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费马大定理:从页边批注到证明的358年

大约在1637年,皮埃尔·德·费马在他所藏的丢番图《算术》一书的页边空白处写道:“不可能将一个立方数拆分为两个立方数之和,或者将一个四次幂拆分为两个四次幂之和,或者更普遍地说,对于任何大于2的幂,都不可能将其拆分为两个同次幂之和。对此,我发现了一个真正美妙的证明,可惜这页空白处太窄,写不下。”他从未写下过这个证明。358年来,费马大定理抵挡住了每一位试图解决它的数学家。安德鲁·怀尔斯最终在1995年证明了它——使用的是费马时代不存在的数学工具。

定理的内容

费马大定理指出:对于大于2的整数 n,不存在正整数 x, y, z 使得 xⁿ + yⁿ = zⁿ。当 n = 2 时,存在无数多组解(毕达哥拉斯三元组:3² + 4² = 5² 等)。对于 n ≥ 3,该定理声称没有解。陈述简单,但证明极其困难。

三个世纪的尝试

欧拉在1770年证明了 n = 3 的情况。狄利克雷和勒让德在1825年证明了 n = 5 的情况。拉梅在1839年证明了 n = 7 的情况。库默尔在1850年证明了该定理对所有“正规素数”成立。到20世纪80年代,费马大定理已经通过计算机验证了所有 n 小于 125,000 的情况——但计算并非证明。一般性情况依然难倒了所有人。

怀尔斯的证明

安德鲁·怀尔斯从10岁起就对费马大定理着迷。1986年,肯·里贝特证明了谷山-志村猜想蕴含费马大定理——如果所有椭圆曲线都是模形式的,那么费马大定理成立。怀尔斯秘密花费了7年时间来证明半稳定椭圆曲线的谷山-志村猜想。他在1993年6月宣布了这一证明。随后被发现存在漏洞。经过14个月的额外努力,完整的证明于1995年问世——这包含了130页尖端的数论知识。费马写下的页边确实太窄,因为他的证明几乎可以肯定是不存在的。

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常见问题

什么是费马大定理?

费马大定理指出,对于大于2的整数 n,xⁿ + yⁿ = zⁿ 没有正整数解。对于 n = 2,解是非常丰富的(如3,4,5这样的毕达哥拉斯三元组)。费马在1637年声称他有一个证明,但从未写下来。安德鲁·怀尔斯于1995年利用椭圆曲线和模形式证明了它——这些是费马时代不存在的数学。

费马真的有证明吗?

几乎肯定没有。怀尔斯的证明使用了20世纪的数学工具(椭圆曲线、模形式、伽罗瓦表示),这是费马不可能知道的。特殊情况(n=3, n=5, n=7)的证明已经需要费马时代之后的大量创新。目前的共识是,费马要么有一个未经仔细检查的错误论证,要么是将自己与一个更简单的相关结果搞混了。

安德鲁·怀尔斯是如何证明费马大定理的?

怀尔斯证明了半稳定椭圆曲线的谷山-志村猜想:每一条这样的曲线都对应一个模形式。肯·里贝特此前已证明这蕴含了费马大定理。怀尔斯在普林斯顿秘密研究了7年,于1993年宣布了证明(其中有漏洞),随后在1994年完成了修正后的证明,并于1995年发表,全长130页。

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