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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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8.3 我的旅行

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很好,将st分别平方后再相加,就可以把情况 1 和 2 总结成一个式子了!这样就避免了分情况讨论!

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另一方面,右边四个因子m,n,m+n,m-n是两两互质的 —— 也就是说没有共同的质因数。

据此可知m,n都是p的倍数,和mn相矛盾。

不过,这样的话就得花两倍时间和精力了。

呼……

综上所述,可以说 (m+n) ⊥ (m-n)。

m,n,m+n,m-n

嗯?

这次的旅行就是这么回事吧。

fs+t,s-t的关系“基本粒子间的关系”

2f2 = (s+t)(s-t)

这样st就基本摸透了。

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D2 =mn(m+n)(m-n)

接下来……

这不是……之前做过的形式吗?

写成这样后,右边就成了四个整数的乘积的形式。

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也就是说,下式成立。

好,这样就明确了st

8.3.4 基本粒子和夸克的关系:用 u, v 表示 s, t

将左右两边分别相减,导出pn的关系。

如果在这里不存在 (m+n) ⊥ (m-n),我就失去了重要的武器。用反证法踏踏实实地证明吧。

接下来用数学公式来表示m,n,m+n,m-n是平方数这个条件吧。

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s,t可知

  • s 是奇数

  • t 是奇数

  • s + t 是偶数

  • s - t 是偶数

  • st 互质(st)

左边的D2 是“平方数”。

我很不安。

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出发点

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呼……

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然后,右边是“互质数字的乘积”,没错……吧?

话说回来,st互质吗?

比如说,存在 (m+n) ⊥ (m-n) ?

情况 1:当章节插图时——

因为st都是奇数,所以s+ts-t都是偶数。

之前虽然跟泰朵拉讲了定义方程式的作用,但自己面临导入变量的时候,心中还是会有一丝不安。我很担心,会不会增加变量后搞得一团乱呢……

首先,p不可能等于 2。因为mn的奇偶性不一致,所以pJ=m+n是奇数,因此p不是偶数。也就是说,p不可能等于 2。

看,出现了这样的等式。

诶?话说回来,我高兴个什么劲儿啊?

用语言表达可能有些复杂。再导入构成“基本粒子”s,t的“夸克”u,v怎么样?设u,v是互质的自然数。

嗯?

“互质”真的是一件实用的武器啊……用“最大公约数为 1”体现“互质”的时候还有些摸不清状况,而换成“没有共同的质因数”就感觉一下子开窍了,就如同一把锋利的长剑。

由“面积是平方数”这个条件我们已经推导出了AB= 2D2 这个等式,接下来将m,n代入这个等式,研究D的性质。

由此,可得出下式。

e,f,s,t表示m,n,m+n,m-n“原子和基本粒子的关系”

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e,f,s,t分别两两互质。

左边是平方数……慢着,诶?我刚才不也做了一样的事吗?这不是又绕回原路了吗?

因此,st都是奇数 —— 就是它!

只要从这个式子推导出矛盾,就能证明m+nm-n互质了。来,看看能不能守住武器。

明白了。由以上等式可知,st都是p的倍数。因为st都有共同的质因数p,所以这与st相矛盾。因此可以得出结论:章节插图章节插图互质。

今天就到这里吧……

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采用跟刚才同样的方法,得到如下等式。

8.3.3 研究基本粒子 s + t, s - t

以防万一,我把m+nm互质的关系也写出来吧。

因为 (m+n) ⊥ (m - n),所以s2 ⊥t2。因为平方后的数字互质,所以平方前的数字也互质。没有共同的质因数这点在平方前和平方后是不变的。也就是说,st是互质的。

是分别两两互质的。我牢牢守住了重要的武器。

嗯……有没有什么好办法呢?我再一次回首向走过的路望去,看看有没有忘掉哪个关系式。

这就意味着,像往常一样考虑分配质因数的话……偶数是“2 × 平方数”的形式,奇数则是“奇数的平方数”的形式。

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因为s+ts-t是偶数,所以章节插图章节插图是整数。上式可写成下面这样。

章节插图

可得到fs+t,s-t的关系,即基本粒子间的关系。

8.3.2 原子和基本粒子的关系:用 e, f, s, t 表示 m, n

s+ts-t是整数。首先“调查奇偶性”。

我难不成踏上了发现微结构的旅途?

下面该往哪边走呢?我重看了一遍笔记想着。

夜晚,在自己家里。

怎么能因为成功变形了几个等式就高兴呢!我想要的是——找出矛盾。

m呢?完全没有用到在“原子和基本粒子的关系”里出现的m=e2 啊。m应该和基本粒子s,t相关联才对啊!嗯……将关系式

这次用e,f,s,t表示m,n

关于章节插图章节插图“基本粒子s,t和夸克u,v的关系”

  • , 是“互质”的。

  • , 中有一方是 2u2,另一方是 v2。

  • uv 是互质的(uv)。

  • v 是奇数。

章节插图章节插图是不是互质的呢?

将等式左右两边分别相加,分别相减,得到下式。

研究原子 (m,n),又发现了更小的基本粒子 (e,f,s,t)……

基本勾股数的一般形式(毕达哥拉·榨汁机)

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自然数m,n的条件:

  • m > n

  • mn

  • m, n 仅有一方为奇数(两者奇偶性不一致)

(参考 2.5 节)

嗯,虽然很不甘心,但已经困得不行了。

“基本粒子e和夸克u,v的关系”(接下来会出现矛盾吗?)

章节插图

  • uv

  • v 是奇数

又导入了新的变量,而且还是四个……不过一定没问题的。要信赖数学公式,信赖数学公式……

m,n,m+n,m-n

虽然看不到路途前方有什么,但旅行开始了。

也就是说,章节插图章节插图之中有一个是偶数。

很好,不错不错! 不,糟了!

中,任意拿出两个因子,都可以两两互质……是吧?

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假设m+nm不互质,此时存在某个质数p和自然数J,K使得下式成立。

打比方说,假设章节插图章节插图不互质……类似这种检验已经做了无数回了吧。设它们有共同的质因数p,则存在整数J,K,它们之间的关系可以用下式表示。

A2 +B2 =C2 和AB,可知A,B,C是一组基本勾股数。也就是说,采用‘基本勾股数的一般形式’,就可以用m,n表示A,B,C。这就是泰朵拉所说的毕达哥拉·榨汁机。

把上面两个式子左右两边分别相加,导出pm的关系。

假设m+nm-n不互质,此时应存在某个质数p和自然数J,K使得下式成立。

这样一来,“2 × 平方数”就能写成 2u2,“奇数的平方数”就能写成v2 了。

变成分情况讨论了。

章节插图

因为m,n,m+n,m-n是平方数,所以存在以下自然数e,f,s,t

想象一下把左边的质因数分配到右边四个因子中的情况,则四个因子都各自含有偶数个质因数。总之一句话,“m,n,m+n,m-n全部是平方数”!

章节插图章节插图章节插图中有一方是偶数,章节插图章节插图还是互质的……因为没有共同的质因数,所以一方为偶数的话,另一方就为奇数。

于是得到以下关系。

我又看了一遍笔记,考虑应该把刚刚得到的s+ts-t的条件代入哪个式子。

没准还有更小的夸克……

我即将要出发去旅行,一场推导矛盾的旅行。已确认出发地点。自然数A,B,C,D有着如下关系。就从这里开始推导矛盾。

下面来研究刚才得出的式子 2f2 = (s+t)(s-t),先从等式右边的因子s+t,s-t开始吧。

上路吧!

同理可证m-nmm+nnm-nn都互质。

这个质数pm+nm-n共同的质因数。

s的奇偶性如何呢?根据“原子和基本粒子的关系”,可知存在m+n=s2。m+n的奇偶性……我懂了。因为mn的奇偶性不一致,所以m+n不是偶数 + 奇数就是奇数 + 偶数。不管怎样,m+n都是奇数,也就是说s2 也是奇数。s平方后还得奇数,说明s也是奇数。好,明确s是奇数了!

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确实可以两条路都走。

那么言归正传。刚刚经研究得出了下式。

就快受不了像洪水一样泛滥的字母了。我又慢慢地把笔记啃了一遍,就夸克进行了一下整理。

一方面,左边的D2 是平方数。如果进行质因数分解,就能得到D2 含有偶数个质因数。

但是p也不可能大于等于 3。因为如果p大于等于 3,mn就都是p的倍数。但是mn—— 也就是说mn没有共同的质因数。所以p不可能大于等于 3。

我抱着头发愁。

首先用m,n表示AB= 2D2。

在等式两边同时除以 2,得到

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只有这点条件,根本分不出章节插图章节插图里谁是 2u2 谁是v2。这就意味着……要分情况讨论。

接下来会出现矛盾吗?

章节插图章节插图中有一方是 2u2,另一方是v2。

t的奇偶性同理。存在m-n=t2,mn的奇偶性不一致。t2 是奇数,因为t平方后还得奇数,所以 ((t也是奇数((。

刚才我们用m,n表示了A,B,C,D

哇!整理出了一个相当简单的等式,这就是基本粒子e和夸克u,v的关系式。不错不错……

因为mn互质,所以从这里出现的四个因子

试试用e,f,s,t表示m吧。虽然已经有m=e2 这个等式了,不过由下面的式子应该能够得到些什么。

我……

研究原子 (A,B,C,D),发现了小原子 (m,n)。

2f2 = (s+t)(s-t)

我呆呆地站在森林深处的分岔口处。

嗯,把两个式子左右两边分别相加相减,可以用s,t表示m,n,即用基本粒子来表现原子的结构。

咦?我不是在“原子和基本粒子的关系”中以“e,f,s,t分别两两互质”为前提导入了变量吗……算了,总之可以肯定st

左右两边分别相加再除以 2,可得

不不,不要紧。等式左边的f2 是平方数,右边含有质因数 2。因为等式右边应该也是平方数,所以另一个质因数 2 应该分配给两个因子中的一个,即章节插图章节插图中的一个。

变成了乘积的形式,我已经明白了!

8.3.1 旅行的出发点:用 m, n 表示 A, B, C, D

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根据“两数之和乘以两数之差等于平方差”,将 2n=s2 -t2 的右边变形为乘积的形式。做出乘积的形式,是为了方便研究整数的结构。

章节插图

D2 =mn(m+n)(m-n)

好,这样就证明了四个因子

我告诉自己“要信赖数学公式”,赶走了心中不安的情绪。数学公式的好处就在于,可以脱离含义,用机械性的操作来一层层解开问题。只要将基本勾股数的一般形式纳入式子中,就可以忘掉直角三角形的事儿了。之后胜负就取决于能否将数学公式作为武器熟练运用了。

带有s+ts-t这样的因子的数……在这个“基本粒子间的关系”中。

情况 2:当章节插图时——

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