解答數學「大問題」——證明費馬大定理的故事

2021-01-08 中國科學院

為了尋求費馬大定理的解答,三個多世紀以來,一代又一代的數學家們前赴後繼,卻壯志未酬。1995年,美國普林斯頓大學的安德魯·懷爾斯教授經過8年的孤軍奮戰,用130頁長的篇幅證明了費馬大定理。懷爾斯成為整個數學界的英雄。
費馬大定理提出的問題非常簡單,它是用一個每個中學生都熟悉的數學定理——畢達哥拉斯定理——來表達的。2000多年前誕生的畢達哥拉斯定理說:在一個直角三角形中,斜邊的平方等於兩直角邊的平方之和。即X2+Y2=Z2。大約在公元1637年前後 ,當費馬在研究畢達哥拉斯方程時,他寫下一個方程,非常類似於畢達哥拉斯方程:Xn+Yn=Zn,當n大於2時,這個方程沒有任何整數解。費馬在《算術》這本書的靠近問題8的頁邊處記下這個結論的同時又寫下一個附加的評註:「對此,我確信已發現一個美妙的證法,這裡的空白太小,寫不下。」這就是數學史上著名的費馬大定理或稱費馬最後的定理。費馬製造了一個數學史上最深奧的謎。
大問題
在物理學、化學或生物學中,還沒有任何問題可以敘述得如此簡單和清晰,卻長久不解。E·T·貝爾(Eric Temple Bell)在他的《大問題》(The Last Problem)一書中寫到,文明世界也許在費馬大定理得以解決之前就已走到了盡頭。證明費馬大定理成為數論中最值得為之奮鬥的事。
安德魯·懷爾斯1953年出生在英國劍橋,父親是一位工程學教授。少年時代的懷爾斯已著迷於數學了。他在後來的回憶中寫到:「在學校裡我喜歡做題目,我把它們帶回家,編寫成我自己的新題目。不過我以前找到的最好的題目是在我們社區的圖書館裡發現的。」一天,小懷爾斯在彌爾頓街上的圖書館看見了一本書,這本書只有一個問題而沒有解答,懷爾斯被吸引住了。
這就是E·T·貝爾寫的《大問題》。它敘述了費馬大定理的歷史,這個定理讓一個又一個的數學家望而生畏,在長達300多年的時間裡沒有人能解決它。懷爾斯30多年後回憶起被引向費馬大定理時的感覺:「它看上去如此簡單,但歷史上所有的大數學家都未能解決它。這裡正擺著我——一個10歲的孩子——能理解的問題,從那個時刻起,我知道我永遠不會放棄它。我必須解決它。」
懷爾斯1974年從牛津大學的Merton學院獲得數學學士學位,之後進入劍橋大學Clare學院做博士。在研究生階段,懷爾斯並沒有從事費馬大定理研究。他說:「研究費馬可能帶來的問題是:你花費了多年的時間而最終一事無成。我的導師約翰·科茨(John Coates)正在研究橢圓曲線的Iwasawa理論,我開始跟隨他工作。」 科茨說:「我記得一位同事告訴我,他有一個非常好的、剛完成數學學士榮譽學位第三部考試的學生,他催促我收其為學生。我非常榮幸有安德魯這樣的學生。即使從對研究生的要求來看,他也有很深刻的思想,非常清楚他將是一個做大事情的數學家。當然,任何研究生在那個階段直接開始研究費馬大定理是不可能的,即使對資歷很深的數學家來說,它也太困難了。」科茨的責任是為懷爾斯找到某種至少能使他在今後三年裡有興趣去研究的問題。他說:「我認為研究生導師能為學生做的一切就是設法把他推向一個富有成果的方向。當然,不能保證它一定是一個富有成果的研究方向,但是也許年長的數學家在這個過程中能做的一件事是使用他的常識、他對好領域的直覺。然後,學生能在這個方向上有多大成績就是他自己的事了。」
科茨決定懷爾斯應該研究數學中稱為橢圓曲線的領域。這個決定成為懷爾斯職業生涯中的一個轉折點,橢圓方程的研究是他實現夢想的工具。
孤獨的戰士
1980年懷爾斯在劍橋大學取得博士學位後來到了美國普林斯頓大學,並成為這所大學的教授。在科茨的指導下,懷爾斯或許比世界上其他人都更懂得橢圓方程,他已經成為一個著名的數論學家,但他清楚地意識到,即使以他廣博的基礎知識和數學修養,證明費馬大定理的任務也是極為艱巨的。
在懷爾斯的費馬大定理的證明中,核心是證明「谷山-志村猜想」,該猜想在兩個非常不同的數學領域間建立了一座新的橋梁。「那是1986年夏末的一個傍晚,我正在一個朋友家中啜飲冰茶。談話間他隨意告訴我,肯·裡貝特已經證明了谷山-志村猜想與費馬大定理間的聯繫。我感到極大的震動。我記得那個時刻,那個改變我生命歷程的時刻,因為這意味著為了證明費馬大定理,我必須做的一切就是證明谷山-志村猜想……我十分清楚我應該回家去研究谷山-志村猜想。」懷爾斯望見了一條實現他童年夢想的道路。
20世紀初,有人問偉大的數學家大衛·希爾伯特為什麼不去嘗試證明費馬大定理,他回答說:「在開始著手之前,我必須用3年的時間作深入的研究,而我沒有那麼多的時間浪費在一件可能會失敗的事情上。」懷爾斯知道,為了找到證明,他必須全身心地投入到這個問題中,但是與希爾伯特不一樣,他願意冒這個風險。
懷爾斯作了一個重大的決定:要完全獨立和保密地進行研究。他說:「我意識到與費馬大定理有關的任何事情都會引起太多人的興趣。你確實不可能很多年都使自己精力集中,除非你的專心不被他人分散,而這一點會因旁觀者太多而做不到。」懷爾斯放棄了所有與證明費馬大定理無直接關係的工作,任何時候只要可能他就回到家裡工作,在家裡的頂樓書房裡他開始了通過谷山-志村猜想來證明費馬大定理的戰鬥。
這是一場長達7年的持久戰,這期間只有他的妻子知道他在證明費馬大定理。
歡呼與等待
經過7年的努力,懷爾斯完成了谷山-志村猜想的證明。作為一個結果,他也證明了費馬大定理。現在是向世界公布的時候了。1993年6月底,有一個重要的會議要在劍橋大學的牛頓研究所舉行。懷爾斯決定利用這個機會向一群傑出的聽眾宣布他的工作。他選擇在牛頓研究所宣布的另外一個主要原因是劍橋是他的家鄉,他曾經是那裡的一名研究生。
1993年6月23日,牛頓研究所舉行了20世紀最重要的一次數學講座。兩百名數學家聆聽了這一演講,但他們之中只有四分之一的人完全懂得黑板上的希臘字母和代數式所表達的意思。其餘的人來這裡是為了見證他們所期待的一個真正具有意義的時刻。演講者是安德魯·懷爾斯。懷爾斯回憶起演講最後時刻的情景:「雖然新聞界已經颳起有關演講的風聲,很幸運他們沒有來聽演講。但是聽眾中有人拍攝了演講結束時的鏡頭,研究所所長肯定事先就準備了一瓶香檳酒。當我宣讀證明時,會場上保持著特別莊重的寂靜,當我寫完費馬大定理的證明時,我說:『我想我就在這裡結束』,會場上爆發出一陣持久的鼓掌聲。」
《紐約時報》在頭版以《終於歡呼「我發現了!」,久遠的數學之謎獲解》為題報導費馬大定理被證明的消息。一夜之間,懷爾斯成為世界上最著名的數學家,也是唯一的數學家。《人物》雜誌將懷爾斯與黛安娜王妃一起列為「本年度25位最具魅力者」。最有創意的讚美來自一家國際製衣大公司,他們邀請這位溫文爾雅的天才作他們新系列男裝的模特。
當懷爾斯成為媒體報導的中心時,認真核對這個證明的工作也在進行。科學的程序要求任何數學家將完整的手稿送交一個有聲望的刊物,然後這個刊物的編輯將它送交一組審稿人,審稿人的職責是進行逐行的審查證明。懷爾斯將手稿投到《數學發明》,整整一個夏天他焦急地等待審稿人的意見,並祈求能得到他們的祝福。可是,證明的一個缺陷被發現了。
我的心靈歸於平靜
由於懷爾斯的論文涉及到大量的數學方法,編輯巴裡·梅休爾決定不像通常那樣指定2-3個審稿人,而是6個審稿人。200頁的證明被分成6章,每位審稿人負責其中一章。
懷爾斯在此期間中斷了他的工作,以處理審稿人在電子郵件中提出的問題,他自信這些問題不會給他造成很大的麻煩。尼克·凱茲負責審查第3章,1993年8月23日,他發現了證明中的一個小缺陷。數學的絕對主義要求懷爾斯無可懷疑地證明他的方法中的每一步都行得通。懷爾斯以為這又是一個小問題,補救的辦法可能就在近旁,可是6個多月過去了,錯誤仍未改正,懷爾斯面臨絕境,他準備承認失敗。他向同事彼得·薩克說明自己的情況,薩克向他暗示困難的一部分在於他缺少一個能夠和他討論問題並且可信賴的人。經過長時間的考慮後,懷爾斯決定邀請劍橋大學的講師理察·泰勒到普林斯頓和他一起工作。
泰勒1994年1月份到普林斯頓,可是到了9月,依然沒有結果,他們準備放棄了。泰勒鼓勵他們再堅持一個月。懷爾斯決定在9月底作最後一次檢查。9月19日,一個星期一的早晨,懷爾斯發現了問題的答案,他敘述了這一時刻:「突然間,不可思議地,我有了一個難以置信的發現。這是我的事業中最重要的時刻,我不會再有這樣的經歷……它的美是如此地難以形容;它又是如此簡單和優美。20多分鐘的時間我呆望它不敢相信。然後白天我到系裡轉了一圈,又回到桌子旁看看它是否還在——它還在那裡。」
這是少年時代的夢想和8年潛心努力的終極,懷爾斯終於向世界證明了他的才能。世界不再懷疑這一次的證明了。這兩篇論文總共有130頁,是歷史上核查得最徹底的數學稿件,它們發表在1995年5月的《數學年刊》上。懷爾斯再一次出現在《紐約時報》的頭版上,標題是《數學家稱經典之謎已解決》。約翰·科茨說:「用數學的術語來說,這個最終的證明可與分裂原子或發現DNA的結構相比,對費馬大定理的證明是人類智力活動的一曲凱歌,同時,不能忽視的事實是它一下子就使數學發生了革命性的變化。對我說來,安德魯成果的美和魅力在於它是走向代數數論的巨大的一步。」
聲望和榮譽紛至沓來。1995年,懷爾斯獲得瑞典皇家學會頒發的Schock數學獎,1996年,他獲得沃爾夫獎,並當選為美國科學院外籍院士。
懷爾斯說:「……再沒有別的問題能像費馬大定理一樣對我有同樣的意義。我擁有如此少有的特權,在我的成年時期實現我童年的夢想……那段特殊漫長的探索已經結束了,我的心已歸於平靜。」
(據《科學時報》 王丹紅)

相關焦點

  • 懷爾斯證明費馬大定理
    三個世紀過去了,每一次試圖證明費馬大定理的嘗試都無果而終。一代又一代的數學家已經在這個問題上耗盡了信心。
  • 數學家懷爾斯證明費馬大定理
    在他10歲時,就被費馬大定理吸引住了,並從此選擇了數學作為終身職業。1986年,安德魯·懷爾斯決定向費馬大定理發動衝擊。他先用18個月的時間,收集了這次戰鬥所必要的數學工具,而他全面的估計是:接下來要做的,是可能長達10年的專心致志的努力。1993年6月,安德魯·懷爾斯在英國劍橋大學牛頓研究所做了三次學術報告,在最後一次演講結束時,他完成了對費馬大定理的證明。
  • 懷爾斯用新方法證明了費馬大定理,數學界認為費馬本人都未曾證明
    如果它是一道裂縫,一個無法修補的缺陷,那將使得整個大定理的證明崩塌殆盡。費馬去世後,他的兒子Samuel出版了一本新版《算術》,裡面囊括了他老爹在頁邊空白處所做的所有筆記。筆記中的數學命題,往往沒寫下證明過程,留下了一個極為誘人的挑戰。幾年內,讀者幾乎證明出了所有命題,除了那個關於高維勾股數組的命題,那是「最後一個」未能被證明的命題(費馬大定理也稱作「費馬最後的定理」)。
  • 從組合數學角度理解費馬小定理
    當然,費馬本人並沒有給出數學證明。據考證,歷史上第一個證明費馬小定理的人是德國數學家萊布尼茨。費馬作為「業餘數學家之王」,總是幹這種事情,費馬大定理也是如此,足足讓後人折騰了三百六十多年才最終由英國劍橋數學家安德魯·懷爾斯(Andrew John Wiles)得到證明。
  • 數學史上的「惡作劇」——費馬最後定理
    費馬通過研究最終得出結論:任何立方數都不可能寫為兩個立方數之和的形式;也沒有任何四次方數可以寫為另外兩個四次方數和的形式,普遍的說,任何2次以上的冪都不可能寫成另外兩個同次冪的形式,費馬得出的這個結論後來被稱為「費馬最後定理」。但是,費馬的這個看似十分簡單的陳述,卻在之後的三百多年間讓一切企圖證明它的努力徒呼無奈,在不期然間它仿佛變成了數學史上的一個「惡作劇」。
  • 一分鐘數學——費馬小定理
    先來看一下費馬小定理的具體內容:已知 p 為質數且整數 a 與 p 互質,那麼必有:a ^ (p-1) ≡ 1 ( mod p )。這個同餘式也就意味著,a ^ (p-1) mod p = 1。真神奇,為什麼呢?證明如下:將 a 分別 × 1,2,……,p -1,得到 a,2a,3a,……,(p-1) a,再分別對 p 取餘。
  • 費馬小定理
    那麼問題就來了:這64枚金幣的賭注應該如何分配才合理呢?法國數學長時間立於世界之巔,由此可見一斑。即使是數學領域的普通人,即便只是一次賭博,他們也要思考數學問題。  針對梅雷的問題,帕斯卡也思考了三年。客觀地說,帕斯卡獨立解出了這個問題,並提出了「數學期望」(mathematical expectation)這個概率學中經典的概念。不過當時,帕斯卡仍然覺得需要與人討論,於是寫信與另一個人討論——這個人就是費馬(Pierre de Fermat,皮耶·德·費馬,1601年8月17日-1665年1月12日)。
  • 費馬大定理:費馬自己故意不寫證明,坑了數學家們358年
    他就是費馬,留下了費馬大定理。費馬不怕,他在研究數學問題時心情是活潑的,這有利於思維發散,更好的研究數學。正是這樣的靈活轉變,才使得費馬創造出了費馬大定理。費馬大定理的闡述並不複雜,可令人奇怪的是,費馬自己並沒有給出來證明過程。這個傢伙開始調皮了,他在費馬大定理的手稿旁邊留下了一句話,大意是我已經想出了一個很巧妙的證明方法,但是紙已經沒地方寫了,那我就省略了。實際上他的手稿還有一片不小的空白,他在故意的引誘其他數學家。
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    在費馬最後定理的具有裡程碑意義的證據之後數十年,對如何使其更加可靠的想法比比皆是。但這些努力反映了對證明如此重要的原因的深刻誤解。去年6月23日,安德魯·威爾斯(Andrew Wiles)宣布他已經證明了費馬的最後定理,解決了350年前最為著名的數學問題。
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    費小定理與歐拉定理Ⅰ費馬小定理我們對費馬小定理和歐拉定理應該非常熟悉。
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    費馬小定理[ p是英語 prime number(素數)的首字母 ;n是 number 的首字母 ] 。(2) 還是對素數p=5,這裡取n=3,則有(3) 對素數p=3和正整數n=4,有您可以繼續,隨便取素數p和正整數n,對費馬小定理進行驗證。
  • 費馬:猜想還在繼續 - 遇見數學
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  • 濃墨重彩的費馬大定理證明
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    費馬宣稱自己證明了但在書邊寫不下證明過程的那個猜想,後來變成了費馬大定理。三百多年來,費馬大定理的證明吸引了大批數學家前僕後繼,也產生了諸多無心插柳式的成果。如今,費馬大定理算是得到了證明,但也許我們還是可以期待費馬曾以為得到過的那種簡明的證明。
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