几何学有两大难题,三等分任意角问题及立方体倍积问题,许多数学家利用初等几何的作图法从各种角度切人,最后证明无解。后来又出现了一个比这两道题更加难解的问题,在数学界掀起轩然大波,甚至在1908年6月的德国数学联合会的会报上出现了高价悬赏:
请证明当n>2时,符合方程x+y=2的x、y、z皆非正整数。能提供正确解答的人,可获得10万马克的奖金,悬赏期限至2007年9月13日。
这个问题乍看之下似乎很简单,但它其实是个前所未有的难题,世人一般称此难题为费马的大定理,或是费马最后定理。全世界的数学家竞相试图征服这道难题。
正业律师、副业数学
法国有一位伟大的数学家,名叫费马(Pierre deFermat)。他于1601年12月8日诞生于一个法国乡村的皮革商家中,长大后成为律师。但因费马本身具有数学天赋,他同时又受到丢番图(Diophantos)提出的数论刺激,便开始研究整数论,自此开启了近代整数论的发展之门。
后来费马开始研究阿波罗尼奥斯的圆锥曲线论,成为解析几何学的先驱,再由此引申出切线法、极大值极小值的理论、曲面体的求体积法等,建立了微积分学的基础。因此,费马对复兴古希腊数学有极大的贡献,是世界数学史上的伟大学者。
而费马是一位个性怪异的人,他从不将自己的研究成果以著述或论文的方式公诸于世,只是将其记录在自己的笔记本里,或是在与朋友往来的书信中提几句。
无论是在费马生时或逝世后,他许多独特的重要定理都由当时的数学家加以研究并获得证明,但前面介绍的费马最后定理,则是费马在丢番图被翻译成拉丁文的《数论》中,针对其中第二册的第8命题而写下的批注提出的:符合x+y=z方程的x、y、z,可以代入任何整数;但当n大于2时,没有任何整数可以套入这个方程里。
然后费马又在该书的空白处留下这样一句话:证明的方式很美妙,但页边空白太小,不足以让我写下式子。这本书在费马过世之后才被发现,惊动了当时的数学界。
空白太小,不够写式子
对于费马最后定理,世上许多伟大的数学家都曾呕心沥血地试图破解,但即使是费马死后300年的今天,这道题仍未获得证明,因此它成为世纪谜题之一。
有人质疑这个定理完全只是费马的想象,他本人也无法证明,那么,出现在他笔记本里以及和友人来往的书信中的诸多问题与定理,也可能是假的。不过除了这项定理外的其他问题与定理,早在当时或费马死后,就由多位数学家经过研究而得到证明。
而且从费马写在空白处的句子来看,不难想象费马自己早已写出漂亮的证明,所以应该不会只有这个定理是虚构的。由此可见,费马的确是东西方罕有的数学天才。
研究费马最后定理的副产品
在费马死后约100年左右,欧拉(Euler)证明了当n是3或4及其倍数时,费马最后定理成立;然后又经过100年,到了1823年,勒让德(Legendre)证明了当n是5及其倍数时,此定理成立;1832年,狄利克雷(Dirichlet)证明了当n是14及其倍数时,此定理成立;1840年,G.拉梅(G.lame)也证明了当n是7及其倍数时,此定理成立。然而却从未有人能够证明n可以是任意整数。
和狄利克雷同时代的德国数学家库默尔(Kummer),证明了当n是100以下的质数及其倍数时,费马最后定理成立;之后库默尔又一鼓作气地证明了当n是100以上的质数及其倍数时,费马最后定理也能成立。然而当库默尔试图挑战n可以是一切整数时,却以失败告终。库默尔在研究费马最后定理的过程中,为理想数立下定义,此举震惊了当时的数学界。
1850年,巴黎学士院还悬赏3万法郎征求证明法,虽然有无数人前往应征,但这些证明都不够完整,因此无人获奖。
1853年,巴黎学士院再度征求证明法,仍然无人可解。50多年后,德国商人兼数学家沃尔夫凯勒(1856-1906年)费尽心力研究费马最后定理,但在还没有成功得到证明之前就去世了,临死前他从遗产中拨出10万马克,委托哥廷根皇家科学协会保管,要送给将来正确解出费马最后定理的人。这个消息在1908年6月正式被发布在《联合会报》上。
这则报导登上全球各地的报纸后,各路人马的解答蜂拥而至,堆得像山一样高,造成审查上的困难,所以后来又再加上一个条件前来应征的论文必须是印刷出版2年以上的论文,征求期限至2007年9月13日,截止期限前若无解答者出现,征求启事自动失效。
在研究这道难题的过程中,以整数论为主轴所衍生的各种发现,开拓出其他数学上的新领域,对近代数学的发展贡献极大。有一位数学家曾说,如果将费马最后定理的相关论文全部聚集起来,可以塞满一座大型图书馆。
就这样,费马最后定理在许多数学家的努力之下,相继被证明部分定理的成立,但n可以是任意整数的证明,直至1994年,才由英国的安德鲁·约翰·怀尔斯(Andrew John Wiles)写出完整的证明。
目前,仍有人怀疑怀尔斯的证明是否正确,毕竟证明论文长达168页,并非简洁的思路,似乎也不是费马笔记本中所形容的“美妙”式子。为了证明费马最后定理,数学的各个分支领域都得到长足进步,但也有些伟大的数学家表示从来没有尝试攻克费马最后定理的想法,如发明不变量理论、公理化几何的德国天才大卫希尔伯特,他说:“我没有那么多时间浪费在一件可能失败的事情上。”费马最后定理,光想想就足以吓退一群天才。
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