參議員」的職位。

即,費馬大學畢業後,如願做了律師,並擔任了參議員,雖然政績平平,但官階還是一路上升,最後做到了法國議會首席發言人。直到1665年1月12日,64歲的費馬安然辭世。

作為公務員,費馬的一生,就這樣結束了。

那,費馬和數學有什麼關係?

事實上,費馬確實一輩子只是個公務員,從來沒當過數學家。數學,只是他的業餘愛好。那麼好吧,一個「業餘數學家」,為什麼能夠名垂青史?因為,這個公務員費馬,利用業餘時間做的數學研究,對數論、概率論、微積分都做出過不小的貢獻。但相比他留下的那個定理,這些都是不值一提的。

奠定費馬「業餘數學家之王」頭銜的,是1637年,在費馬36歲的時候,提出了一個非常非常非常牛的定理,叫作:費馬大定理!

其實這個定理還有個名稱,叫「費馬最後定理」(Fermat’s Last Theorem),意思是所有定理都證明完了,這肯定是最後一個待解的定理。

那麼,「費馬大定理」究竟是說什麼呢?

很簡單,那就是(下面一句話你可以自動忽略):

當整數n >2時,關於x、y、z的方程 xn + yn = zn 沒有正整數解。

很簡單不是嗎?這是當時費馬在閱讀丟番圖(Diophatus)《算術》的拉丁文譯本時,在第11卷第8命題旁隨手寫下的定理。

關鍵是,他還在旁邊加了一句:「關於此,我確信已找到了一個極佳的證明,但書的空白太窄,寫不下。」(拉丁文原文: 「Cuius rei demonstrationem mirabilem sane detexi. Hanc marginis exiguitas non caperet.」)

這毫不負責任的做法,拉開了之後300多年人類數學史上最艱苦卓絕的一場探索。

費馬大定理「救」了這個年輕小夥子的命

2011年,谷歌在費馬誕辰410周年時,曾將首頁logo(標識)換成了「費馬大定理」公式,但在logo裡的標籤寫了句揶揄他的話:「我確信已找到了一個極佳的證明,但這裡的空白太窄,寫不下。」

最先做出挑戰的是18世紀瑞士偉大的數學家歐拉,他先是發現費馬自己證明了n=4的情況,然後在1770年,歐拉給出了n=3時的證明。這時,已經過去了133年。之後,全世界最優秀的數學家,圍繞證明「費馬大定理」,開始了慘烈的競爭和接力。

開頭炮的是19世紀初法國自學成才的女數學家熱爾曼,在當時法國普遍歧視婦女的情況下,她獨立證明出了當n和2n+1都是素數時,費馬大定理的反例x、y、z至少有一個是n整倍數。然後,1825年德國數學家迪利克雷和法國數學家勒讓德分別獨立證明「費馬大定理」在n=5時成立。

這時,已經過去了188年。

1847年,戲劇性的一幕發生了:當時著名的數學家拉梅和柯西都宣布自己已基本證明「費馬大定理」。然後德國數學家庫默爾寫來一封信。庫默爾證明不了「費馬大定理」,但他清晰地證明了這兩位數學家的證明都是錯誤的。

庫默爾是著名數學家高斯的學生,他當時還給出了另一個打擊全世界數學家的結論:按照現在的數學方法,「費馬大定理」是不可能證明的。

證明「費馬大定理」的革命浪潮,就此轉入低谷。一低,就是半個世紀。

1908年,一位叫沃爾夫斯凱爾的德國人,重新將證明「費馬大定理」的熱情點燃了:他設立了10萬馬克的獎金,獎勵給最終做出證明的那個人。

沃爾夫斯凱爾為什麼要這麼做?因為「費馬大定理」救了他一條命。

沃爾夫斯凱爾其實只是一個數學愛好者,主業是一個實業家。年輕時,沃爾夫斯凱爾追求一個女生被拒絕,絕望的小夥子傻乎乎地決定自殺,而且決定了自殺的時間:午夜鐘聲一響,就開槍射擊自己的頭部。

嚴謹的德國人處理好自己的商業事務,寫好遺囑,還給所有親朋好友寫好信。結果一看時間:哎喲喂,提早了一點點,午夜還沒到!

為了消磨最後一點時間,他就到圖書室翻閱數學書籍,然後就看到了一篇關於「費馬大定理」證明的論文。然後,他就開始拿起筆做起了計算。然後,天就亮了。

他發現自己已經不想自殺了。

為了感謝「費馬大定理」救了自己一命,他設立了10萬馬克的獎金,這筆錢的價值放到現在,超過100萬英鎊。

「狡猾」的德國人限制了獎金的領取時間

另一方面,由於電子計算機的發明,之前人類不可能做出的海量計算,現在成了可能。但這又如何呢?即便通過計算機證明n=1000萬時「費馬大定理」成立,也只是無窮接近證明,並不能從數學邏輯上根本證明該定理成立。

時間到了1963年,離證明「費馬大定理」被提出已經過去了足足326年。

這一年,一個叫安德魯·懷爾斯的10歲英國孩子,第一次在一本書上看到了「費馬大定理」的故事。1986年,已經是普林斯頓大學教授的懷爾斯,決定放棄一切其他的研究,開始向「費馬大定理」發起總衝擊——他判斷,可能需要10年專心致志的努力。

那一年,他33歲。開始研究「費馬大定理」的事,他沒有告訴任何人,除了他的妻子。7年,就這樣過去了。1993年6月23日,被稱為「本世紀最重要的一次數學演講」,在劍橋牛頓研究所拉開序幕。200多名數學家擠在房間裡,把目光聚焦在懷爾斯身上。懷爾斯用數學公式寫滿幾塊黑板,然後聽到他說了一句:「我想,我就在這裡結束。」

山呼海嘯一般的掌聲!大家意識到,困擾了人類300多年的一道數學題,今天似乎真的被解決了!

第二天,全世界報紙的頭版,破天荒地出現了一個數學家的名字:安德魯·懷爾斯!美國《人物》雜誌將懷爾斯與黛安娜王妃、奧普拉一起列為「本年度25位最具魅力者」之一。懷爾斯甚至被一家時裝公司請去做男裝廣告!

但數學是嚴謹的。懷爾斯長達200頁的手稿投交到《數學發明》雜誌後,數學家們在數以百計的電子計算機幫助下,開始了龐雜的審稿過程:只要有一個計算或邏輯出差錯,懷爾斯的證明將一文不值!

果然,悲劇發生了。在證明的過程中,有一個小環節,無法像懷爾斯說的那樣證明得通,他必須拿出更有力的說法。1993年12月,懷爾斯公開承認證明有問題,但表示很快會補正。之後,9個月過去了。懷爾斯一籌莫展。

懷疑的聲音越來越響:懷爾斯只是300多年來,無數自以為證明了「費馬大定理」的數學家中的一個而已。

1994年9月19日的早晨,懷爾斯決定最後檢視一下自己的證明,然後就宣布自己證明失敗。

但是,靈光一現:兩個不足以解決整個問題的方法結合在一起,可以完美補足他的那個證明缺陷。1994年10月25日11點04分11秒,懷爾斯通過他以前的學生、美國俄亥俄州立大學教授卡爾·魯賓向世界數學界發了「費馬大定理」的完整證明郵件。

這一次,無論是數學家和計算機,再也沒有找出證明的漏洞。

困擾了人類長達358年的「費馬大定理」,終於被證明了!

1997年,懷爾斯領取了沃爾夫斯凱爾設立的10萬馬克獎金——再晚5年,「德國馬克」這個貨幣單位都沒了(歐元流通)。而整筆獎金,還差10年就領不到了。沃爾夫斯凱爾設立這個獎金時,規定的截止日期是2007年。

你看,這個狡猾的德國人還設了個時間限制,可能因為他相信,「費馬大定理」肯定會被人證明。

來源: 法制晚報(北京)

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