Грандиозное событие
Как-то в новогоднем выпуске рассылки о том, как произносить тосты, я вскользь упомянул, что в конце ХХ века произошло одно грандиозное событие, которого многие не заметили - была, наконец-то доказана так называемая Великая теорема Ферма. По этому поводу среди полученных писем я обнаружил два отклика от девушек (одна из них, насколько помню - девятиклассница Вика из Зеленограда), которых удивил данный факт.
А меня удивило то, насколько живо девочки интересуются проблемами современной математики. Поэтому, думаю, что не только девочкам, но и мальчикам всех возрастов - от старшеклассников до пенсионеров, тоже будет интересно узнать историю Великой теоремы.
Доказательство теоремы Ферма - великое событие. А т.к. со словом "великий" не принято шутить, то знать историю теоремы, мне кажется, каждый уважающий себя оратор (а все мы, когда говорим - ораторы) просто обязан.
Если так получилось, что вы не любите математику так, как люблю ее я, то некоторые углубления в детали просматривайте беглым взором. Понимая, что не всем читателям нашей рассылки интересно блуждать в математических дебрях, я постарался не приводить никаких формул (кроме самого уравнения теоремы Ферма и пары гипотез) и максимально упростить освещение некоторых специфических вопросов.
Как Ферма заварил кашу
Французский юрист и по совместительству великий математик XVII века Пьер Ферма (1601-1665) выдвинул одно любопытное утверждение из области теории чисел, которое впоследствии получило название Великой (или Большой) теоремы Ферма. Это одна из самых известных и феноменальных математических теорем. Наверно, ажиотаж вокруг нее был бы не так силен, если бы в книге Диофанта Александрийского (III век н. э.) "Арифметика", которую Ферма частенько штудировал, делая пометки на ее широких полях, и которую любезно сохранил для потомков его сын Сэмюэл, не была обнаружена примерно следующая запись великого математика:
"Я располагаю весьма поразительным доказательством, но оно слишком велико, чтобы его можно было разместить на полях".
Она-то, эта запись, и явилась причиной последующей грандиозной суматохи вокруг теоремы.
Итак, знаменитый ученый заявил, что доказал свою теорему. Давайте же зададимся вопросом: действительно ли он ее доказал или банально соврал? Или есть другие версии, объясняющие появление той записи на полях, не дававшей спокойно спать многим математикам следующих поколений?
История Великой теоремы увлекательна, как приключение во времени. В 1636 году Ферма заявил, что уравнение вида x n +y n =z n не имеет решений в целых числах при показателе степени n>2. Это собственно и есть Большая теорема Ферма. В этой, казалось бы, простой с виду математической формуле Вселенная замаскировала невероятную сложность. Американский математик шотландского происхождения Эрик Темпл Белл в своей книге "Последняя проблема" (1961) даже предположил, что, возможно, человечество прекратит свое существование раньше, чем сможет доказать Великую теорему Ферма.
Несколько странным является то, что почему-то теорема опоздала с появлением на свет, поскольку ситуация назрела давно, ведь ее частный случай при n=2 - другая знаменитая математическая формула - теорема Пифагора, возникла на двадцать два столетия раньше. В отличие от теоремы Ферма, теорема Пифагора имеет бесконечное множество целочисленных решений, например, такие пифагоровы треугольники: (3,4,5), (5,12,13), (7,24,25), (8,15,17) … (27,36,45) … (112,384,400) … (4232, 7935, 8993) …
Синдром Великой теоремы
Кто только не пытался доказать теорему Ферма. Любой оперившийся студент считал своим долгом приложиться к Великой теореме, но доказать ее всё никак никому не удавалось. Сначала не удавалось сто лет. Потом еще сто. И еще. Среди математиков стал развиваться массовый синдром: "Как же так? Ферма доказал, а я что, не смогу, что ли?" - и некоторые из них на этой почве свихнулись в полном смысле этого слова.
Сколько бы теорему не проверяли - она всегда оказывалась верна. Я знал одного энергичного программиста, который был одержим идеей опровергнуть Великую теорему, пытаясь найти хотя бы одно ее решение (контрпример) методом перебора целых чисел с использованием быстродействующего компьютера (в то время чаще именовавшегося ЭВМ). Он верил в успех своего предприятия и любил приговаривать: "Еще немного - и грянет сенсация!". Думаю, что в разных местах нашей планеты имелось немалое количество такого сорта смелых искателей. Ни одного решения он, конечно же, не нашел. И никакие компьютеры, хоть даже со сказочным быстродействием, никогда не смогли бы проверить теорему, ведь все переменные этого уравнения (в том числе и показатели степени) могут возрастать до бесконечности.
Теорема требует доказательства
Математики знают, что если теорема не доказана, из нее может следовать всё что угодно (как истина, так и ложь), как это было с некоторыми другими гипотезами. Например, в одном из своих писем Пьер Ферма высказал предположение, что числа вида 2 n +1 (т.н. числа Ферма) обязательно простые (т.е. не имеют целочисленных делителей и делятся без остатка только на себя и на единицу), если n - степень двойки (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т.д.). Эта гипотеза Ферма прожила более ста лет - до тех пор, пока в 1732 году Леонард Эйлер не показал, что
2 32 +1 = 4 294 967 297 = 6 700 417 · 641
Затем еще почти через 150 лет (1880) Фортюне Ландри разложил на множители следующее число Ферма:
2 64 +1 = 18 446 744 073 709 551 617 = 274 177 · 67 280 421 310 721
Как они без помощи компьютеров смогли найти делители этих больших чисел - одному богу известно. В свою очередь Эйлер выдвинул гипотезу, что уравнение x 4 +y 4 +z 4 =u 4 не имеет решений в целых числах. Однако примерно через 250 лет, в 1988 году Науму Элькису из Гарварда удалось обнаружить (уже с помощью компьютерной программы), что
2 682 440 4 + 15 365 639 4 + 18 796 760 4 = 20 615 673 4
Поэтому Большая теорема Ферма требовала доказательства, иначе она была просто гипотезой, и вполне могло быть, что где-то там в бескрайних числовых полях затеряно решение уравнения Великой теоремы.
Самый виртуозный и плодотворный математик XVIII века Леонард Эйлер, архив записей которого человечество разгребало почти целый век, доказал теорему Ферма для степеней 3 и 4 (вернее, он повторил утерянные доказательства самого Пьера Ферма); его последователь в теории чисел, Лежандр (а также независимо от него Дирихле) - для степени 5; Ламе - для степени 7. Но в общем виде теорема оставалась недоказанной.
1 марта 1847 года на заседании Парижской академии наук сразу два выдающихся математика - Габриэль Ламе и Огюстен Коши - заявили, что подошли к завершению доказательства Великой теоремы и устроили гонку, публикуя свои доказательства по частям. Однако поединок между ними был прерван, потому что в их доказательствах была обнаружена одна и та же ошибка, на которую указал немецкий математик Эрнст Куммер.
В начале XX века (1908) состоятельный немецкий предприниматель, меценат и ученый Пауль Вольфскель завещал сто тысяч марок тому, кто предъявит полное доказательство теоремы Ферма. Уже в первый год после опубликования завещания Вольфскеля Геттингентской академией наук, она была завалена тысячами доказательств от любителей математики, и поток этот не прекращался в течение десятилетий, но все они, как вы догадываетесь, содержали в себе ошибки. Говорят, что в академии были заготовлены бланки примерно такого содержания:
Уважаемый
__________________________!
В Вашем доказательстве теоремы Ферма на ____ странице в
____ строчке сверху
в формуле:__________________________ обнаружена следующая
ошибка:,
Которые рассылались незадачливым соискателям премии.
В то время в кругу математиков появилось полупрезрительное прозвище - фермист . Так называли всякого самоуверенного выскочку, которому не хватало знаний, но зато с лихвой хватало амбиций для того, чтобы второпях попробовать силенки в доказательстве Великой теоремы, а затем, не заметив собственных ошибок, гордо хлопнув себя в грудь, громко заявить: "Я первый доказал теорему Ферма!". Каждый фермист, будь он хоть даже десятитысячным по счету, считал себя первым - это и было смешным. Простой внешний вид Великой теоремы так сильно напоминал фермистам легкую добычу, что их абсолютно не смущало, что даже Эйлер с Гауссом не смогли справиться с ней.
(Фермисты, как ни странно, существуют и ныне. Один из них хоть и не считал, что доказал теорему, как классический фермист, но до недавних пор предпринимал попытки - отказался верить мне, когда я сообщил ему, что теорема Ферма уже доказана).
Наиболее сильные математики, может быть, в тиши своих кабинетов тоже пробовали осторожно подходить к этой неподъемной штанге, но не говорили об этом вслух, дабы не прослыть фермистами и, таким образом, не навредить своему высокому авторитету.
К тому времени появилось доказательство теоремы для показателя степени n<100. Потом для n<619. Надо ли говорить о том, что все доказательства невероятно сложны. Но в общем виде теорема оставалась недоказанной.
Странная гипотеза
До середины ХХ века никаких серьезных продвижений в истории Великой теоремы не наблюдалось. Но вскоре в математической жизни произошло одно интересное событие. В 1955 году 28-летний японский математик Ютака Танияма выдвинул утверждение из совершенно другой области математики, получившее название "гипотезы Таниямы" (она же "гипотеза Таниямы-Шимуры-Вейла"), которое, в отличие от запоздалой теоремы Ферма, опередило свое время.
Гипотеза Таниямы гласит: "каждой эллиптической кривой соответствует определенная модулярная форма". Данное утверждение для математиков той поры звучало примерно так же абсурдно, как для нас звучит утверждение: "каждому дереву соответствует определенный металл". Нетрудно угадать, как может отнестись к подобному утверждению нормальный человек - он попросту не воспримет его всерьез, что и произошло: математики дружно проигнорировали гипотезу.
Небольшое пояснение. Эллиптические кривые, известные с давних пор, имеют двухмерный вид (располагаются на плоскости). Модулярные же функции, открытые в XIX веке, имеют четырехмерный вид, поэтому мы их даже представить себе не можем своими трехмерными мозгами, но можем описать математически; кроме того, модулярные формы удивительны тем, что обладают предельно возможной симметрией - их можно транслировать (сдвигать) в любом направлении, отражать зеркально, менять местами фрагменты, поворачивать бесконечно многими способами - и при этом их вид не изменяется. Как видим, эллиптические кривые и модулярные формы имеют мало общего. Гипотеза же Таниямы утверждает, что описательные уравнения двух соответствующих друг другу этих абсолютно разных математических объектов можно разложить в один и тот же математический ряд.
Гипотеза Таниямы была слишком парадоксальна: она соединила совершенно разные понятия - довольно простые плоские кривые и невообразимые четырехмерные формы. Такое никому не приходило в голову. Когда на международном математическом симпозиуме в Токио в сентябре 1955 года Танияма продемонстрировал несколько соответствий эллиптических кривых модулярным формам, то все увидели в этом не более, чем забавные совпадения. На скромный вопрос Таниямы: возможно ли для каждой эллиптической кривой найти соответствующую модулярную функцию, маститый француз Андре Вейл, который в то время был одним из лучших в мире специалистов в теории чисел, дал вполне дипломатичный ответ, что, дескать, если пытливого Танияму не покинет энтузиазм, то, может быть, ему повезет, и его невероятная гипотеза подтвердится, но это, должно быть, случится не скоро. В общем, как и многие другие выдающиеся открытия, сначала гипотеза Таниямы осталась без внимания, потому что до нее еще не доросли - ее почти никто не понял. Один лишь коллега Таниямы, Горо Шимура, хорошо зная своего высокоодаренного друга, интуитивно чувствовал, что его гипотеза верна.
Через три года (1958) Ютака Танияма покончил жизнь самоубийством (сильны, однако, в Японии самурайские традиции). С точки зрения здравого смысла - никак не понимаемый поступок, особенно, если учесть, что совсем скоро он собирался жениться. Свою предсмертную записку лидер молодых японских математиков начал так: "Еще вчера я не помышлял о самоубийстве. Последнее время мне часто приходилось слышать от других, что я устал умственно и физически. Вообще-то я и сейчас не понимаю, зачем это делаю…" и так далее на трех листах. Жаль, конечно, что так сложилась судьба интересного человека, но все гении немного странные - на то они и гении (на ум почему-то пришли слова Артура Шопенгауэра: "в обычной жизни от гения столько же толку, как от телескопа в театре"). Гипотеза осиротела. Никто не знал, как ее доказать.
Лет десять про гипотезу Таниямы почти не вспоминали. Но в начале 70-х годов она стала популярной - ее регулярно проверяли все, кто смог в ней разобраться - и она всегда подтверждалась (как, собственно, и теорема Ферма), но, как и прежде, никто не мог ее доказать.
Удивительная связь двух гипотез
Прошло еще примерно 15 лет. В 1984 году произошло одно ключевое событие в жизни математики, которое объединило экстравагантную японскую гипотезу с Великой теоремой Ферма. Немец Герхард Фрей выдвинул любопытное утверждение, похожее на теорему: "Если будет доказана гипотеза Таниямы, то, следовательно, будет доказана и Великая теорема Ферма". Другими словами, теорема Ферма является следствием гипотезы Таниямы. (Фрей методом хитроумных математических преобразований свел уравнение Ферма к виду уравнения эллиптической кривой (той самой, которая фигурирует и в гипотезе Таниямы), более-менее обосновал свое предположение, но доказать его не смог). И вот буквально через полтора года (1986) профессор калифорнийского университета Кеннет Рибет четко доказал теорему Фрея.
Что же теперь получилось? Теперь оказалось, что, так как теорема Ферма уже точно является следствием гипотезы Таниямы, нужно всего-навсего доказать последнюю, чтобы сорвать лавры покорителя легендарной теоремы Ферма. Но гипотеза оказалась непростой. К тому же у математиков за столетия появилась аллергия на теорему Ферма, и многие из них решили, что справиться с гипотезой Таниямы также будет практически невозможно.
Смерть гипотезы Ферма. Рождение теоремы
Прошло еще 8 лет. Одному прогрессивному английскому профессору математики из Принстонского университета (Нью-Джерси, США), Эндрю Уайлсу, показалось, что он нашел доказательство гипотезы Таниямы. Если гений не лысый, то, как правило, взъерошенный. Уайлс - взъерошенный, следовательно, похож на гения. Войти в Историю, конечно, заманчиво и очень хотелось, но Уайлс, как настоящий ученый, не обольщался, понимая, что тысячам фермистов до него тоже мерещились призрачные доказательства. Поэтому, прежде, чем представить свое доказательство миру, он тщательно проверял его сам, но осознавая, что может иметь субъективную предвзятость, привлекал к проверкам также и других, например, под видом обычных математических заданий он иногда подкидывал смышленым аспирантам различные фрагменты своего доказательства. Позже Уайлс признался, что никто, кроме его жены не знал, что он работает над доказательством Великой теоремы.
И вот после долгих проверок и тягостных раздумий, Уайлс наконец-то набрался храбрости, а может, как ему самому казалось, наглости и 23 июня 1993 года на математической конференции по теории чисел в Кембридже объявил о своем великом достижении.
Это, конечно, была сенсация. Никто не ожидал такой прыти от малоизвестного математика. Тут же появилась пресса. Всех терзал жгучий интерес. Стройные формулы, как штрихи прекрасной картины, предстали перед любопытными взорами собравшихся. Настоящие математики, они ведь такие - смотрят на всякие уравнения и видят в них не цифры, константы и переменные, а слышат музыку, подобно Моцарту, смотрящему на нотный стан. Точно так же, как мы, читая книгу, смотрим на буквы, но вроде бы как их и не замечаем, а сразу воспринимаем смысл текста.
Презентация доказательства, казалось, прошла успешно - ошибок в нем не нашли - никто не услышал ни одной фальшивой ноты (хотя большинство математиков просто уставилось на него, как первоклассники на интеграл и ничего не поняли). Все решили, что произошло-таки масштабное событие: доказана гипотеза Таниямы, а следовательно и Великая теорема Ферма. Но примерно через два месяца, за несколько дней до того, как рукопись доказательства Уайлса должна была пойти в тираж, в ней было обнаружено несоответствие (Кац, коллега Уайлса, заметил, что один фрагмент рассуждений опирался на "систему Эйлера", но то, что соорудил Уайлс, такой системой не являлось), хотя в целом приемы Уайлса были признаны интересными, изящными и новаторскими.
Уайлс проанализировал ситуацию и решил, что проиграл. Можно себе представить, как он всем своим существом прочувствовал, что значит "от великого до смешного один шаг". "Хотел войти в Историю, а вместо этого вошел в состав команды клоунов и комедиантов - самонадеянных фермистов" - примерно такие мысли изматывали его в тот тягостный период жизни. Для него, серьезного ученого-математика, это была трагедия, и он забросил свое доказательство в долгий ящик.
Но вот через год с небольшим, в сентябре 1994 года, во время размышления над тем узким местом доказательства вместе со своим коллегой Тейлором из Оксфорда, последнего неожиданно осенила мысль, что "систему Эйлера" можно поменять на теорию Ивасава (раздел теории чисел). Тогда они попробовали воспользоваться теорией Ивасава, обойдясь без "системы Эйлера", и у них всё сошлось. Исправленный вариант доказательства был отдан на проверку и через год было объявлено, что в нем всё абсолютно четко, без единой ошибки. Летом 1995 года в одном из первенствующих математических журналов - "Анналы математики" - было опубликовано полное доказательство гипотезы Таниямы (следовательно, Великой (Большой) теоремы Ферма), которое заняло весь номер - свыше ста листов. Доказательство так сложно, что понять его целиком могли всего лишь несколько десятков человек во всем мире.
Таким образом, в конце ХХ века весь мир признал, что на 360 году своей жизни Великая теорема Ферма, которая на самом деле всё это время являлась гипотезой, стала-таки доказанной теоремой. Эндрю Уайлс доказал Великую (Большую) теорему Ферма и вошел в Историю.
Подумаешь, доказали какую-то теорему...
Счастье первооткрывателя всегда достается кому-то одному - это именно он последним ударом молота раскалывает твердый орешек знания. Но нельзя игнорировать множество предыдущих ударов, которые не одно столетие формировали трещину в Великой теореме: Эйлера и Гаусса (королей математики своих времен), Эвариста Галуа (успевшего за свою короткую 21-летнюю жизнь основать теории групп и полей, работы которого были признаны гениальными лишь после его смерти), Анри Пуанкаре (учредителя не только причудливых модулярных форм, но и конвенционализма - философского течения), Давида Гилберта (одного из сильнейших математиков ХХ века), Ютаку Танияму, Горо Шимуру, Морделла, Фальтингса, Эрнста Куммера, Барри Мазура, Герхарда Фрея, Кена Риббета, Ричарда Тейлора и других настоящих ученых (не побоюсь этих слов).
Доказательство Великой теоремы Ферма можно поставить в один ряд с такими достижениями ХХ века, как изобретение компьютера, ядерной бомбы и полет в космос. Хоть о нем и не так широко известно, потому что оно не вторгается в зону наших сиюминутных интересов, как например, телевизор или электрическая лампочка, но оно явилось вспышкой сверхновой звезды, которая, как и все непреложные истины, всегда будет светить человечеству.
Вы можете сказать: "подумаешь, доказали какую-то теорему, кому это надо? ". Справедливый вопрос. Тут в точности сгодится ответ Давида Гилберта. Когда на вопрос: "какая задача сейчас для науки наиболее важна?", он ответил: "поймать муху на обратной стороне Луны", его резонно спросили: "а кому это надо? ", он ответил так: "Это никому не надо. Но подумайте над тем, сколько важных сложнейших задач надо решить, чтобы это осуществить". Подумайте, сколько задач за 360 лет смогло решить человечество, прежде, чем доказать теорему Ферма. В поисках ее доказательства была открыта чуть ли не половина современной математики. Надо также учесть, что математика - авангард науки (и, кстати, единственная из наук, которая строится без единой ошибки), и любые научные достижения и изобретения начинаются именно здесь. Как заметил Леонардо да Винчи, "наукой можно признать лишь то учение, которое подтверждается математически".
* * *
А теперь давайте вернемся в начало нашей истории, вспомним запись Пьера Ферма на полях учебника Диофанта и еще раз зададимся вопросом: действительно ли Ферма доказал свою теорему? Этого мы, конечно, не можем знать наверняка, и как в любом деле тут возникают разные версии:
Версия 1:
Ферма доказал свою теорему. (На вопрос: "имел
ли Ферма точно такое же доказательство своей теоремы?", Эндрю
Уайлс заметил: "Ферма не мог располагать таким
доказательством. Это доказательство ХХ века". Мы с вами
понимаем, что в XVII веке математика, конечно же, была не та,
что в конце ХХ века - в ту эпоху д, Артаньяна,
царица наук еще не обладала теми открытиями (модулярные формы,
теоремы Таниямы, Фрея и др.), которые только и позволили
доказать Великую теорему Ферма. Конечно, можно предположить:
чем черт не шутит - а вдруг Ферма догадался иным путем? Эта
версия хоть и вероятна, но по оценкам большинства математиков,
практически невозможна);
Версия 2:
Пьеру Ферма показалось, что он доказал свою
теорему, но в его доказательстве были ошибки. (То есть, сам
Ферма был также и первым
фермистом);
Версия 3:
Ферма свою теорему не доказал, а на полях просто
соврал.
Если верна одна из двух последних версий, что наиболее вероятно, то тогда можно сделать простой вывод: великие люди, они хоть и великие, но тоже могут ошибаться или иногда не прочь приврать (в основном этот вывод будет полезен для тех, кто склонен безраздельно доверять своим кумирам и прочим властителям дум). Поэтому, читая произведения авторитетных сынов человечества или слушая их пафосные выступления, вы имеете полное право сомневаться в их утверждениях. (Прошу заметить, что сомневаться - не значит отвергать ).
Переиздание материалов статьи возможно только с обязательными ссылками на сайт (в интернете - гиперссылка) и на автора
Поскольку мало кто владеет математическим мышлением, то я расскажу о наикрупнейшем научном открытии – элементарном доказательстве Великой теоремы Ферма – на самом понятном, школьном, языке.
Доказательство было найдено для частного случая (для простой степени n>2), к которому (и к случаю n=4) легко сводятся и все случаи с составным n.
Итак, нужно доказать, что уравнение A^n=C^n-B^n решения в целых числах не имеет. (Здесь значок ^ означает степень.)
Доказательство проводится в системе счисления с простым основанием n. В этом случае в каждой таблице умножения последние цифры не повторяются. В обычной, десятичой системе, ситуация иная. Например, при умножении числа 2 и на 1, и на 6 оба произведения – 2 и 12 – оканчиваются на одинаковые цифры (2). А, например, в семеричной системе для цифры 2 все последние цифры разные: 0х2=...0, 1х2=...2, 2х2=...4, 3х2=...6, 4х2=...1, 5х2=...3, 6х2=...5, с набором последних цифр 0, 2, 4, 6, 1, 3, 5.
Благодаря этому свойству для любого числа А, не оканчивающегося на ноль (а в равенстве Ферма последняя цифра чисел А, ну или В, после деления равенства на общий делитель чисел А, В, С нулю не равна), можно подобрать такое множитель g, что число Аg будет иметь сколь угодно длинное окончание вида 000...001. Вот на такое число g мы и умножим все числа-основания A, B, C в равенстве Ферма. При этом единичное окончание сделаем достаточно длинным, а именно на две цифры длиннее, чем число (k) нулей на конце числа U=А+В-С.
Число U нулю не равно – иначе С=А+В и A^n<(А+В)^n-B^n, т.е. равенство Ферма является неравенством.
Вот, собственно, и вся подготовка равенства Ферма для краткого и завершающего исследования. Единственное, что мы еще сделаем: перепишем правую часть равенства Ферма – C^n-B^n, – используя школьную формулу разложения: C^n-B^n=(С-В)Р, или аР. А поскольку далее мы будем оперировать (умножать и складывать) только с цифрами (k+2)-значных окончаний чисел А, В, С, то их головные части можем в расчет не принимать и просто их отбросить (оставив в памяти лишь один факт: левая часть равенства Ферма является СТЕПЕНЬЮ).
Единственное, о чем стоит сказать еще, это о последних цифрах чисел а и Р. В исходном равенстве Ферма число Р оканчивается на цифру 1. Это следует из формулы малой теоремы Ферма, которую можно найти в справочниках. А после умножения равенства Ферма на число g^n число Р умножатеся на число g в степени n-1, которое, согласно малой теореме Ферма, также оканчивается на цифру 1. Так что и в новом эквивалентном равенстве Ферма число Р оканчивается на 1. И если А оканчивается на 1, то и A^n тоже оканчивается на 1 и, следовательно, число а тоже оканчивается на 1.
Итак, мы имеем стартовую ситуацию: последние цифры А", а", Р" чисел А, а, Р оканчиваются на цифру 1.
Ну а дальше начинается милая и увлекательная операция, называемая в преферансе «мельницей»: вводя в рассмотрение последующие цифры а"", а""" и так далее числа а, мы исключительно «легко» вычисляем, что все они также равны нулю! Слово «легко» я взял в кавычки, ибо ключ к этому «легко» человечество не могло найти в течение 350 лет! А ключик действительно оказался неожиданно и ошарашивающе примитивным: число Р нужно представить в виде P=q^(n-1)+Qn^(k+2). На второй член в этой сумме обращить внимание не стоит – ведь в дальнейшем доказательстве мы все цифры после (k+2)-й в числах отбросили (и это кардинально облегчает анализ)! Так что после отбрасывания головных частей чисел равенство Ферма принимает вид: ...1=аq^(n-1), где а и q – не числа, а всего лишь окончания чисел а и q! (Новые обозначения не ввожу, так это затрудняет чтение.)
Остается последний философский вопрос: почему число Р можно представить в виде P=q^(n-1)+Qn^(k+2)? Ответ простой: потому что любое целое число Р с 1 на конце можно представить в таком виде, причем ТОЖДЕСТВЕННО. (Можно представить и многими другими способами, но нам это не нужно.) Действительно, для Р=1 ответ очевиден: P=1^(n-1). Для Р=hn+1 число q=(n-h)n+1, в чем легко убедиться, решая уравнение [(n-h)n+1]^(n-1)==hn+1 по двузначным окончаниям. И так далее (но в дальнейших вычислениях у нас необходимости нет, так как нам понадобится представление лишь чисел вида Р=1+Qn^t).
Уф-ф-ф-ф! Ну вот, философия кончилась, можно перейти к вычислениям на уровне второго класса, разве что лишь еще раз вспомнить формулу бинома Ньютона.
Итак, введем в расмотрение цифру а"" (в числе а=а""n+1) и с ее помощью вычислим цифру q"" (в числе q=q""n+1):
...01=(а""n+1)(q""n+1)^(n-1), или...01=(а""n+1)[(n-q"")n+1], откуда q""=a"".
И теперь правую часть равенства Ферма можно переписать в виде:
A^n=(а""n+1)^n+Dn^(k+2), где значение числа D нас не интересует.
А вот теперь мы переходим к решающему выводу. Число а""n+1 является двузначным окончанием числа А и, СЛЕДОВАТЕЛЬНО, согласно простой лемме ОДНОЗНАЧНО определяет ТРЕТЬЮ цифру степени A^n. И более того, из разложения бинома Ньютона
(а""n+1)^n, учитывая, что к каждому члену разложения (кроме первого, что погоды изменить уже не может!) присоединяется ПРОСТОЙ сомножитель n (основание счисления!), видно, что эта третья цифра равна а"". Но с помощью умножения равенства Ферма на g^n мы k+1 цифру перед последней 1 в числе А превратили в 0. И, следовательно, а""=0!!!
Тем самым мы завершили цикл: введя а"", мы нашли, что и q""=а"", а в заключение и а""=0!
Ну и остается сказать, что проведя совершенно аналогичные вычисления и последующих k цифр, мы получаем заключительное равенство: (k+2)-значное окончание числа а, или С-В, – так же, как и числа А, – равно 1. Но тогда (k+2)-я цифра числа С-А-В РАВНА нулю, в то время как она нулю НЕ РАВНА!!!
Вот, собственно, и всё доказательство. Для его понимания вовсе не требуется иметь высшее образование и, тем более, быть профессиональным математиком. Тем не менее, профессионалы помалкивают...
Удобочитаемый текст полного доказательства расположен здесь:
Рецензии
Здравствуйте, Виктор. Мне понравилось Ваше резюме. "Не позволить умереть раньше смерти" - здорово, конечно, звучит. От встречи на Прозе с теоремой Ферма, честно говоря, обалдела! Разве ей здесь место? Есть научные, научно-популярные и чайниковые сайты. А в остальном, спасибо за Вашу литературную работу.
С уважением, Аня.
Уважаемая Аня, несмотря на довольно жесткую цензуру, Проза позволяет писать ОБО ВСЕМ. С теоремой Ферма положение таково: крупные математические форумы к ферматистам относятся косо, с хамством и в целом третируют, как могут. Однако на мелких российских, английских и французских форумах я последний вариант доказательства представил. Никаких контрдоводов никто пока не выдвинул, да и, уверен, не выдвинет (доказательство проверено весьма тщательно). В субботу опубликую философскую заметку о теореме.
На прозе почти нет хамов, и если с ними не якшаться, то довольно скоро они отлипают.
На Прозе представлены почти все мои работы, поэтому и доказательство также поместил сюда.
До скорого,
Файл FERMA-KDVar © Н. М. Козий, 2008
Свидетельство Украины № 27312
КРАТКОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ВЕЛИКОЙ ТЕОРЕМЫ ФЕРМА
Великая теорема Ферма формулируется следующим образом: диофантово уравнение (http://soluvel.okis.ru/evrika.html):
А n + В n = С n * /1/
где n - целое положительное число, большее двух, не имеет решения в целых положительных числах A , B , С .
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО
Из формулировки Великой теоремы Ферма следует: если n – целое положительное число, большее двух, то при условии, что два из трех чисел А , В или С - целые положительные числа, одно из этих чисел не является целым положительным числом.
Доказательство строим, исходя из основной теоремы арифметики, которая называется «теоремой о единственности факторизации» или «теоремой о единственности разложения на простые множители целых составных чисел». Возможны нечетные и четные показатели степени n . Рассмотрим оба случая.
1. Случай первый: показатель степени n - нечетное число.
В этом случае выражение /1/ преобразуется по известным формулам следующим образом:
А n + В n = С n /2/
Полагаем, что A и B – целые положительные числа.
Числа А , В и С должны быть взаимно простыми числами.
Из уравнения /2/ следует, что при заданных значениях чисел A и B множитель ( A + B ) n , С.
Допустим, что число С - целое положительное число. С учетом принятых условий и основной теоремы арифметики должновыполняться условие:
С n = A n + B n =(A+B) n ∙ D n , / 3/
гдемножитель D n D
Из уравнения /3/ следует:
Из уравнения /3/ также следует, что число [C n = A n + B n ] при условии, что число С ( A + B ) n . Однако известно, что:
A n + B n < ( A + B ) n /5/
Следовательно:
- дробное число, меньшее единицы. /6/
Дробное число.
n
При нечетных показателях степени n >2 число:
< 1- дробное число, не являющееся рациональной дробью.
Из анализа уравнения /2/ следует, что при нечетном показателе степени n число:
С n = А n + В n = (A+B)
состоит из двух определенных алгебраических множителей, при этом при любом значении показателя степени n неизменным остаетсяалгебраический множитель ( A + B ).
Таким образом, великая теорема Ферма не имеет решения в целых положительных числах при нечетном показателе степени n >2.
2. Случай второй: показатель степени n - четное число.
Суть великой теоремы Ферма не изменится, если уравнение /1/ перепишем следующим образом:
A n = C n - B n /7/
В этом случае уравнение /7/ преобразуется следующим образом:
A n = C n - B n = ( С +B)∙(C n-1 + C n-2 · B+ C n-3 ∙ B 2 +…+ C ∙ B n -2 + B n -1 ). /8/
Принимаем, что С и В – целые числа.
Из уравнения /8/ следует, что при заданных значениях чисел B и C множитель (С+ B ) имеет одно и тоже значение при любых значениях показателя степени n , следовательно, он является делителем числа A .
Допустим, что число А – целое число. С учетом принятых условий и основной теоремы арифметики должновыполняться условие:
А n = С n - B n =(С+ B ) n ∙ D n , / 9/
гдемножитель D n должен быть целым числом и, следовательно, число D также должно быть целым числом.
Из уравнения /9/ следует:
/10/
Из уравнения /9/ также следует, что число [А n = С n - B n ] при условии, что число А – целое число, должно делиться на число (С+ B ) n . Однако известно, что:
С n - B n < (С+ B ) n /11/
Следовательно:
- дробное число, меньшее единицы. /12/
Дробное число.
Отсюда следует, что при нечетном значении показателя степени n уравнение /1/ великой теоремы Ферма не имеет решения в целых положительных числах.
При четных показателях степени n >2 число:
< 1- дробное число, не являющееся рациональной дробью.
Таким образом, великая теорема Ферма не имеет решения в целых положительных числах и при четном показателе степени n >2.
Из изложенного следует общий вывод: уравнение /1/ великой теоремы Ферма не имеет решения в целых положительных числах А, В и С при условии, что показатель степени n >2.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ
В том случае когда показатель степени n – четное число, алгебраическое выражение (C n - B n ) раскладывается на алгебраические множители:
C 2 – B 2 = (C-B) ∙ (C+B); /13/
C 4 – B 4 = ( C-B) ∙ (C+B) (C 2 + B 2);/14/
C 6 – B 6 = (C-B) ∙ (C+B) · (C 2 –CB + B 2) ∙ (C 2 +CB+ B 2); /15/
C 8 – B 8 = (C-B) ∙ (C+B) ∙ (C 2 + B 2) ∙ (C 4 + B 4)./16/
Приведем примеры в числах.
ПРИМЕР 1: В=11; С=35.
C 2 – B 2 = (2 2 ∙ 3) ∙ (2 · 23) = 2 4 · 3 · 23;
C 4 – B 4 = (2 2 ∙ 3) ∙ (2 · 23) · (2 · 673) = 2 4 · 3 · 23 · 673;
C 6 – B 6 = (2 2 ∙ 3) ∙ (2 · 23) · (31 2) ·(3 · 577) =2 ∙ 3 ∙ 23 ∙ 31 2 ∙ 577;
C 8 – B 8 = (2 2 ∙ 3) ∙ (2 · 23) · (2 · 673) ∙ (2 · 75633) = 2 5 ∙ 3 ∙ 23 ∙673 ∙ 75633.
ПРИМЕР 2: В=16; С=25.
C 2 – B 2 = (3 2) ∙ (41) = 3 2 ∙ 41;
C 4 – B 4 = (3 2) ∙ (41) · (881) =3 2 ∙ 41 · 881;
C 6 – B 6 = (3 2) ∙ (41) ∙ (2 2 ∙ 3) ∙ (13 · 37) · (3 ∙ 7 · 61) = 3 3 · 7 ∙ 13· 37 ∙ 41 ∙ 61;
C 8 – B 8 = (3 2) ∙ (41) ∙ (881) ∙ (17 ·26833) = 3 2 ∙ 41 ∙ 881 ∙ 17 ·26833.
Из анализа уравнений /13/, /14/, /15/ и /16/ и соответствующих им числовых примеров следует:
При заданном показателе степени n , если он четное число, число А n = С n - B n раскладывается на вполне определенное количество вполне определенных алгебраических множителей;
При любом показателе степени n , если он четное число, в алгебраическом выражении (C n - B n ) всегда имеются множители ( C - B ) и ( C + B ) ;
Каждому алгебраическому множителю соответствует вполне определенный числовой множитель;
При заданных значениях чисел В и С числовые множители могут быть простыми числами или составными числовыми множителями;
Каждый составной числовой множитель является произведением простых чисел, которые частично или полностью отсутствуют в составе других составных числовых множителей;
Величина простых чисел в составе составных числовых множителей увеличивается с увеличением этих множителей;
В состав наибольшего составного числового множителя, соответствующего наибольшему алгебраическому множителю, входит наибольшее простое число в степени, меньшей показателя степениn (чаще всего в первой степени).
ВЫВОДЫ: дополнительные обоснования подтверждают заключение о том, что великая теорема Ферма не имеет решения в целых положительных числах.
инженер-механик
Судя по популярности запроса "теорема Ферма - краткое доказательство", эта математическая проблема действительно многих интересует. Эта теорема была впервые высказана Пьером де Ферма в 1637 году на краю копии "Арифметики", где он утверждал, что у него было ее решение, оно было слишком велико для того, чтобы поместиться на краю.
Первое успешное доказательство было опубликовано в 1995 году - это было полное доказательство теоремы Ферма, осуществленное Эндрю Уайлсом. Оно было описано как «ошеломляющий прогресс», и привело Уайлса к получению премии Абеля в 2016 году. Будучи описанным относительно кратко, доказательство теоремы Ферма также доказало большую часть теоремы модульности и открыло новые подходы к многочисленным другим проблемам и эффективным методам подъема модульности. Эти свершения продвинули математику на 100 лет вперед. Доказательство малой теоремы Ферма сегодня не является чем-то из ряда вон выходящим.
Неразрешенная проблема стимулировала развитие алгебраической теории чисел в XIX веке и поиск доказательства теоремы модульности в XX веке. Это одна из самых заметных теорем в истории математики и до полного доказательства великой теоремы Ферма методом деления она была в Книге рекордов Гиннеса как «самая сложная математическая проблема», одной из особенностей которой является то, что она имеет наибольшее количество неудачных доказательств.
Историческая справка
Пифагорейское уравнение x 2 + y 2 = z 2 имеет бесконечное число положительных целочисленных решений для x, y и z. Эти решения известны как троицы Пифагора. Примерно в 1637 году Ферма написал на краю книги, что более общее уравнение a n + b n = c n не имеет решений в натуральных числах, если n является целым числом, большим чем 2. Хотя сам Ферма утверждал, что имеет решение своей задачи, он не оставил никаких подробностей о ее доказательстве. Элементарное доказательство теоремы Ферма, заявленное ее создателем, скорее было его хвастливой выдумкой. Книга великого французского математика была обнаружена спустя 30 лет после его смерти. Это уравнение, получившее название «Последняя теорема Ферма», в течение трех с половиной столетий оставалось нерешенным в математике.
Теорема в конечном итоге стала одной из самых заметных нерешенных проблем математики. Попытки доказать это вызвали существенное развитие теории чисел, и с течением времени последняя теорема Ферма получила известность как нерешенная проблема математики.
Краткая история доказательств
Если n = 4, что доказано самим Ферма, достаточно доказать теорему для индексов n, которые являются простыми числами. В течение следующих двух столетий (1637-1839) гипотеза была доказана только для простых чисел 3, 5 и 7, хотя Софи Жермен обновляла и доказывала подход, который имел отношение ко всему классу простых чисел. В середине 19 века Эрнст Куммер расширил это и доказал теорему для всех правильных простых чисел, в результате чего нерегулярные простые числа анализировались индивидуально. Основываясь на работе Куммера и, используя сложные компьютерные исследования, другие математики смогли расширить решение теоремы, имея цель охватить все основные показатели до четырех миллионов, но док-во для всех экспонентов по-прежнему было недоступным (это означает, что математики обычно считали решение теоремы невозможным, чрезвычайно сложным, или недостижимым с современными знаниями).
Работа Шимуры и Таниямы
В 1955 году японские математики Горо Шимура и Ютака Танияма подозревали, что существует связь между эллиптическими кривыми и модульными формами, двумя совершенно разными областями математики. Известная в то время, как гипотеза Танияма-Шимура-Вейля и (в конечном счете) как теорема модульности, она существовала сама по себе, без видимой связи с последней теоремой Ферма. Она сама по себе широко рассматривалась как важная математическая теорема, но при этом считалась (как и теорема Ферма) невозможной для доказательства. В то же время доказательство великой теоремы Ферма (методом деления и применения сложных математических формул) было осуществлено лишь полвека спустя.
В 1984 году Герхард Фрей заметил очевидную связь между этими двумя ранее не связанными и нерешенными проблемами. Полное подтверждение того, что две теоремы были тесно связаны, было опубликовано в 1986 году Кеном Рибетом, который основывался на частичном доказательстве Жана-Пьера Серра, который доказал все, кроме одной части, известной как «гипотеза эпсилона». Проще говоря, эти работы Фрея, Серра и Рибе показали, что если бы теорема о модульности могла быть доказана, по крайней мере, для полустабильного класса эллиптических кривых, то и доказательство последней теоремы Ферма также рано или поздно будет открыто. Любое решение, которое может противоречить последней теореме Ферма, может также использоваться, чтобы противоречить теореме модульности. Поэтому, если теорема о модульности оказалась истинной, то по определению не может существовать решение, противоречащее последней теореме Ферма, а значит она вскоре должна была быть доказана.
Хотя обе теоремы были сложными проблемами для математики, считающимися нерешаемыми, работа двух японцев стала первым предположением о том, как последняя теорема Ферма могла бы быть продолжена и доказана для всех чисел, а не только для некоторых. Важным для исследователей, выбравших тему исследования, был тот факт, что в отличие от последней теоремы Ферма, теорема модульности была основной активной областью исследований, для которой было разработано доказательство, а не только исторической странностью, поэтому время, затраченное на ее работу, могло быть оправдано с профессиональной точки зрения. Однако общее мнение заключалось в том, что решение гипотезы Таниямы-Шимуры оказалось нецелесообразным.
Великая теорема Ферма: доказательство Уайлса
Узнав, что Рибет доказал правильность теории Фрея, английский математик Эндрю Уайлс, с детства интересующийся последней теоремой Ферма и имеющий опыт работы с эллиптическими кривыми и смежными областями, решил попытаться доказать гипотезу Таниямы-Шимуры, как способ доказать последнюю теорему Ферма. В 1993 году, спустя шесть лет после объявления о своей цели, тайно работая над проблемой решения теоремы, Уайльсу удалось доказать смежную гипотезу, что, в свою очередь, помогло бы ему доказать последнюю теорему Ферма. Документ Уайлса был огромным по размеру и масштабу.
Недостаток был обнаружен в одной части его оригинальной статьи во время рецензирования и потребовал еще один год сотрудничества с Ричардом Тейлором, чтобы совместно решить теорему. В результате окончательное доказательство Уайлсом великой теоремы Ферма не заставило долго себя ждать. В 1995 году оно было опубликовано в куда меньшем масштабе, чем предыдущая математическая работа Уайлса, наглядно показывая, он не ошибся в своих предыдущих выводах о возможности доказательства теоремы. Достижение Уайлса было широко растиражировано в популярной прессе и популяризировано в книгах и телевизионных программах. Остальные части гипотезы Танияма-Шимура-Вейля, которые теперь были доказаны и известны как теорема о модульности, впоследствии были доказаны другими математиками, которые основывались на работе Уайлса в период между 1996 и 2001 годами. За свое достижение Уайлс был удостоен чести и получил многочисленные награды, в том числе, премию Абеля 2016 года.
Доказательство Уайлсом последней теоремы Ферма является частным случаем решения теоремы модульности для эллиптических кривых. Тем не менее, это самый известный случай столь масштабной математической операции. Вместе с решением теоремы Рибе, британский математик также получил доказательство последней теоремы Ферма. Последняя теорема Ферма и теорема о модульности почти повсеместно считались недоказуемыми современными математиками, но Эндрю Уайлс смог доказать всему научному миру, что даже ученые мужи способны заблуждаться.
Уайлс впервые объявил о своем открытии в среду 23 июня 1993 года на лекции в Кембридже под названием «Модульные формы, эллиптические кривые и представления Галуа». Однако в сентябре 1993 года было установлено, что его расчеты содержат ошибку. Год спустя, 19 сентября 1994 года, в том, что он назвал бы «самым важным моментом его трудовой жизни», Уайлс наткнулся на откровение, которое позволило ему исправить решение задачи до того уровня, когда оно сможет удовлетворить математическое сообщество.
Характеристика работы
Доказательство теоремы Ферма Эндрю Уайлсом использует многие методы из алгебраической геометрии и теории чисел и имеет много разветвлений в этих областях математики. Он также использует стандартные конструкции современной алгебраической геометрии, такие как категория схем и теория Ивасавы, а также другие методы XX века, которые не были доступны Пьеру Ферма.
Две статьи, содержащие доказательства, составляют 129 страниц, которые писались в течение семи лет. Джон Коутс описал это открытие как одно из величайших достижений теории чисел, а Джон Конвей назвал его главным математическим свершением 20 века. Уайлс, чтобы доказать последнюю теорему Ферма путем доказательства теоремы модульности для частного случая полустабильных эллиптических кривых, разработал действенные методы подъема модульности и открыл новые подходы к многочисленным другим проблемам. За решение последней теоремы Ферма он был посвящен в рыцари и получил другие награды. Когда стало известно, что Уайлс выиграл премию Абеля, Норвежская академия наук описала его достижение как «восхитительное и элементарное доказательство последней теоремы Ферма».
Как это было
Одним из людей, анализировавших первоначальную рукопись Уайлса с решением теоремы, был Ник Кац. В ходе своего обзора он задал британцу ряд уточняющих вопросов, которые заставили Уайлса признать, что его работа явно содержит пробел. В одной критической части доказательства была допущена ошибка, которая давала оценку для порядка конкретной группы: система Эйлера, используемая для расширения метода Колывагина и Флача, была неполной. Ошибка, однако, не сделала его работу бесполезной - каждая часть работы Уайлса была очень значительной и новаторской сама по себе, как и многие разработки и методы, которые он создал в ходе своей работы и которые затрагивали лишь одну часть рукописи. Тем не менее в этой первоначальной работе, опубликованной в 1993 году, действительно не было доказательства великой теоремы Ферма.
Уайлс провел почти год, пытаясь заново найти решение теоремы - сперва в одиночку, а затем в сотрудничестве со своим бывшим учеником Ричардом Тейлором, но все, казалось, было тщетным. К концу 1993 года распространились слухи, что при проверке доказательство Уайльса потерпело неудачу, но насколько серьезной была эта неудача, известно не было. Математики начали оказывать давление на Уайлса, чтобы он раскрыл детали своей работы, независимо от того, была она выполнена или нет, чтобы более широкое сообщество математиков могло исследовать и использовать все, чего ему удалось добиться. Вместо того, чтобы быстро исправить свою ошибку, Уайлс лишь обнаружил дополнительные сложные аспекты в доказательстве великой теоремы Ферма, и наконец-то осознал, насколько сложной она является.
Уайлс заявляет, что утром 19 сентября 1994 года он был на грани того, чтобы бросить все и сдаться, и почти смирился с тем, что потерпел неудачу. Он готов был опубликовать свою неоконченную работу, чтобы другие могли на ней основываться и найти, в чем он ошибся. Английский математик решил дать себе последний шанс и в последний раз проанализировал теорему, чтобы попытаться понять основные причины, по которым его подход не работал, как вдруг внезапно осознал, что подход Колывагина-Флака не будет работать, пока он не подключит к процессу доказательства еще и теорию Ивасавы, заставив ее работать.
6 октября Уайлс попросил трех коллег (включая Фалтинса) рассмотреть его новую работу, а 24 октября 1994 г. он представил две рукописи - «Модульные эллиптические кривые и последняя теорема Ферма» и «Теоретические свойства кольца некоторых Гекке-алгебр», вторую из которых Уайлс написал совместно с Тейлором и доказал, что были выполнены определенные условия, необходимые для оправдания исправленного шага в основной статье.
Эти две статьи были проверены и, наконец, опубликованы в качестве полнотекстового издания в журнале «Анналы математики» за май 1995 года. Новые расчеты Эндрю были широко проанализированы и научное сообщество в конце концов их признало. В этих работах была установлена теорема модульности для полустабильных эллиптических кривых - последний шаг к доказательству великой теоремы Ферма, спустя 358 лет после того, как она была создана.
История великой проблемы
Решение этой теоремы считалось самой большой проблемой в математике на протяжении многих столетий. В 1816 и в 1850 годах Французская академия наук предложила приз за общее доказательство великой теоремы Ферма. В 1857 году Академия присудила 3000 франков и золотую медаль Куммеру за исследования идеальных чисел, хотя он и не подавал заявку на приз. Еще одна премия была предложена ему в 1883 году Брюссельской академией.
Премия Вольфскеля
В 1908 году немецкий промышленник и математик-любитель Пауль Вольфскель завещал 100 000 золотых марок (большую сумму для того времени) Академии наук Геттингена, чтобы эти деньги стали призом за полное доказательство великой теоремы Ферма. 27 июня 1908 года Академия опубликовала девять правил награждения. Среди прочего, эти правила требовали опубликования доказательства в рецензируемом журнале. Приз должен был присуждаться лишь через два года после публикации. Срок конкурса должен был истечь 13 сентября 2007 - примерно через столетие после своего начала. 27 июня 1997 года Уайлс получил призовые деньги Вольфсхеля, а затем еще 50 000 долларов. В марте 2016 года он получил 600 000 евро от правительства Норвегии в рамках премии Абеля за «потрясающее доказательство последней теоремы Ферма с помощью гипотезы модульности для полустабильных эллиптических кривых, открывающей новую эру в теории чисел». Это был мировой триумф скромного англичанина.
До доказательства Уайлса теорема Ферма, как уже говорилось ранее, считалась абсолютно нерешаемой на протяжении целых столетий. Тысячи неверных доказательств в разное время были представлены комитету Вольфскеля, составив примерно 10 футов (3 метра) корреспонденции. Только в первый год существования премии (1907-1908) было подано 621 заявок с претензией на решение теоремы, хотя к 1970-м годам их количество уменьшилось примерно до 3-4 заявок в месяц. По мнению Ф. Шлихтинга, рецензента Вольфсхеля, большинство доказательств были основаны на элементарных методах, преподаваемых в школах, и часто представлялись «людьми с техническим образованием, но неудачной карьерой». По словам историка математики Говарда Эйвса, последняя теорема Ферма установила своеобразный рекорд - это теорема, набравшая наибольшее количество неверных доказательств.
Лавры Ферма достались японцам
Как уже говорилось ранее, примерно в 1955 году японские математики Горо Шимура и Ютака Танияма открыли возможную связь между двумя, по-видимому, совершенно разными отраслями математики - эллиптическими кривыми и модульными формами. Полученная в результате их исследований теорема модульности (в то время известная как гипотеза Таниямы-Шимуры) гласит, что каждая эллиптическая кривая является модулярной, что означает, что она может быть связана с уникальной модулярной формой.
Теория первоначально была отклонена как маловероятная или весьма спекулятивная, но была воспринята более серьезно, когда теоретик чисел Андре Вейль нашел доказательства, подтверждающие выводы японцев. В результате гипотеза часто называлась гипотезой Таниямы-Шимуры-Вейля. Она стала частью программы Langlands, представляющей собой список важных гипотез, требующих доказательства в будущем.
Даже после серьезного внимания, гипотеза была признана современными математиками как чрезвычайно трудная или, возможно, недоступная для доказательства. Теперь именно эта теорема ждет своего Эндрю Уайлса, который смог бы удивить весь мир ее решением.
Теорема Ферма: доказательство Перельмана
Не смотря на расхожий миф, российский математик Григорий Перельман, при всей своей гениальности, не имеет никакого отношения к теореме Ферма. Что, впрочем, никак не умаляет его многочисленных заслуг перед научным сообществом.
НОВОСТИ НАУКИ И ТЕХНИКИ
УДК 51:37;517.958
А.В. Коновко, к.т.н.
Академия государственной противопожарной службы МЧС России ВЕЛИКАЯ ТЕОРЕМА ФЕРМА ДОКАЗАНА. ИЛИ НЕТ?
В течение нескольких столетий доказать, что уравнение xn+yn=zn при n>2 неразрешимо в рациональных, а значит, и целых числах не удавалось. Родилась эта задача под авторством французского юриста Пьера Ферма, который параллельно профессионально занимался математикой. Её решение признаётся за американским учителем математики Эндрю Уайлсом. Это признание длилось с 1993 по 1995 г.
THE GREAT FERMA"S THEOREM IS PROVED. OR NO?
The dramatic history of Fermat"s last theorem proving is considered. It took almost four hundred years. Pierre Fermat wrote little. He wrote in compressed style. Besides he did not publish his researches. The statement that equation xn+yn=zn is unsolvable on sets of rational numbers and integers if n>2 was attended by Fermat"s commentary that he has found indeed remarkable proving to this statement. The descendants were not reached by this proving. Later this statement was called Fermat"s last theorem. The world best mathematicians broke lance over this theorem without result. In the seventies the French mathematician member of Paris Academy of Sciences Andre Veil laid down new approaches to the solution. In 23 of June, in 1993, at theory of numbers conference in Cambridge, the mathematician of Princeton University Andrew Whiles announced that the Fermat"s last theorem proving is gotten. However it was early to triumph.
В 1621 году французским литератором и любителем математики Клодом Гаспаром Баше де Мезириаком был издан греческий трактат "Арифметики" Диофанта с латинским переводом и комментариями. Роскошная, с необыкновенно широкими полями "Арифметика", попала в руки двадцатилетнему Ферма и на долгие годы стала его настольной книгой. На ее полях он оставил 48 замечаний, содержащих открытые им факты о свойствах чисел. Здесь же, на полях "Арифметики" была сформулирована великая теорема Ферма: "Невозможно разложить куб на два куба или биквадрат на два биквадрата, или вообще степень, большую двух, на две степени с тем же показателем; я нашел этому поистине чудесное доказательство, которое из-за недостатка места не может поместиться на этих полях". Кстати, на латыни -это выглядит таким образом: «Cubum autem in duos cubos, aut quadrato-quadratum in duos quadrato-quadratos, et generaliter nullam in infinitum ultra quadratum potestatem in duas ejusdem nominis fas est dividere; cujus rei demonstrationem mirabilem sane detexi. Hanc marginis exiguitas non caperet».
Великий французский математик Пьер Ферма (1601-1665) развил метод определения площадей и объемов, создал новый метод касательных и экстремумов. Наряду с Декартом он стал создателем аналитической геометрии, вместе с Паскалем стоял у истоков теории вероятностей, в области метода бесконечно малых дал общее правило дифференцирования и доказал в общем виде правило интегрирования степенной функции... Но, главное, с этим именем связана одна из самых загадочных и драматичных историй, когда-либо потрясавших математику - история доказательства великой теоремы Ферма. Сейчас эту теорему выражают в виде простого утверждения: уравнение xn + yn = zn при n>2 неразрешимо в рациональных, а значит, и целых числах. Кстати, для случая n = 3 эту теорему в X веке пытался доказать среднеазиатский математик Ал-Ходжанди, но его доказательство не сохранилось.
Уроженец юга Франции, Пьер Ферма получил юридическое образование и с 1631 состоял советником парламента города Тулузы (т.е. высшего суда). После рабочего дня в стенах парламента, он принимался за математику и тут же погружался в совершенно другой мир. Деньги, престиж, общественное признание - все это не имело для него никакого значения. Наука никогда не становилась для него заработком, не превращалась в ремесло, всегда оставаясь лишь захватывающей игрой ума, понятной лишь единицам. С ними он и вел свою переписку.
Ферма никогда не писал научных работ в нашем привычном понимании. А в его переписке с друзьями всегда присутствует некоторый вызов, даже своеобразная провокация, а отнюдь не академическое изложение проблемы и ее решения. Потому многие из его писем впоследствии так и стали именоваться: вызовом.
Быть может, именно поэтому он так и не осуществил своего намерения написать специальное сочинение по теории чисел. А между тем это была его любимейшая область математики. Именно ей Ферма посвятил самые вдохновенные строки своих писем. "Арифметика, - писал он, - имеет свою собственную область, теорию целых чисел. Эта теория была лишь слегка затронута Евклидом и не была достаточно разработана его последователями (если только она не содержалась в тех работах Диофанта, которых нас лишило разрушительное действие времени). Арифметики, следовательно, должны ее развить и возобновить".
Отчего же сам Ферма не боялся разрушительного действия времени? Писал он мало и всегда очень сжато. Но, самое главное, он не публиковал свои работы. При его жизни они циркулировали лишь в рукописях. Не удивительно поэтому, что результаты Ферма по теории чисел дошли до нас в разрозненном виде. Но, вероятно, прав был Булгаков: великие рукописи не горят! Работы Ферма остались. Они остались в его письмах к друзьям: лионскому учителю математики Жаку де Билли, сотруднику монетного двора Бернар Френикель де Бесси, Марсенни, Декарту, Блез Паскалю... Осталась "Арифметика" Диофанта с его замечаниями на полях, которые после смерти Ферма, вошли вместе с комментариями Баше в новое издание Диофанта, выпущенное старшим сыном Самюэлем в 1670 году. Не сохранилось только самого доказательства.
За два года до смерти Ферма отправил своему другу Каркави письмо-завещание, которое вошло в историю математики под названием «Сводка новых результатов в науке о числах». В этом письме Ферма доказал свое знаменитое утверждение для случая п = 4. Но тогда его интересовало, скорее всего, не само утверждение, а открытый им метод доказательств, названный самим Ферма бесконечным или неопределенным спуском.
Рукописи не горят. Но, если бы не самоотверженность Самюэля, собравшего после смерти отца все его математические наброски и небольшие трактаты, а затем издавшего их в 1679 году под названием «Разные математические сочинения», ученым математикам многое бы пришлось открывать и переоткрывать заново. Но и после их издания проблемы, поставленные великим математиком, пролежали без движения более семидесяти лет. И это не удивительно. В том виде, в каком они появились в печати, теоретико-числовые результаты П. Ферма предстали перед специалистами в виде серьезных, далеко не всегда понятных современникам проблем, почти без доказательств, и указаний на внутренние логические связи между ними. Возможно, в отсутствии стройной, продуманной теории и кроется ответ на вопрос, отчего сам Ферма так и не собрался издать книгу по теории чисел. Через семьдесят лет этими работами заинтересовался Л. Эйлер, и это было воистину их вторым рождением...
Математика дорого заплатила за своеобразную манеру Ферма излагать свои результаты, как будто специально опуская их доказательства. Но, если уж Ферма утверждал, что доказал ту или иную теорему, то впоследствии эту теорему обязательно доказывали. Однако с великой теоремой получилась заминка.
Загадка всегда будоражит воображение. Целые континенты покорила загадочная улыбка Джоконды; теория относительности, как ключ к загадке пространственно-временных связей стала самой популярной физической теорией века. И можно смело утверждать, что не было другой такой математической проблемы, которая была бы столь популярна, как вели__93
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты
кая теорема Ферма. Попытки доказать ее привели к созданию обширного раздела математики - теории алгебраических чисел, но (увы!) сама теорема оставалась недоказанной. В 1908 году немецкий математик Вольфскель завещал 100000 марок тому, кто докажет теорему Ферма. Это была огромная по тем временам сумма! В один момент можно было стать не только знаменитым, но и сказочно разбогатеть! Не удивительно поэтому, что гимназисты даже далекой от Германии России наперебой бросились доказывать великую теорему. Что уж говорить о профессиональных математиках! Но...тщетно! После Первой мировой войны деньги обесценились, и поток писем с псевдодоказательствами начал иссякать, хотя совсем, конечно, так и не прекратился. Рассказывают, что известный немецкий математик Эдмунд Ландау заготовлял печатные формуляры для рассылки авторам доказательств теоремы Ферма: "На стр. ... , в строке... имеется ошибка". (Находить ошибку поручалось доценту.) Курьезов и анекдотов, связанных с доказательством этой теоремы, набралось столько, что из них можно было бы составить книгу. Последним анекдотом выглядит детектив А. Марининой «Стечение обстоятельств», экранизированный и прошедший по телеэкранам страны в январе 2000 года. В нем недоказанную всеми своими великими предшественниками теорему доказывает наш с вами соотечественник и претендует за это на Нобелевскую премию. Как известно, изобретатель динамита проигнорировал в своем завещании математиков, так что автор доказательства мог претендовать разве что на Филдсовскую золотую медаль - высшую международную награду, утвержденную самими математиками в 1936 году.
В классической работе выдающегося отечественного математика А.Я. Хинчина, посвященной великой теореме Ферма, даются сведения по истории этой проблемы и уделяется внимание методу, которым мог пользоваться Ферма при доказательстве своей теоремы. Приводятся доказательство для случая п = 4 и краткий обзор других важнейших результатов.
Но к моменту написания детектива, а тем более, к моменту его экранизации общее доказательство теоремы было уже найдено. 23 июня 1993 года на конференции по теории чисел в Кембридже математик из Принстона Эндрю Уайлс анонсировал, что доказательство великой теоремы Ферма получено. Но совсем не так, как «обещал» сам Ферма. Тот путь, по которому пошел Эндрю Уайлс, основывался отнюдь не на методах элементарной математики. Он занимался так называемой теорией эллиптических кривых.
Чтобы получить представление об эллиптических кривых, необходимо рассмотреть плоскую кривую, заданную уравнением третьей степени
У(х,у) = а30Х + а21х2у+ ... + а1х+ а2у + а0 = 0. (1)
Все такие кривые разбиваются на два класса. К первому классу относятся те кривые, у которых имеются точки заострения (как, например, полукубическая парабола у2 = а2-Х с точкой заострения (0; 0)), точки самопересечения (как Декартов лист х3+у3-3аху = 0, в точке (0; 0)), а также кривые, для которых многочлен Дх,у) представляется в виде
f(x^y)=:fl(x^y)■:f2(x,y),
где ^(х,у) и ^(х,у) - многочлены меньших степеней. Кривые этого класса называются вырожденными кривыми третьей степени. Второй класс кривых образуют невырожденные кривые; мы будем называть их эллиптическими. К таковым может быть отнесен, например, Локон Аньези (х2 + а2)у - а3 = 0). Если коэффициенты многочлена (1) - рациональные числа, то эллиптическая кривая может быть преобразована к так называемой канонической форме
у2= х3 + ах +Ь. (2)
В 1955 году японскому математику Ю. Танияме (1927-1958) в рамках теории эллиптических кривых удалось сформулировать гипотезу, которая открыла путь для доказательства теоремы Ферма. Но об этом не подозревал тогда ни сам Танияма, ни его коллеги. Почти двадцать лет эта гипотеза не привлекала к себе серьезного внимания и стала популярной лишь в середине 70-х годов. В соответствии с гипотезой Таниямы всякая эллиптическая
кривая с рациональными коэффициентами является модулярной. Однако пока что формулировка гипотезы мало говорит дотошному читателю. Потому потребуются некоторые определения.
С каждой эллиптической кривой можно связать важную числовую характеристику - ее дискриминант. Для кривой, заданной в канонической форме (2), дискриминант А определяется формулой
А = -(4а + 27b2).
Пусть Е - некоторая эллиптическая кривая, заданная уравнением (2), где а и b - целые числа.
Для простого числа р рассмотрим сравнение
y2 = х3 + ах + b(mod p), (3)
где а и b - остатки от деления целых чисел а и b на р, и обозначим через np число решений этого сравнения. Числа пр очень полезны при исследовании вопроса о разрешимости уравнений вида (2) в целых числах: если какое-то пр равно нулю, то уравнение (2) не имеет целочисленных решений. Однако вычислить числа пр удается лишь в редчайших случаях. (В то же время известно, что р-п| < 2Vp (теоремаХассе)).
Рассмотрим те простые числа р, которые делят дискриминант А эллиптической кривой (2). Можно доказать, что для таких р многочлен х3 + ах + b можно записать одним из двух способов:
х3 + ах + b = (х + а)2 (х + ß)(mod Р)
х3 + ах + b = (х + у)3 (mod p),
где а, ß, у - некоторые остатки от деления на р. Если для всех простых р, делящих дискриминант кривой, реализуется первая из двух указанных возможностей, то эллиптическая кривая называется полустабильной.
Простые числа, делящие дискриминант, можно объединить в так называемый кондуктор эллиптической кривой. Если Е - полустабильная кривая, то ее кондуктор N задается формулой
где для всех простых чисел p > 5, делящих А, показатель еР равен 1. Показатели 82 и 83 вычисляются с помощью специального алгоритма.
По существу - это всё, что необходимо для понимания сути доказательства. Однако в гипотезе Таниямы присутствует непростое и в нашем случае ключевое понятие модулярности. Поэтому забудем на время об эллиптических кривых и рассмотрим аналитическую функцию f (т.е. ту функцию, которая может быть представлена степенным рядом) комплексного аргумента z, заданного в верхней полуплоскости.
Обозначим через Н верхнюю комплексную полуплоскость. Пусть N - натуральное и к - целое числа. Модулярной параболической формой веса к уровня N называется аналитическая функцияf(z), заданная в верхней полуплоскости и удовлетворяющая соотношению
f = (cz + d)kf (z) (5)
для любых целых чисел а, b, с, d таких, что аё - bc = 1 и с делится на N. Кроме того, предполагается, что
lim f (r + it) = 0,
где r - рациональное число, и что
Пространство модулярных параболических форм веса k уровня N обозначается через Sk(N). Можно показать, что оно имеет конечную размерность.
В дальнейшем нас будут особо интересовать модулярные параболические формы веса 2. Для малых N размерность пространства S2(N) представлена в табл. 1. В частности,
Размерности пространства S2(N)
Таблица 1
N<10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 2
Из условия (5) следует, что % + 1) = для каждой формы f е S2(N). Стало быть, f является периодической функцией. Такую функцию можно представить в виде
Назовем модулярную параболическую форму А^) в S2(N) собственной, если ее коэффициенты - целые числа, удовлетворяющие соотношениям:
а г ■ а = а г+1 ■ р ■ с Г_1 для простого р, не делящего число N; (8)
(ap) для простого р, делящего число N;
атп = ат ап, если (т,п) = 1.
Сформулируем теперь определение, играющее ключевую роль в доказательстве теоремы Ферма. Эллиптическая кривая с рациональными коэффициентами и кондуктором N называется модулярной, если найдется такая собственная форма
f (z) = ^anq" g S2(N),
что ар = р - пр для почти всех простых чисел р. Здесь пр - число решений сравнения (3).
Трудно поверить в существование хотя бы одной такой кривой. Представить, что найдется функция А(г), удовлетворяющая перечисленным жестким ограничениям (5) и (8), которая разлагалась бы в ряд (7), коэффициенты которой были бы связаны с практически невычислимыми числами Пр, довольно сложно. Но смелая гипотеза Таниямы отнюдь не ставила под сомнение факт их существования, а накопленный временем эмпирический материал блестяще подтвердил ее справедливость. После двух десятилетий почти полного забвения гипотеза Таниямы получила в работах французского математика, члена Парижской Академии наук Андре Вейля как бы второе дыхание.
Родившийся в 1906 году А. Вейль стал со временем одним из основателей группы математиков, выступавших под псевдонимом Н. Бурбаки. С 1958 года А. Вейль становится профессором Принстонского института перспективных исследований. И к этому же периоду относится возникновение его интереса к абстрактной алгебраической геометрии. В семидесятые годы он обращается к эллиптическим функциям и гипотезе Таниямы. Монография, посвященная эллиптическим функциям, была переведена у нас, в России . В своем увлечении он не одинок. В 1985 году немецкий математик Герхард Фрей предположил, что если теорема Ферма неверна, то есть если найдется такая тройка целых чисел а, Ь, с, что а" + Ьп = = с" (п > 3), то эллиптическая кривая
у2 = х (х - а")-(х - сп)
не может быть модулярной, что противоречит гипотезе Таниямы. Самому Фрею не удалось доказать это утверждение, однако вскоре доказательство было получено американским математиком Кеннетом Рибетом. Другими словами, Рибет показал, что теорема Ферма является следствием гипотезы Таниямы.
Он сформулировал и доказал следующую теорему:
Теорема 1 (Рибет). Пусть Е - эллиптическая кривая с рациональными коэффициентами, имеющая дискриминант
и кондуктор
Предположим, что Е является модулярной, и пусть
/ (г) = q + 2 аАп е ^ (N)
есть соответствующая собственная форма уровня N. Фиксируем простое число £, и
р:еР =1;- " 8 р
Тогда существует такая параболическая форма
/(г) = 2 dnqn е N)
с целыми коэффициентами, что разности ап - dn делятся на I для всех 1 < п<ад.
Ясно, что если эта теорема доказана для некоторого показателя, то тем самым она доказана и для всех показателей, кратных п. Так как всякое целое число п > 2 делится или на 4, или на нечетное простое число, то можно поэтому ограничиться случаем, когда показатель равен либо 4, либо нечетному простому числу. Для п = 4 элементарное доказательство теоремы Ферма было получено сначала самим Ферма, а потом Эйлером. Таким образом, достаточно изучить уравнение
а1 + Ь1 =с1, (12)
в котором показатель I есть нечетное простое число.
Теперь теорему Ферма можно получить простыми вычислениями (2).
Теорема 2. Из гипотезы Таниямы для полустабильных эллиптических кривых следует последняя теорема Ферма.
Доказательство. Предположим, что теорема Ферма неверна, и пусть есть соответствующий контрпример (как и выше, здесь I - нечетное простое число). Применим теорему 1 к эллиптической кривой
у2 = х (х - ае) (х - с1).
Несложные вычисления показывают, что кондуктор этой кривой задается формулой
Сравнивая формулы (11) и (13), мы видим, что N = 2. Следовательно, по теореме 1 найдется параболическая форма
лежащая в пространстве 82(2). Но в силу соотношения (6) это пространство нулевое. Поэтому dn = 0 для всех п. В то же время а^ = 1. Стало быть, разность аг - dl = 1 не делится на I и мы приходим к противоречию. Таким образом, теорема доказана.
Эта теорема давала ключ к доказательству великой теоремы Ферма. И все же сама гипотеза оставалась все ещё недоказанной.
Анонсировав 23 июня 1993 года доказательство гипотезы Таниямы для полустабильных эллиптический кривых, к которым относятся и кривые вида (8), Эндрю Уайлс поторопился. Математикам было рано праздновать победу.
Быстро закончилось теплое лето, осталась позади дождливая осень, наступила зима. Уайлс писал и переписывал набело окончательный вариант своего доказательства, но дотошные коллеги находили в его работе все новые и новые неточности. И вот, в начале декабря 1993 года, за несколько дней до того, как рукопись Уайлса должна была пойти в печать, в его доказательстве были вновь обнаружены серьезные пробелы. И тогда Уайлс понял, что за день-два он уже не сможет ничего исправить. Здесь требовалась серьезная доработка. Публикацию работы пришлось отложить. Уайлс обратился за помощью к Тейлору. «Работа над ошибками» заняла больше года. Окончательный вариант доказательства гипотезы Таниямы, написанный Уайлсом в сотрудничестве с Тейлором, вышел в свет лишь летом 1995 года.
В отличие от героя А. Марининой Уайлс не претендовал на Нобелевскую премию, но, все же... какой-то наградой его должны были отметить. Вот только какой? Уайлсу в то время уже перевалило на пятый десяток, а золотые медали Филдса вручаются строго до сорока лет, пока еще не пройден пик творческой активности. И тогда для Уайлса решили учредить специальную награду - серебряный знак Филдсовского комитета. Этот знак и был вручен ему на очередном конгрессе по математике в Берлине.
Из всех проблем, способных с большей или меньшей вероятностью занять место великой теоремы Ферма, наибольшие шансы имеет проблема плотнейшей упаковки шаров. Проблему плотнейшей упаковки шаров можно сформулировать как задачу о том, как наиболее экономно сложить из апельсинов пирамиду. Молодым математикам такая задача досталась в наследство от Иоганна Кеплера. Проблема родилась в 1611 году, когда Кеплер написал небольшое сочинение «О шестиугольных снежинках». Интерес Кеплера к расположению и самоорганизации частиц вещества и привел его к обсуждению другого вопроса - о плотней-шей упаковке частиц, при которой они занимают наименьший объем. Если предположить, что частицы имеют форму шаров, то ясно, что как бы они ни располагались в пространстве, между ними неизбежно останутся зазоры, и вопрос состоит в том, чтобы объем зазоров свести к минимуму. В работе , например, утверждается (но не доказывается), что такой формой является тетраэдр, оси координат внутри которого определяют базисный угол ортогональности в 109о28", а не 90о. Эта проблема имеет огромное значение для физики элементарных частиц, кристаллографии и др. разделов естествознания.
Литература
1. Вейль А. Эллиптические функции по Эйзенштейну и Кронекеру. - М., 1978.
2. Соловьев Ю.П. Гипотеза Таниямы и последняя теорема Ферма // Соросовский образовательный журнал. - № 2. - 1998. - С. 78-95.
3. Сингх С. Великая теорема Ферма. История загадки, которая занимала лучшие умы мира на протяжении 358 лет / Пер. с англ. Ю.А. Данилова. М.: МЦНМО. 2000. - 260 с.
4. Мирмович Э.Г., Усачёва Т.В. Алгебра кватернионов и трёхмерные вращения // Настоящий журнал № 1(1), 2008. - С. 75-80.
