讓你愛上數學的好故事第一季:費馬大定理

今天給大家講述的是費馬大定理的故事。之所以選擇這個定理作為我們的開篇之作,是因為我本人也非常對之著迷。

費馬大定理的故事要從我們熟悉的勾股定理說起


讓你愛上數學的好故事第一季:費馬大定理

勾股定理,夏商時期,我們的祖先就發現了“勾三、股四、弦五”。直角三角形中的三邊平方和的關係,在我國被叫做勾股定理,在西方,被稱為畢達哥拉斯定理。因為這個定理在外國是由畢達哥拉斯首先發現的。

四大文明古國之一的古希臘,和我們古中國一樣,創造出了輝煌的數學歷史。古希臘有一位著名數學家丟番圖,我們對丟番圖的瞭解,大家應該都知道他在墓碑上的一首詩,用一個一元一次方程描述了他的一生。

“他生命的1/6是幸福的童年,生命的1/12是青少年時期。又過了生命的1/7他才結婚。婚後5年有了一個孩子,孩子活到他父親一半的年紀便死去了。孩子死後,丟番圖在深深的悲哀中又活了4年,也結束了塵世生涯。過路人,你知道丟番圖的年紀嗎?”

丟番圖曾在他的著作中提出了一個問題:把一個平方數,分解成兩個平方數的和。平方數,就是我們所謂的1,4,9,16,25,,,,這樣的數字。

接下來,輪到我們的主角費馬出場了。

讓你愛上數學的好故事第一季:費馬大定理

費馬是一名律師。換句話說,他是學法律的。一個文科生。一個文科生,在那個年代,卻提出了一個讓無數頂尖數學家為之折服的“挑釁”。

費馬在圖書館看到了上文中丟番圖問題。那個問題很容易解答。費馬看過後,在圖書旁邊坐了如下批註:你們不要以為事情就這麼簡單就結束了我們不能把一個立方數分解為兩個立方數之和,也不能把一個四次方數分解為兩個四次方數之和,也就是說,在一般情況下,任何超過2的次方分解成兩個相同的次方,都是不可能的。我已經找到了一個絕妙的證明方法,只是這裡空白太小了,無法容納我的證明。


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費馬大定理的描述

18世紀時,人們逐漸認識到這個猜想的重要性。這一切要歸功於歐拉。歐拉為這個猜想的證明所做的努力,將整個猜想被人們所知曉。歐拉給出了n=3和4的證明,但到n=5時,他就遇到了麻煩。無數數學家嘗試攻克這個難題最終都以失敗而告終。這些人的名字無一不是大學生的夢魘,諸如高斯,拉格朗日,羅爾等等。

到了十九世紀,事情出現了轉機。一位女性數學家提出:當xyz不能被被指數n整除時,整數解不存在。(這句話來源於一段翻譯)

十九世紀三十年代,拉梅提出,這個表達式的難點在於,等式的一邊是n次冪和,如果我們能夠把n次冪的和因式分解,處理起來便會容易。拉梅提出使用複數。但這一想法被否決。即便如此,拉梅的想法使人們發現了一些有關素數的事情,有一些素數具有類似的性質,這些素數被稱為規則素數。人們找到了當n等於所有規則素數是時,費馬猜想的證明。

到了世紀交替時期,德國數學家保羅沃爾夫斯凱爾懸賞10萬馬克,徵集費馬猜想的證明。重賞之下必有勇夫,但顯然,科學界只能得到一堆錯誤的證明。

終於時間來到了90年代。美國數學家威爾斯,與1993年宣佈證明了費馬的最後猜想,並與1997年將自己的證明過程完整嚴謹的敘述,並糾正了此前被指出的錯誤。

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不幸的是,1998國際數學大會,懷爾斯已經45歲了,因此,,數學界的最頂級獎項菲爾茲獎將與他無緣。這是一個悲劇,因此,菲爾茲獎評委會,破例,授予他菲爾茲特別獎。

按照張宇的話說,從前,只有某個人因為獲得某個獎而名垂千古,因為一個獎改變了一個人。例如我國的屠呦呦女士,作為第一位獲得諾貝爾獎的中國科學家,她必然會在中國的歷史上書寫下燦爛的一筆。但,從來沒有哪個人能像威爾斯一樣,他是唯一一個,因為他改變了一個獎,菲爾茲獎因為能授予懷爾斯而“感到”榮耀。


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