为了打破这个僵局,库默尔提出了理想数这个概念,戴德金以集合的形式将其整理为“理想”概念。“理想”概念有“理想”公理,就像数字一样,其计算得到了定义。“理想”具有的最重要的性质 —— 当然是质因数分解的唯一分解定理。根据“理想”,“质因数分解的唯一分解定理”复活了。库默尔证明了对于“正规质数”,费马大定理是成立的。
“原来如此。”
那是在 20 世纪,在日本。1955 年,也就是第二次世界大战结束十年后,数学国际会议于日本召开。谷山 - 志村猜想也是在那个时候诞生的。渐渐地,谷山 - 志村猜想成为了连接“椭圆曲线”和“自守形式”(模形式)两个世界的巨大桥梁。如何将这个猜想转变为定理成为了数论领域的重要课题。但很明显,这是一个巨大的难题。但是谁都没注意到,这个数论领域的重要课题于费马大定理也是一个重要课题。
那个时代人们使用的武器有倍数、约数、最大公约数、质数、互质,还有无穷递降法。
在 19 世纪,狄利克雷证明了 FLT(5),勒让德补充了狄利克雷的证明。然而拉梅证明了 FLT(7) 以后,就后继无人了。因为证明过程太过复杂了。
我确信已发现了一种美妙的证法,
可惜这里空白的地方太小,写不下。
“这么一说,也是啊。”泰朵拉歪着头,满脸写着不可思议四个大字。
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19 世纪结束。自费马写下那段话后,已经过去了 250 年。
1985 年,弗赖提出了一个让人眼前一亮的观点。假设“费马大定理不成立”,就能创造出一个跟谷山 - 志村猜想相矛盾的反例。这样就在费马大定理与谷山 - 志村猜想间建立了联系。话虽这么说,这也只是把一个难题归结到另一个难题上,问题并没有变简单。
1847 年,拉梅和柯西开始竞相证明“费马大定理”。当时关键在于粉碎xp+yp=zp,在复数领域进行因式分解。
进入 18 世纪。欧拉老师证明了 FLT(3)。
“然而,并不是。”
“库默尔的代数数论结出了丰硕的果实。”米尔嘉说道,“怀尔斯的证明中,代数数论还是基本的工具。然而由于代数数论的直接扩张,费马大定理没有得到证明。我们继续讲几何数论时代吧。那是在 20 世纪,在日本。”
他们想在整数环的基础上将xp+yp分解质因数,使因子 (x+αky) 之间互质,各因子是“p次方数”,带进无穷递降法里。然而他们失败了。因为——
1993 年,怀尔斯声明他证明了费马大定理。然而证明有缺陷,但他继续挑战,终于在 1994 年跟泰勒一起修正了缺陷,完全证明了费马大定理。
如果不满足质因数分解的唯一分解定理,那么即使p次方数的各因子互质,各因子也不一定是p次方数。库默尔指出了这一点,争论得以结束。整数环中,“质因数分解的唯一分解定理”就此消亡。
“跟我们解题的时候一样,按照‘从特殊到一般’的顺序。”
“费马大定理就是这样被证明的啊!”泰朵拉在胸前握紧双拳说道。
而挑战了这个难题的人是怀尔斯。他在自己家中独自一人进行了长达七年的研究。其间他一直在大学授课,但没人知道他一直在挑战费马大定理。
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“诶?诶诶诶?”
“这样啊……”我说,“从 3 世纪的丢番图,到巴歇,再到 17 世纪的费马,然后通过山缪传到更远的未来。数学穿越时空流传后世啊……”
在此α是这个复数。因为由欧拉的公式可知,所以α的绝对值是 1,幅角是。也就是说,α是 1 的p次方根之一。根据整数和α,用一般的加法和乘法创造出的环就是一种整数环。
“这要归功于费马的儿子山缪。”米尔嘉说道,“他重印了带有费马笔记的《算术》,让险些消失的‘费马大定理’复活了。写这本《算术》的是 3 世纪左右的数学家丢番图。17 世纪的巴歇将这本书翻译成了希腊语和拉丁语。费马学习了巴歇版的《算术》,并写下了笔记。山缪重印的是丢番图著,巴歇译,写有费马笔记的《算术》。”
“新时代是从……”米尔嘉继续往下说道,“苏菲·姬曼开始的。那是在 19 世纪。”
“我想谈谈数学。”米尔嘉看着我。
“然后数学家们就开始了长达三个半世纪的挑战。”米尔嘉开始缓慢地讲述历史,“首先是 17 世纪。”
“现在,拿出笔记本。”
米尔嘉很快地结束了讲解。讲历史的话题很让她心急吧。
“然后,再传给现代的我们。简直就像数学的接力呢。”泰朵拉做了一个接住接力棒的手势。
我拿出了笔记本和自动铅笔,尤里小声说道:
“先从具体例子开始解啊……”泰朵拉说道。
最初,费马自己证明了 FLT(4),使用的工具是无穷递降法。这么说来,之前我们也 用“面积不构成平方数的直角三角形定理”证明过 FLT(4) 呢。
19 世纪是代数数论时代。1825 年,苏菲·姬曼在 FLT 的通解上取得了成果。她证明了“如果p和 2p+ 1 都为奇质数,则xp+yp=zp不存在自然数解。此时”这个定理。
“他以书面形式表达了和这个数学公式同样的内容,并在空白处写下了一句著名的话。”
“17 世纪的数学家费马,在他一直研究的《算术》这本书的空白处留下了一个问题,就是所谓的‘费马大定理’。”
整数环中不一定满足“质因数分解的唯一分解定理”这个条件。
“然后,费马并没有写出证明方法。”米尔嘉说道,“既然他都这么暗示了,当然也就有很多数学爱好者跃跃欲试。话说回来,为什么后人会知道费马在书中空白处写下的私人笔记?”
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17 世纪是初等数论的时代。因为费马大定理是一个涉及“所有的n”的命题,所以想一次证明出来太难了。因此数学家们想就个别的n进行证明。
“好……我知道了,那我出个尤里你能解开的问题吧。”
米尔嘉听到这两句嘀咕,说道:
“人家能先回去吗?光听历史我脑子就已经装不下了。”
费马大定理
当n≥ 3 时,以下方程式不存在自然数解。
吃完饭后,我们开始倾听米尔嘉的解说。