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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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4.2 高中

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“整数……哦。”

“就要调查奇偶性……对吗?”

“所以呢?”米尔嘉丝毫不给我喘息的机会,追问道。

“确实,我们没法知道个数。但是,个数是,整数。”米尔嘉一字一顿,听得人心急。

“我好像被‘矛盾’这个词给搞昏头了。刚才学长很容易地就说出了‘推导出P章节插图两种结论’,可是一提到矛盾,我感觉就要引发大混乱了。一定是成语故事里面那个矛盾给我的印象太深刻了。”泰朵拉摆出拿矛刺盾的样子。

“不管对于任何定理P,把章节插图甩上去就可以……这样的话,重要的是知道定理是什么啊……”

“对。2a2 =b2 的左边有奇数个质因数 2,那么右边呢?”

“我记得是 relatively prime。”我说。

“怎么了,泰朵拉?”米尔嘉问道。

4.2.1 奇偶

盈盈这个女孩子今年上高二,跟我、米尔嘉同年级不同班,担任钢琴爱好者协会“最强音”的会长,除了上课,基本都坐在音乐教室的钢琴前面。

“这么说确实如此。不过P不一定是著名的定理,也可以是一个小的命题,只要被证明了就行。”

“推导矛盾指的是表明

“那么,就像泰朵拉说的,我们来研究一下奇偶性看看。”米尔嘉说,“2a2 含有奇数个质因数 2 ?还是偶数个质因数 2 ?”

“嗯?”

“纯真公主和青涩王子!回家喽!”盈盈说。

“嗯,可以啊。跟数学领域什么的没有关系。”

米尔嘉和盈盈开始四手联弹。这应该也是巴赫的曲子吧。

而是去证明像章节插图这样明显相当于 false 的结论。

章节插图

在数学领域,除了证明定理P以外,

“嗯,确实。反证法很不容易,因为要从错误的命题出发,进行正确的论证,再不断推导出错误的命题。不仅如此,最后想准确地推导出矛盾也是很难的。”

其他更常用的方法是假设P为 false,从而推导出矛盾

“没错!”泰朵拉用力点着头。从她身上飘来一阵甜甜的香气。

P是什么样的命题都无所谓。用逻辑公式写下来就是这样。

“诶?比较两边质因数 2 的个数,确实不等于比较两边的值……吗?不过你的证明应该是对的,因为式子是个等式,所以只要判断左边和右边整数的结构相同就可以了。整数的结构是用质因数表示的,所以……”

“喔?泰朵拉指出来的这点很有趣嘛。你什么意见?”米尔嘉把话锋转向我。

“因为b2 是平方数,所以有偶数个质因数 2……”我说。

“嗯,我明白。”

到这一步,跟你的证明是相同的…… 在这里,我要问了 —— 如果将 2a2 分解质因数,有几个质因数 2 ?”

对了,教科书中把P的否定写作章节插图,而讲逻辑的书里则写作章节插图(not P)。虽说要推导出矛盾,也不是非得在自己的证明过程中推导出P章节插图两种结论。打个比方,P可以是证明完毕的命题,也就是定理。这时只要在自己的证明过程中推导出章节插图,然后说‘跟定理P相矛盾’就可以了。”

4.2.2 矛盾

“在刚才的证明过程中,出现了

2a2 =b2

这么说来,米尔嘉在要跟我分个高下的时候绝对不会移开视线,但是有时候也会唰地看向别处,比如说被我表扬的时候……难不成米尔嘉是在害羞?

米尔嘉把食指伸到我面前,晃了两三下。

钢琴声停了。

“其他的证明方法?”我很疑惑。

不研究 2a2 的奇偶性,却去研究质因数 2 的个数的奇偶性?

“说到整数就?”

P含有奇数个质因数 2章节插图不含有奇数个质因数 2

把两边同时平方,去分母得到

泰朵拉双眼瞪得大大的,听得入神。

泰朵拉小声说了句“完蛋”。

常抄个近道:不直接表明 false,

“米尔嘉,你那个证明方法很有趣啊。”

“你知道其他的证明方法吗?”一直看着盈盈的米尔嘉转过身来,冷不丁地问了一句。还以为她在专心听弹琴,没想到她一直在认真地听我们说话啊。

“就这样,我给她讲了怎么证明章节插图不是有理数。”我说。

“刚才在米尔嘉的证明过程中,推导出了两个命题,即‘含有奇数个质因数 2’和‘不含有奇数个质因数 2’。这就是导出P章节插图两种结论的例子。”

——David Griess,Fred B. Schneider,A Logical Approach to Discrete Math[21]

“好了,这样我们的工作就告一段落了。”

“存在奇数个质因数 2”← 从左边可知“不存在奇数个质因数 2”← 从右边可知

“好吧,那我以后推导矛盾的时候,尽量想着章节插图。啊,对了……学长?”泰朵拉声音一下子变小了。

“那,那个……”

“就是这样,推导矛盾好难啊,总觉得‘推导矛盾’就好像在做错事一样。呜呜呜……”泰朵拉继续说道。

放学后,我们在音乐教室随便找了个座位闲聊。盈盈一心一意地弹着钢琴。刚才那首曲子是二声部创意曲。我把之前跟尤里讲的话告诉泰朵拉跟米尔嘉,不过米尔嘉一直面对着盈盈的方向。

“大家快跟米尔嘉女王大人一起回家吧!”

“怎么能知道有几个 2 啊。”我说。

“这样啊……”泰朵拉说,“还有质因数分解的唯一分解定理这回事啊……嗯,真后悔没一下子想到。我思维练习还不够啊。不过,尽管这样……”

P’且‘非P

2a2 =b2

“嗯……”

这样啊……着眼 于“质因数 2 的个数的奇偶性”,从而推导出矛盾,而且还省去了ab互质这个前提。有意思。

泰朵拉轻轻咬着指甲,沉默了一会儿。又开始慢悠悠地说道:“用反证法表明矛盾的时候用章节插图,命题P是什么都可以吗?就是说……用反证法证明数论的时候,也可以利用几何和解析定理推导出矛盾吧?”

“relatively prime,就是相对地质,对吧。”泰朵拉点点头说,“可能指的是两个数互相起到质数的作用吧。”泰朵拉英语很好,用英语理解似乎能理解得更透彻。

没错,我明白了!因为a2 是平方数,所以包含偶数个质因数。当然,也包含偶数个质因数 2。而 2a2 是a2 再乘以一个 2,所以有奇数个质因 数 2……

“废话太多了。只要说‘根据质因数分解的唯一分解定理,等式两边每个质因数的个数都是一样的’就行了。”

泰朵拉一副不理解的模样。

米尔嘉说着把脸别过去,突然站起来,开始跟还在不停地弹着钢琴的盈盈说起话来。

章节插图

“推导出了矛盾。”米尔嘉说,“根据反证法,章节插图不是有理数。Quod Erat Demonstrandum。证明完毕。”

“学长真是会教人啊。”泰朵拉说,“‘互质’……用英语该怎么说呢?”

米尔嘉竖起食指。

“用反证法。”米尔嘉说,“假设章节插图是有理数,则存在整数a,b使得

(即推导出 false 或相当于 false 的结论)。

诶?

“两边质因数 2 的个数不一样。矛盾。”我说。

这个等式。”泰朵拉说,“米尔嘉你刚才的意思是这个等式左边和右边的值相等对吧,但是我感觉刚刚你用的不是‘值相等’这一点,所以我才会有些焦躁。”

“反证法还真是常用啊。”泰朵拉坐到我旁边,“我……对反证法很不拿手。虽然能假设原命题的否定,但是总记不住。因为心里总留意着这个命题是错的……”

“啊!奇数个!”我提高了嗓门。

泰朵拉回答。

解答4-1a (章节插图不是有理数的另一种证明方法)

使用反证法。

1. 假设章节插图是有理数。

2. 存在整数a,b使得章节插图(a≠ 0)。

3. 将两边同时平方,去分母得到2a2 =b2。

4. 左边含有奇数个质因数 2。

5. 右边含有偶数个质因数 2。

6. 这就推导出了矛盾。

7. 因此,章节插图不是有理数。

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