Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Зарегистрируйтесь на нашем сервере и Вы сможете писать комментарии к сообщениям Обратите внимание!
 
  Наука >> Математика | Популярные статьи
 Посмотреть комментарии[1]  Добавить новое сообщение

Теорема Ферма---Эйлера о представлении простых чисел в виде суммы двух квадратов

Быть может, потомство будет признательно мне
за то, что я показал ему, что Древние знали не всё
Пьер Ферма

Лишь один математик удостоился того, что имя его стало нарицательным. Если произносится слово "ферматист", значит, речь идёт о человеке, одержимом до безумия какой-то несбыточной идеей. Но это слово ни в какой мере не может быть отнесено к самому Пьеру Ферма (1601--1665), одному из самых светлых умов Франции.

Ферма --- человек удивительной судьбы: один из величайших математиков всех времён, он не был, в современной терминологии, "профессиональным" математиком. По профессии Ферма был юристом. Он получил великолепное гуманитарное образование и был выдающимся знатоком искусства и литературы. Всю жизнь он проработал на государственной службе, последние 17 лет был советником местного парламента в Тулузе.

К математике его влекла бескорыстная и возвышенная любовь (это иногда случается с людьми), и именно эта наука дала ему всё, что может дать человеку любовь: упоение красотой, наслаждение и счастье. В те годы не было ещё математических журналов, и Ферма почти ничего не напечатал при жизни. Но он много переписывался со своими современниками, и посредством этой переписки некоторые его достижения становились известными. Пьеру Ферма повезло с детьми: сын обработал архив отца и издал его.

"Я доказал много исключительно красивых теорем", --- сказал как-то Ферма. Особенно много красивых фактов удалось ему обнаружить в теории чисел, которую, собственно, он и основал.

В бумагах и в переписке Ферма было сформулировано немало замечательных утверждений, о которых он писал, что располагает их доказательством. И постепенно, год за годом, таких недоказанных утверждений становилось всё меньше и меньше. И наконец, осталось только одно.

Хорошо известно, что квадраты некоторых чисел можно разложить в сумму двух квадратов. Таков египетский треугольник со сторонами 3, 4 и 5: 32+42=52. Можно описать все целочисленные решения уравнения x2+y2=z2. Это было сделано Диофантом, греческим математиком, жившим (вероятно) в III веке нашей эры, во второй книге его трактата "Арифметика" (до нас дошли 6 книг из 13). На полях около решения Диофанта Ферма написал: "Нельзя разложить куб на два куба, ни квадрато-квадрат (т. е. четвёртую степень числа) на два квадрато-квадрата, ни вообще никакую степень выше квадрата и до бесконечности нельзя разложить на две степени с тем же показателем. Я открыл этому поистине чудесное доказательство, но эти поля для него слишком узки". Иначе говоря, уравнение xn+yn=zn при натуральном n>2 в целых числах неразрешимо.

В бумагах Ферма было найдено доказательство этого утверждения для n=4 (это единственное подробное доказательство теоремы из теории чисел, обнаруженное в бумагах Ферма). Для n=3 теорему Ферма доказал Эйлер в 1768 году. В течение XIX века для доказательства теоремы Ферма были предприняты огромные усилия. Особенных успехов добился немецкий математик Куммер. После его работ теорема Ферма оказалась доказанной для всех простых n (а доказать её только для них), меньших 100, кроме 37, 59 и 97. В нашем веке теорема Ферма была доказана для простых чисел, меньших 100,000, но окончательное решение так и не было найдено.

В 1908 году любитель математики Вольфскель завещал 100,000 марок тому, кто докажет теорему Ферма. Это стало бедствием для математиков многих стран. Потекли сотни и тысячи писем с доказательствами теоремы Ферма. Как правило, они содержали элементарные ошибки, но на их нахождение тратились немалые силы многих математиков.

Во время Первой мировой войны эта премия обесценилась. Поток псевдодоказательств сократился, но не иссяк.

И уже казалось, что эта проблема перейдёт через новую грань веков, но всё-таки пять лет тому назад английский математик Уайлс "залатал последнюю дыру" в своём доказательстве этой великой теоремы, с которым он впервые предстал перед математическим миром в 1993 году.

Мир признал: Великая теорема Ферма доказана!

Однако, тем, кто интересуется математикой, имя Ферма говорит очень многое независимо от его Великой теоремы. Он был, без всякого сомнения, одним из самых проницательных умов своего времени --- времени Гигантов. Его по праву считают основоположником теории чисел, он внёс огромный вклад в зарождающиеся новые направления, определившие последующее развитие науки: математический анализ и аналитическую геометрию. Мы признательны Ферма за то, что он приоткрыл для нас мир, полный красоты и загадочности.

Cледующая теорема, несомненно, принадлежит к числу высших достижений математики XVII--XVIII веков.

Взгляните на несколько первых нечётных простых чисел:


3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, ...

Числа 5, 13, 17 представимы в виде суммы двух квадратов: 5=22+12, 13=22+32, 17=12+42, а остальные числа (3, 7, 11, 19) этим свойством не обладают. Можно ли объяснить этот феномен? Ответ на этот вопрос даёт

Теорема 2. Для того чтобы нечётное простое число было представимо в виде суммы двух квадратов, необходимо и достаточно, чтобы оно при делении на 4 давало в остатке 1.

Немного истории

На Рождество 1640 года в письме от 25 декабря Пьер Ферма извещал знаменитого Мерсенна, друга Декарта и главного посредника в переписке учёных того времени, о том, что "всякое простое число, которое при делении на четыре даёт единицу, единственным способом представимо как сумма двух квадратов".

В ту пору математических журналов ещё не существовало, информацией обменивались в письмах, и как правило, результаты лишь анонсировались, но не сопровождались детальными доказательствами.

Правда, спустя почти двадцать лет после письма Мерсенну в письме к Каркави, отправленном в августе 1659 года, Ферма приоткрывает замысел доказательства сформулированной выше теоремы. Он пишет, что основная идея доказательства состоит в методе спуска, позволяющем из предположения, что для какого-то простого числа вида 4n+1 заключение теоремы неверно, получить, что оно неверно и для меньшего числа того же и т. д., пока мы не доберёмся до числа 5, когда окончательно придём к противоречию.

Первые доказательства, которые впоследствии были опубликованы, найдены Эйлером между 1742 и 1747 годами. Причём, желая утвердить приоритет Ферма, к которому он испытывал чувства глубочайшего уважения, Эйлер придумал доказательство, соответствующее описанному выше замыслу Ферма.

Воздавая должное обоим великим учёным (об Эйлере речь ещё впереди), мы называем эту теорему теоремой Ферма---Эйлера.

Есть свойство, присущее почти всякому прекрасному математическому результату, равно как и почти всякой неприступной и прекрасной горной вершине: его можно штурмовать с разных сторон, и все пути доставляют наслаждение тому, кто не устрашится ими последовать.

В своей статье в "Кванте" [2] я привёл три совершенно различных доказательства. Одно из них (принадлежащее Лагранжу) было придумано в XVIII веке, другое --- Германа Минковского --- в XIX веке, а третье --- нашим современником Даном Цагиром. Но здесь нет возможности воспроизвести их все, и я ограничусь лишь первым из названных.

Доказательство Лагранжа

Это доказательство опирается на следующую лемму Вильсона: если p --- простое число, то число (p-1)!+1 делится на p.

Чтобы не отвлекаться на доказательство этого вспомогательного факта, продемонстрирую лишь основную идею этого доказательства на примере простого числа 13. Для любого числа x, 2 x 11, найдётся такое число y, 2 y 11, что x* y при делении на 13 даёт в остатке 1. Действительно,


(13-1)!=12!=(2* 7)(3* 9)(4* 10)(5* 8)(6* 11)* 12,

и при этом все произведения в скобках при делении на 13 дают в остатке 1, а значит, 12! при делении на 13 даст в остатке 12, откуда (для выбранного нами числа 13) следует утверждение леммы Вильсона.

Из леммы Вильсона извлечём такое следствие: если p=4n+1, где n --- натуральное число, то ((2n)!)2+1 делится на p. Действительно, из леммы Вильсона следует, что (4n)!+1 делится на p, и теперь необходимое утверждение вытекает из слежующей выкладки:


(4n)!+1=(2n)!(2n+1)*...*(4n)+1=
=(2n)!(p-2n)(p-2n-1)*...*(p-1)+1=
=(2n)!(-1)
2n(2n)!+pk+1((2n)!)2+1(mod p).

Обозначим (2n)! через N. Мы доказали, что N2 -1(mod p).

Теперь нам предстоит преодолеть основную трудность. Рассмотрим все пары целых чисел (m,s), такие что 0 m [], 0 s [], через [] обозначена целая часть числа --- наибольшее целое число, не превосходящее . Число таких пар ([ ]+1)2>p. Значит, по крайней мере для двух различных пар (m1,s1) и (m2,s2) остатки от деления m1+Ns1 и m2+Ns2 на p одинаковы, т. е. число a+Nb, где a=m1-m2, b=s1-s2, будет делиться на p. При этом |a|[], |b|[]. Но тогда число a2-N2 b2=(a+Nb)(a-Nb) делится на p, и значит, учитывая, что N2 -1(mod p), получим, что a2+b2 делится на p, т. е. a2+b2=rp, где r --- натуральное число (r0, ибо иначе пары были бы одинаковы). С другой стороны, a2+b22[]2<2p, т. е. r=1, и значит, a2+b2=p. Теорема 2 доказана.

Вопрос о представлении чисел в виде суммы двух квадратов исчерпывается следующим утверждением:

Натуральное число представимо в виде суммы двух квадратов целых чисел тогда и только тогда, когда все простые сомножители вида 4k+3 входят в разложение этого числа на простые сомножители с чётными показателями. (См. [3, с. 45].)

Теорема Ферма---Эйлера очень красиво доказывается, если использовать теорию делимости целых комплексных чисел n+mi, n, m --- целые (см. об этом в замечательной книге [4, с. 28--29]).

Следующий раздел


Посмотреть комментарии[1]
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования