數(shù)學(xué)文化之費(fèi)爾馬大定理及其證明

1、教育資源數(shù)學(xué)文化之費(fèi)爾馬大定理及其證明數(shù)學(xué)一直都是小學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，因此，查字典數(shù)學(xué)網(wǎng)小學(xué)頻道精心為大家提供了費(fèi)爾馬大定理及其證明，希望對(duì)大家有所幫助。近代數(shù)學(xué)如參天大樹(shù)，已是分支眾多，枝繁葉茂。在這棵蒼勁的大樹(shù)上懸掛著不勝其數(shù)的數(shù)學(xué)難題。其中最耀眼奪目的是四色地圖問(wèn)題、費(fèi)爾馬大定理和哥德巴赫猜想。它們被稱(chēng)為近代三大數(shù)學(xué)難題。300多年以來(lái)，費(fèi)爾馬大定理使世界上許多著名數(shù)學(xué)家殫精竭慮，有的甚至耗盡了畢生精力。費(fèi)爾馬大定理神秘的面紗終于在2019年揭開(kāi)，被43歲的英國(guó)數(shù)學(xué)家維爾斯一舉證明。這被認(rèn)為是20世紀(jì)最重大的數(shù)學(xué)成就。費(fèi)爾馬大定理的由來(lái)故事涉及到兩位相隔1400年的數(shù)學(xué)家，一位是古希臘的丟

2、番圖，一位是法國(guó)的費(fèi)爾馬。丟番圖活動(dòng)于公元250年前后。1637年，30來(lái)歲的費(fèi)爾馬在讀丟番圖的名著算術(shù)的法文譯本時(shí)，他在書(shū)中關(guān)于不定方程xA2+yA2=zA2的全部正整數(shù)解這頁(yè)的空白處用拉丁文寫(xiě)道：任何一個(gè)數(shù)的立方，不能分成兩個(gè)數(shù)的立方之和;任何一個(gè)數(shù)的四次方，不能分成兩個(gè)數(shù)的四次方之和，一般來(lái)說(shuō)，不可能將一個(gè)高于二次的冪分成兩個(gè)同次的冪之和。我已發(fā)現(xiàn)了這個(gè)斷語(yǔ)的美妙證法，可惜這里的空白地方太小，寫(xiě)不下。費(fèi)爾馬去世后，人們?cè)谡硭倪z物時(shí)發(fā)現(xiàn)了這段寫(xiě)在書(shū)眉上的話(huà)。1670年，他的兒子發(fā)表了費(fèi)爾馬的這一部分頁(yè)端筆記，大家才知道這一問(wèn)題。后來(lái)，人們就把這一論斷稱(chēng)為費(fèi)爾馬大定理。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)就

3、是：形如xAn+yAn=zAn的方程，當(dāng)n大于2時(shí)沒(méi)有正整數(shù)解。費(fèi)爾馬是一位業(yè)余數(shù)學(xué)愛(ài)好者，被譽(yù)為業(yè)余數(shù)學(xué)家之王。1601年，他出生在法國(guó)南部圖盧茲附近一位皮革商人的家庭。童年時(shí)期是在家里受的教育。長(zhǎng)大以后，父親送他在大學(xué)學(xué)法律，畢業(yè)后當(dāng)了一名律師。從1648年起，擔(dān)任圖盧茲市議會(huì)議員。他酷愛(ài)數(shù)學(xué)，把自己所有的業(yè)余時(shí)間都用于研究數(shù)學(xué)和物理。由于他思維敏捷，記憶力強(qiáng)，又具備研究數(shù)學(xué)所必須的頑強(qiáng)精神，所以，獲得了豐碩的成果，使他躋身于17世紀(jì)大數(shù)學(xué)家之列。艱難的探索起初，數(shù)學(xué)家想重新找到費(fèi)爾馬沒(méi)有寫(xiě)出來(lái)的那個(gè)美妙證法，但是誰(shuí)也沒(méi)有成功。著名數(shù)學(xué)家歐拉用無(wú)限下推法證明了方程xA3+yA3=zA3和x

4、A4+yA4=zA4不可能有正整數(shù)解。因?yàn)槿魏我粋€(gè)大于2的整數(shù)，如果不是4的倍數(shù)，就一定是某一奇素?cái)?shù)或它的倍數(shù)。因此，只要能證明n=4以及n是任一奇素?cái)?shù)時(shí)，方程都沒(méi)有正整數(shù)解，費(fèi)爾馬大定理就完全證明了。n=4的情形已經(jīng)證明過(guò)，所以，問(wèn)題就集中在證明n等于奇素?cái)?shù)的情形了。在歐拉證明了n=3，n=4以后，1823年和1826年勒讓德和狄利克雷各自獨(dú)立證明了n=5的情形，1839年拉梅證明了n=7的情形。就這樣，一個(gè)一個(gè)奇素?cái)?shù)證下去的長(zhǎng)征便開(kāi)始了。其中，德國(guó)數(shù)學(xué)家?guī)炷瑺栕鞒隽酥匾暙I(xiàn)。他用近世代數(shù)的方法，引入了自己發(fā)明的理想數(shù)和分圓數(shù)的概念，指出費(fèi)爾馬大定理只可能在n等于某些叫非正則素?cái)?shù)的值時(shí)，才有

5、可能不正確，所以只需對(duì)這些數(shù)進(jìn)行研究。這樣的數(shù)，在100以?xún)?nèi)，只有37、59、67三個(gè)。他還具體證明了當(dāng)n=37、59、67時(shí)，方程xAn+yAn=zAn是不可能有正整數(shù)解的。這就把費(fèi)爾馬大定理一下推進(jìn)到n在100以?xún)?nèi)都是成立的。庫(kù)默爾成批地證明了定理的成立，人們視之為一次重大突破。1857年，他獲得巴黎科學(xué)院的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆＿@一長(zhǎng)征式的證法，雖然不斷地刷新著記錄，如1992年更進(jìn)到n=1000000,但這不等于定理被證明?？磥?lái)，需要另辟蹊徑。10萬(wàn)馬克獎(jiǎng)給誰(shuí)從費(fèi)爾馬時(shí)代起，巴黎科學(xué)院曾先后兩次提供獎(jiǎng)?wù)潞酮?jiǎng)金，獎(jiǎng)勵(lì)證明費(fèi)爾馬大定理的人，布魯塞爾科學(xué)院也懸賞重金，但都無(wú)結(jié)果。1908年，德國(guó)數(shù)學(xué)家佛

6、爾夫斯克爾逝世的時(shí)候，將他的10萬(wàn)馬克贈(zèng)給了德國(guó)哥庭根科學(xué)會(huì)，作為費(fèi)爾馬大定理的解答獎(jiǎng)金。哥庭根科學(xué)會(huì)宣布，獎(jiǎng)金在100年內(nèi)有效。哥庭根科學(xué)會(huì)不負(fù)責(zé)審查稿件。10萬(wàn)馬克在當(dāng)時(shí)是一筆很大的財(cái)富，而費(fèi)爾馬大定理又是小學(xué)生都能聽(tīng)懂題意的問(wèn)題。于是，不僅專(zhuān)搞數(shù)學(xué)這一行的人，就連很多工程師、牧師、教師、學(xué)生、銀行職員、政府官吏和一般市民，都在鉆研這個(gè)問(wèn)題。在很短時(shí)間內(nèi)，各種刊物公布的證明就有上千個(gè)之多。當(dāng)時(shí)，德國(guó)有個(gè)名叫數(shù)學(xué)和物理文獻(xiàn)實(shí)錄的雜志，自愿對(duì)這方面的論文進(jìn)行鑒定，到1911年初為止，共審查了111個(gè)證明，全都是錯(cuò)的。后來(lái)實(shí)在受不了沉重的審稿負(fù)擔(dān)，于是它宣布停止這一審查鑒定工作。但是，證明的浪潮

7、仍洶涌澎湃，雖然兩次世界大戰(zhàn)后德國(guó)的貨幣多次大幅度貶值，當(dāng)初的10萬(wàn)馬克折算成后來(lái)的馬克已無(wú)多大價(jià)值。但是，熱愛(ài)科學(xué)的可貴精神，還在鼓勵(lì)著很多人繼續(xù)從事這一工作。姍姍來(lái)遲的證明經(jīng)過(guò)前人的努力，證明費(fèi)爾馬大定理取得了許多成果，但離定理的證明，無(wú)疑還有遙遠(yuǎn)的距離。怎么辦?來(lái)必須要用一種新的方法，有的數(shù)學(xué)家用起了傳統(tǒng)的辦法一一轉(zhuǎn)化問(wèn)題。人們把丟番圖方程的解與代數(shù)曲線(xiàn)上的某種點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，成為一種代數(shù)幾何學(xué)的轉(zhuǎn)化，而費(fèi)爾馬問(wèn)題不過(guò)是丟番圖方程的一個(gè)特例。在黎曼的工作基礎(chǔ)上，1922年，英國(guó)數(shù)學(xué)家莫德?tīng)柼嵊梢粋€(gè)重要的猜想。：設(shè)F（x,y）是兩個(gè)變數(shù)x、y的有理系數(shù)多項(xiàng)式，那么當(dāng)曲線(xiàn)F（x，y）=0的虧格（

8、一種與曲線(xiàn)有關(guān)的量）大于1時(shí)，方程F（x，y）=0至多只有有限組有理數(shù)。1983年，德國(guó)29歲的數(shù)學(xué)家法爾廷斯運(yùn)用蘇聯(lián)沙法拉維奇在代數(shù)幾何上的一系列結(jié)果證明了莫德?tīng)柌孪搿＿@是費(fèi)爾馬大定理證明中的又一次重大突破。法爾廷斯獲得了1986年的菲爾茲獎(jiǎng)。維爾斯仍采用代數(shù)幾何的方法去攀登，他把別人的成果奇妙地聯(lián)系起來(lái)，并且吸取了走過(guò)這條道路的攻克者的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，注意到一條嶄新迂回的路徑：如果谷山一一志村猜想成立，那么費(fèi)爾馬大定理一定成立。這是1988年德國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)雷在研究日本數(shù)學(xué)家谷山志村于1955年關(guān)于橢圓函數(shù)的一個(gè)猜想時(shí)發(fā)現(xiàn)的。維爾斯出生于英國(guó)牛津一個(gè)神學(xué)家庭，從小對(duì)費(fèi)爾馬大定理十分好奇、感興趣，這條

9、美妙的定理導(dǎo)致他進(jìn)入了數(shù)學(xué)的殿堂。大學(xué)畢業(yè)以后，他開(kāi)始了幼年的幻想，決心去圓童年的夢(mèng)。他極其秘密地進(jìn)行費(fèi)爾馬大定理的研究，守口如瓶，不透半點(diǎn)風(fēng)聲。窮七年的鍥而不舍，直到1993年6月23日。這天，英國(guó)劍橋大學(xué)牛頓數(shù)學(xué)研究所的大廳里正在進(jìn)行例行的學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)。報(bào)告人維爾斯將他的研究成果作了長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)半小時(shí)的發(fā)言。10點(diǎn)30分，在他結(jié)束報(bào)告時(shí)，他平靜地宣布：因此，我證明了費(fèi)爾馬大定理。這句話(huà)像一聲驚雷，把許多只要作例行鼓掌的手定在了空中，大廳時(shí)鴉雀無(wú)聲。半分鐘后，雷鳴般的掌聲似乎要掀翻大廳的屋頂。英國(guó)學(xué)者顧不得他們優(yōu)雅的紳士風(fēng)度，忘情地歡騰著。消息很快轟動(dòng)了全世界。各種大眾傳媒紛紛報(bào)道，并稱(chēng)之為世紀(jì)性的成就。人們認(rèn)為，維爾斯最終證明了費(fèi)爾馬大定理，被列入1993年世界科技十大成就之一。可不久，傳媒又迅速地報(bào)出了一個(gè)爆炸性新聞：維爾斯的長(zhǎng)達(dá)200頁(yè)的論文送交審查時(shí)，卻被發(fā)現(xiàn)證明有漏洞。維爾斯在挫折面前沒(méi)有止步，他用一年多時(shí)間修改論文，補(bǔ)正漏洞。這時(shí)他已是為伊消得人憔悴，但他衣帶漸寬終不悔。1994年9月，他重新寫(xiě)出一篇108頁(yè)的論文，寄往美國(guó)。論文順利通過(guò)審查，美國(guó)的數(shù)學(xué)年刊雜志于2019年5月發(fā)表了他的這一篇論文。維爾斯因此獲得了20192019年度的沃爾夫數(shù)學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)過(guò)300多年的不斷奮戰(zhàn)，數(shù)學(xué)家們世代的努力，圍繞費(fèi)爾馬大定理作出了許多