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数学女孩2:费马大定理 作者:结城浩 近现代)

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2.5 家中

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解答2-1

存在无数个基本勾股数。

那么就用A'C'来表示ac

B2 =AC这个式子到底能说明什么呢?

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这个命题,用反证法马上就能证明了啊。

“有趣的东西”是指什么啊,我忍不住吐槽自己。

因为ca都是奇数,所以下述式子成立。

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c+a= 偶数c-a= 偶数

2.5.3 向着乘积的形式进发

我走到厨房,拿了一块妈妈珍藏的 GODIVA 巧克力。

现在假设ac的最大公约数为g,且g大于 1,那么存在自然数J,K使得a=gJ,c=gK。然后……

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这样b2 就是g2 的倍数,所以bg的倍数。也就是说,a,b,c这三个数都是g的倍数。然而这不符合a,b,c三个数互质这一条件, 所以ac的最大公约数g大于 1 这个假设不成立,所以ac的最大公约数是 1,ac是互质的。

同理可证abbc之间也是互质的。

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c+ac-a皆为偶数,b也是偶数……。好,用数学公式把“偶数”表现出来看看。将A,B,C设为自然数,可写成如下形式。

家里人都已进入梦乡。我独自在书桌前思考数学。旁边空无一人,无人与我搭话。这是我一天中非常宝贵的时间。

反证法 —— 假定原命题不成立,从而推导出矛盾的方法。

现在假定ab都是奇数,然后跟刚才一样调查奇偶性。

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解答 2-4

不存在ab皆为奇数的基本勾股数(a,b,c)。

“存在无数个基本勾股数吗?”

今天就沉下心来思考泰朵拉的问题吧。

解答2-3

不存在ab皆为偶数的基本勾股数(a,b,c)。

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B2 =AC的左边是平方数,右边是乘积的形式。虽然化成了乘积的形式,不过下一步应该从哪边着手呢?

现在已知ac互质。嗯……话说回来,此时AC呢?AC也是互质的吗?

嗯,这个问题不难。绝对不存在a,b都是偶数的情况。因为如果假设a,b都为偶数,这样由a2 +b2 =c2 这个关系式可知,c也会是偶数。因为a,b都是偶数的话,a2 和b2 都是偶数,两个偶数的和a2 +b2 也是偶数。又因为c2 就等于a2 +b2,所以c2 也是偶数。平方为偶数的数字只能是偶数,所以c是偶数。

确实,分解质因数就能明白整数的结构。但是怎么把a2 +b2 =c2 分解质因数呢?嗯……不用质因数的乘积,只用“乘积的形式”表示行不行?

嗯。这下得到了 (c+a)(c-a) 的“乘积的形式”。但是c+ac-a都不一定是质数,所以这不能称为分解质因数。这条路走不通吗……

我又想起了米尔嘉的歌。

我注意到c肯定为奇数,于是就试着把表里所有的奇数都圈上了圆圈。

等等,ac是互质的吗?根据基本勾股数的定义可知,a,b,c的最大公约数为 1。然而就算三个数的最大公约数为 1,其中两个数的最大公约数也不一定为 1。比方说 3, 6, 7 这三个数的最大公约数为 1,但是把 3 和 6 单拿出来,它们的最大公约数是 3……

我将第二条丝带绑在树上,深呼吸。虽然有点累,不过还能在林中走一阵子。接下来,往哪儿走呢?

要证明的命题是“AC互质”,所以反过来假设“AC不互质”。此时AC的最大公约数不为 1,即大于等于 2。把AC的最大公约数设为d(d≥ 2)。dAC的最大公约数,所以既是 A 的约数,也是C的约数。反过来说,AC都是d的倍数,因此存在满足以下关系式的自然数A',C'

好吧,用数学公式吧。

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出现矛盾,是因为最初假设了“AC不互质”。因此,“AC不互质”是不正确的,根据反证法可知“AC互质”。

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沿用刚才的例子 22 × 34,这个数可以表示为互质的两个自然数AC的乘积。如果有 1 个质因数 2 包含在A的质因数分解中,则所有的 22 都应该包含在A的质因数分解中。如果有 1 个质因数 3 包含在A的质因数分解中,则所有的 34 都应该包含在A的质因数分解中。某个质因数不能同时放在AC中。拿 22 × 34 来说,只能出现如下四种拆分方法。

在此,第二条丝带——“AC互质”这个条件有用了。AC互质,也就是说AC的最大公约数为 1,换言之就是AC没有共同的质因数。考虑B的质因数bk,则任意一个质因数bk不包含在A中,就包含在C中!

在奇数上圈上圆圈

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我认为可以说AC互质。但是说“认为”太主观,必须证明才行。

结果表明,ab其中一方为奇数,另一方为偶数。换言之,ab的奇偶性不一致。也就是说,只能存在“a为奇数,b为偶数”或“a为偶数,b为奇数”的情况。在此假设“a为奇数,b为偶数”。因为ab的奇偶性刚好相反,所以想求“a为偶数,a为奇数”的情况时,只需要交换ab的位置即可。

然后又因为b= 2B,所以……这里需要计算一下。

原来是这样。将平方数分解质因数,就会发现里面包含偶数个质因数。

因为AC没有共同的质因数,所以毫无疑问,mn也是互质的。到头来a,b,c都可以用互质的mn来表示了!

问题 2-6

  • A, B, C 是自然数。

  • B2 = AC 是成立的。

  • AC 互质。

此时,就没有什么有趣的东西吗。

“整数的结构,是由质因数表示的。”

现在舞台已经从a,b,c转向了A,B,C

听课是为了刺激自己学数学,读书也是为了研究数学。但是如果不留出时间充分开动脑筋,动手实践,听课和读书就完全没有意义了。

问题2-5

ac互质,当c-a= 2Ac+a= 2C时,可以说AC互质吗?

由此可以说“ab不能皆为偶数”。虽然不知道这能否成为解开泰朵拉卡片上问题的重要线索,不过这的确是一个重要的事实。

问题2-3

存在ab皆为偶数的基本勾股数(a,b,c)吗?

这样啊……将A,B,C分解质因数,会变成什么形式呢?以下这种形式吗?

这下,隐藏在基本勾股数中的结构就浮现出来了。只要明确到这一步,泰朵拉的问题自然也就迎刃而解了。

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a,b,c的互质关系也可以通过简单的计算得到。

说起巧克力,之前还从米尔嘉那拿了一块奇巧威化巧克力。我想起了当时她说的话。

咦?ab之中似乎总有一个是奇数。不过这是偶然?还是一般现象?我把心中的疑问记了下来。

接下来,因为c=C+A,所以下式是成立的。

在这个式子左边的 4(J2 -J+K2 -K) + 2 中,因为后面的 +2 是用 4 除不尽的,所以整个式子用 4 除不尽。

左边用 4 除不尽,右边可以被 4 整除。这就构成了矛盾。

2.5.5 分解质因数

假定a,b皆为奇数,如下所示,分别用自然数J,K来表示a,b

a=d(C'-A') 可知“ad的倍数”。

根据反证法,假定的“a,b皆为奇数”不成立,因此a,b不能皆为奇数。

因为ac都是d的倍数,所以d≥ 2 是ac的公约数。换言之,即“ac的最大公约数大于等于 2”。然而问题中给出的条件是ac互质,所以“ac的最大公约数应该为 1”。好,这样就引出了矛盾。

好像我已经从原本的问题——“存在无数个基本勾股数吗”跑偏到外星球去了。

“整数的结构,是由质因数表示的。”

夜晚。

好了,继续吧!—— 话说,肚子有点饿了呢。

例如 182 这个平方数,分解得 182 = (2 × 3 × 3)2 = 22 × 34,里面包含质因数 2 和 3,2 和 3 的个数都是偶数。想想就觉得理应如此。

不同的质数之间是互质的,所以使用质数列,就应该可以创造出无数个基本勾股数。例如设n= 2,m为大于等于 3 的质数。把m依次定为 3, 5, 7, 11, 13 的话,从mn的组合中可以创造出不同的 (a,b ,c)。因为质数有无数个,所以可以创造出无数个基本勾股数。

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最后,a,b,c就可以用互质的mn来表示。

将其代入勾股定理。

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另一方面,右边的c2 是 4 的倍数,也就是说可以被 4 整除。

嗯……啊,我太傻了,又不是“总忘记条件的泰朵拉”,怎么把条件给丢了呢。计算前不是已经假定a为奇数,b为偶数了吗。因为a为奇数,b为偶数,所以c就为奇数。这样ca都是奇数,c+a就是偶数,c-a也是偶数。因为奇偶数之间普遍存在着以下关系。

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2.5.4 互质

首先,因为a=C-A,所以

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“就算是明摆着的事,最好也要认真总结下来哦。”

路途很漫长,不过没有行差踏错。

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另一方面,下式是成立的。

变量太多了很头痛,不过还可以前进。弄错了方向的话,再回头看看笔记就好。

啊,我明白了!

厉害厉害,因为AC是平方数,所以可以用自然数m,n来表示,如下所示。

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喔?将B2 分解质因数时,质因数bk全变成了这种平方的形式。

2.5.1 调查奇偶性

奇数 + 奇数 = 偶数奇数 - 奇数 = 偶数

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把以上式子代入关系式B2 =AC 观察一下。

解答2-6

  • A, B, C 是自然数。

  • B2 = AC 是成立的。

  • AC 互质。

此时,AC是平方数

这下就把勾股定理中自然数a,b,c的“和的形式”变换成了自然数A,B,C的“乘积的形式”。只调查一下a,b,c的奇偶性,就迈出了一大步。但是,还不知道这条路走得对不对。

这次我来消去c

基本勾股数的一般形式

互质的一组自然数(a,b,c),当满足关系式章节插图时,可全部用以下形式表示(可以交换a,b的位置)。

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  • mn 互质

  • 满足条件 m > n

  • m, n 有一个是偶数,另一个是奇数

a是奇数,则a2 也为奇数。b是奇数,则b2 也是奇数。a2 +b2 = 奇数 + 奇数 = 偶数。由a2 +b2 =c2 可知,c2 为偶数。c2 为偶数的话,c也是偶数。也就是说,c是 2 的倍数。2 的倍数的平方是 4 的倍数,因此可以得知c2 是 4 的倍数。嗯,这想法有戏。然后,然后……这之后能推断出什么呢?

我绕着房间来回转圈,冥思苦想,环视书架,突然脑中浮现出尤里踮着脚尖张望的背影。这时我耳边响起自己说过的那句话。

AC中不能出现相同的质因数。而且质因数的个数是偶数……这也就意味着,AC都是平方数。

我认真地思考着。

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首先,试着列表总结一下基本勾股数,看看能不能发现什么。

嗯……基本勾股数中,a,b不会皆为偶数,那么是否存在“皆为奇数”的情况呢?

2.5.2 使用数学公式

解答2-5

ac互质,当c-a= 2Ac+a= 2C时,可以说AC互质。

根据质因数分解的唯一分解定理 —— 分解质因数的方法是唯一的 —— 可知,B2 =AC的左边和右边,质因数列是完全一致的。左边出现的质因数应该也会在右边的某处出现。也就是说——

等一下,这样A会不会变成负数呢?不,不会的。因为a,b,c是直角三角形的三条边,斜边c肯定长于直角边a,也就是说c>a。所 以c-a> 0, 2A> 0。那么,来研究一下A,B,C吧。

问题2-4

存在ab皆为奇数的基本勾股数(a,b,c) 吗?

研究奇偶性,留意着互质这个条件分解质因数……我得到了基本勾股数的一般形式。

至此已经求得“AC互质”,这也是个重要的事实,是第二条标记用的丝带。

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那么,总结一下明摆着的事吧。

我徘徊在数学公式的森林中,对于我而言,重要的事实犹如用来做标记的丝带。“ab不能皆为偶数”这个事实也是一条丝带。为了不时之需还是先绑在树枝上吧。说不定在探寻森林出口时就能派上用场。

不,不对。因为存在a2 +b2 =c2 这个关系式,所以在基本勾股数的情况下,可以说“ac的最大公约数是 1”。

因此,可知下式是成立的。

也就是说,a,b如果都是偶数,c自然而然就为偶数。然而这违背了基本勾股数的定义:a,b,c的最大公约数为 1。因为a,b,c全是偶数的话,a,b,c的最大公约数就会大于等于 2。

反过来,像上面这样用mn的形式表示的一组数 (a,b,c) 肯定是基本勾股数。这个只要计算一下就能确定。

因为a> 0,所以m>n。又因为a是奇数,所以mn的奇偶性应该是不一致的。

刚刚考虑的式子B2 =AC难不成相当于“平方数”等于“互质的两个整数的乘积”?这难道是路标吗?

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