高二数学费尔马大定理.docx
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费马大定理的证明与应用费马大定理,又称费马猜想,是数学史上一项著名的未解问题,它由法国数学家费尔马在17世纪提出。
费马大定理表述如下:对于任何大于2的自然数n,方程xⁿ + yⁿ = zⁿ都没有正整数解。
本文将介绍费马大定理的证明过程,并探讨其在数学领域的应用。
一、费马大定理的证明费马大定理的证明历经数学界多位杰出数学家的尝试,其中最著名的是安德鲁·怀尔斯对费马大定理的证明。
在1994年,怀尔斯发表了一篇震动数学界的论文,证明了费马大定理。
怀尔斯的证明主要依赖于椭圆曲线和模形式理论的深入研究。
他运用了数学领域的许多高深的工具和技巧,最终成功地证明了费马大定理。
怀尔斯的证明过程非常复杂,涉及多个数学分支的交叉应用。
他利用了数论、代数几何、复分析和模形式等多个领域的理论,通过构建了一种新的数学对象,即模形式的自守L函数,并运用了模形式的整数性质以及所谓的“维澄群”的性质。
这个复杂而精妙的证明过程展示了数学家们在解决难题上的智慧和坚持,也让人们更加信服费马大定理的正确性。
二、费马大定理的应用1. 密码学领域费马大定理在密码学领域有着广泛的应用。
其中一个重要的应用是基于椭圆曲线密码学的算法,而椭圆曲线密码学的基础正是椭圆曲线理论。
费马大定理的证明中用到的椭圆曲线理论为密码学提供了可靠的数学基础,使得密码系统更加安全和可靠。
2. 算术基本定理的一种证明费马大定理的证明过程中,怀尔斯使用了模形式的概念和相关的数学工具,其中一部分内容恰好可以用来证明算术基本定理。
算术基本定理也被称为质因数分解定理,它指出任何一个大于1的整数都可以唯一地分解成质数的乘积。
因此,费马大定理的证明在某种程度上间接地证明了算术基本定理的正确性。
3. 数学领域的研究与发展费马大定理的证明对于数学领域的发展与研究具有重要影响。
它不仅推动了椭圆曲线和模形式等数学分支的发展,也激发了数学家们对于其他难题的思考与探索。
费马大定理的证明过程中所运用的数学工具和技巧,丰富了数学领域的理论体系,为数学家们提供了新的思路和方法。
费尔马大定理我们知道,勾股定理公式(毕达哥拉斯方程)x2+y2=z2有整数解,即能找到三个整数x、y、z,使x2+y2=z2成立。
那么对于方程x n+y n=z n(n>2),是否有整数解呢?大约是在1637年,法国业余数学家皮埃尔.德.费马令人惊讶地宣称,方程x n+y n=z n(n>2)根本没有解存在。
他的这个论断写在他阅读的公元前三世纪的希腊数学家丢番图的《算术》的页边处,他写到:不可能将一个立方数写成两个立方数之和,或者将一个4次幂写成两个4次幂之和;或者,总的来说,不可能将一个高于2次的幂写成两个同样次幂的和。
这是一个异乎寻常的结论,但是费马相信他能够证明这个结论。
在列出这个结论的第一个边注后面,这个常常只叙述问题而将问题的解答隐藏起来的天才数学家草草写下一个附加的评注,这个评注苦恼了一代又一代的数学家们:我有一个对这个命题的十分美妙的证明,这里空白太小,写不下。
他的话暗示人们,他由于发现这个“十分美妙”的证明而特别愉快,但却不屑费神写出这个论证的细节,从不介意去发表它。
他从未与任何人谈过他的证明,然而不管他如何谦逊和无心于此,费马大定理(就像后世人们所称呼的那样)终将在未来的几个世纪闻名于全世界。
由于费马与数学界人士不相往来,他的各种发现处于被永远遗失的危险之中。
幸运的是,费马的长子克来孟—塞缪尔意识到他父亲的业余爱好所具有的重要意义,决心不让世界失去父亲的发现。
他花了5年的时间收集他父亲的注记和信件,检查那本《算术》书的页边空白处草草写下的字迹。
那条被称为费马大定理的边注只是涂写在这本书中的许多由灵感而生的思想之一。
1670年,克来孟—塞缪尔出版了《附有P.de费马的评注的丢番图的算术》。
费马的注记包含了整整一系列的定理。
不幸的是,对这些评注或者根本没有任何解释,或者仅仅给出对证明的一点点提示。
其中略微透露出的带有挑逗性的逻辑推理,足以使数学家们毫不怀疑费马已经有了证明的方法,而补全所有的细节就作为一种挑战留给了数学家们。
费尔马大定理及其证明近代数学如参天大树,已是分支众多,枝繁叶茂。
在这棵苍劲的大树上悬挂着不胜其数的数学难题。
其中最耀眼夺目的是四色地图问题、费尔马大定理和哥德巴赫猜想。
它们被称为近代三大数学难题。
300多年以来,费尔马大定理使世界上许多著名数学家殚精竭虑,有的甚至耗尽了毕生精力。
费尔马大定理神秘的面纱终于在1995年揭开,被43岁的英国数学家维尔斯一举证明。
这被认为是“20世纪最重大的数学成就”。
费尔马大定理的由来故事涉及到两位相隔1400年的数学家,一位是古希腊的丢番图,一位是法国的费尔马。
丢番图活动于公元250年前后。
1637年,30来岁的费尔马在读丢番图的名著《算术》的法文译本时,他在书中关于不定方程2x+2y=2z的全部正整数解这页的空白处用拉丁文写道:“任何一个数的立方,不能分成两个数的立方之和;任何一个数的四次方,不能分成两个数的四次方之和,一般来说,不可能将一个高于二次的幂分成两个同次的幂之和。
我已发现了这个断语的美妙证法,可惜这里的空白地方太小,写不下。
”费尔马去世后,人们在整理他的遗物时发现了这段写在书眉上的话。
1670年,他的儿子发表了费尔马的这一部分页端笔记,大家才知道这一问题。
后来,人们就把这一论断称为费尔马大定理。
用数学语言来表达就是:形如n x+n y=n z 的方程,当n大于2时没有正整数解。
费尔马是一位业余数学爱好者,被誉为“业余数学家之王”。
1601年,他出生在法国南部图卢兹附近一位皮革商人的家庭。
童年时期是在家里受的教育。
长大以后,父亲送他在大学学法律,毕业后当了一名律师。
从1648年起,担任图卢兹市议会议员。
他酷爱数学,把自己所有的业余时间都用于研究数学和物理。
由于他思维敏捷,记忆力强,又具备研究数学所必须的顽强精神,所以,获得了丰硕的成果,使他跻身于17世纪大数学家之列。
艰难的探索起初,数学家想重新找到费尔马没有写出来的那个“美妙证法”,但是谁也没有成功。
费尔马大定理--- 怀尔斯的证明提要:三个多世纪的著名数学难题,费尔马大定理,已被普林斯顿大学的怀尔斯证明, 并已获大奖. 震撼数学界的历史事件引起世界各界广泛热烈关注. 本文浅要地介绍整个事件的概况与传奇历史, 获奖情况与各家评论及影响意义, 怀尔斯的生平和特点, 历尽曲折的八年证明中的故事, 也在最后介绍有关的现代数学知识和怀尔斯的证明思路,并附较全的资料信息源.1. 概述历史大难题费尔马大定理的证明已被确认,论文已在1995年发表[1-2]. 给出证明的数学家安德鲁·怀尔斯(Andrew J. Wiles)1953年生于英国, 现为美国普林斯顿大学教授. 已获得沃尔夫奖和国家科学院奖.世界性的费尔马热向更深入的层次发展.许多地方纷纷举行有关的学术研讨班. 本文将介绍最终的证明情况和获奖评论等情况,并在最后适当解释一些数学. 有关历史及1985年前情况可见文[3-4].费尔马大定理又称费尔马最后定理(Fermat's LastTheorem),是著名法国数学家费尔马在约1637年写下的一个猜想:对于任意大于2的整数n , 不可能有非零的整数 a, b, c满足. 这是他写在古希腊数学家丢番图的名著?算术?的页边上的.猜想提出后二百年间,只解决了n=3, 4, 5, 7这四种情形.在约1847年,库木尔(事实上)创立了代数数论,可以发展出对于许多n 的证明.但经350多年无数人的努力,直到1993年终不能完全证明。
此次的转机始于1985-86年. 福雷(G. Frey)1985年断言,谷山丰-志村五郎(Taniyama-Shimura)猜想(即椭圆曲线都是模的)包含费尔马大定.理1986年夏,瑞拜特(K.Ribet)用塞尔(Serre)的设想证明了福雷的断言.因此从1986年起,要想证明费尔马大定理就只要证明谷山丰-志村五郎猜想即可. 这里的数学关系其实可简述成这样(即反证法): 先假设费尔马大定理不正确, 即对某三个整数a, b, c成立,那么福雷建议考虑方程所表示的曲线E (这是一条半稳椭圆曲线). 瑞拜特证明了E不是模的; 只要能再证明E是模的, 就导致了矛盾.就说明原来的假设不对,即得费尔马大定理正确.怀尔斯得知瑞拜特的结果后,立刻决心研究. 潜心七年. 终于在1993年6月23日上午10点半左右在英国剑桥大学牛顿研究所, 在连续三天的讲演的最后, 概述证明了谷山丰-志村五郎猜想的一大部分,从而证明了费尔马大定理. 这立刻震动了世界.一片节日欢庆.但数月后,怀尔斯的证明逐渐被发现有问题. 怀尔斯在1993年12月4日发出电子信, 称证明的最后部分不完全, 但相信可修复. 一时间, 漏洞能否最终修复,世界注目,历史走到了一个关键时刻. 大多数专家相信漏洞不久可修复, 并且高度评价怀尔斯工作的正确部分. 但也有各种议论. 著名专家伐尔廷斯(G.Faltings)1994年3月在《科学美国人》期刊上说:"如果它是容易的, 他到现在就该已经解决过了.严格地说, 它被宣布的时候还不是一个证明."威耳(A.Weil)也在该期刊写到:"我相信他曾有过好的想法去尝试作出证明, 但是证明不在那里. 在某种程度上, 证明费尔马大定理象爬埃佛勒斯峰(即珠穆朗玛峰—作者注). 如果一个人想要爬上埃佛勒斯峰而在离它百码之近倒下了, 那他没有爬上埃佛勒斯峰."怀尔斯的研究非常艰苦. 多种尝试, 包括他的学生泰勒(K.Taylor, 英国剑桥大学)1994年春起的协助, 均告失败. 1994年8月11日下午他在苏黎世"国际数学家大会"作大会最后报告时, 未有任何新进展, 会下笔者见他异常憔悴. 九月“当泰勒仍然不相信欧拉系统法无可挽回的时候",怀尔斯决定再最后看一眼自己曾用过的环论老想法, 突然在94年9月19日的思维闪电中找到了迷失的钥匙.然后他将此论述告知泰勒, 二人核实细节. 怀尔斯最终完成了历史性长篇论文“模椭圆曲线和费尔马大定理";并将支持此文的最后工作细节与泰勒合写成短文“某些亥克代数的环论性质". 1994年10月6日, 他将新证明送给三位同事看, 包括伐尔廷斯. 二文受到谨慎的欢迎.最后发表在《数学年刊》(普林斯顿大学协办)第141卷(1995年),整整占满了全卷, 收稿日期分别标为1994年10月14日和7日(即文[1]和[2], 以下简称怀文和怀泰文). 怀尔斯的论文迅速得到国际数学界的承认,并连续获得沃尔夫奖(1996年3月)和[美国]国家科学院奖(1996年6月).怀尔斯最后发表的论文[1], 与作者原见到的他1994年10月的预印本(见文[3]中介绍)内容几乎完全相同,但引言部分已全然重写,详细地说明了他的研究历程,也简介了主要数学结果.从此引言中可以看出,怀尔斯本人确是当之无愧的费尔马大定理的唯一证明人.这澄清了前些时少数人的猜疑. 怀文共109页,五章. 在标题下首先引述了费尔马当年作出猜想的那段名言原文.接着是11页引言.引言最后写道:“很高兴感谢剑桥会议后仔细阅读此文部分早期草稿的人,特别是特别是慨次(N.Katz),他耐心地回答了我在欧拉系统工作过程中的许多问题,并与伊录西(Illusie)一起审读了该欧拉系统论证.他们的提问引导我发现了问题的所在.慨次也审听了我在1993年秋的首次改正尝试. 我也很感谢泰勒,为了他在深入地分析欧拉系统论证中的帮助. 我很感激戴邙德(F.Diamond),为了他在准备此文最后定稿时的慷慨帮助. 除了他的许多珍贵建议外,其他一些人也作了很有帮助的评论和建议,特别是康莱德,得·沙利特, 伐尔廷斯,瑞拜特,茹宾,斯肯讷,和泰勒. 最后我极其感谢达尔蒙,为了他对于重新考虑我的老论证的鼓励.虽然我当时毫未注意他的劝告,但它当然留下了它的印迹."2. 获奖和评论1995-96年度数学沃尔夫(Wolf)奖由怀尔斯和朗兰兹(Robert P. Langlands)分享,于1996年3月24日在耶路撒冷由以色列总统魏兹曼颁发,奖金十万美元.沃尔夫基金会称,怀尔斯得奖是“由于对数论及相关领域的壮观贡献,由于在若干基本猜想上得到的巨大进展,由于解决了费尔马大定理". 美国数学会的报道说, 怀尔斯引入深刻的奇异的方法, 对于数论中一些长期未决的基本问题的解决作出了巨大的贡献.例如, BSD猜想, 伊瓦萨瓦(Iwasawa)理论主猜想, 和谷山丰-志村五郎(Taniyama-Shimura)猜想. 他的工作的顶峰是对令人称颂的费尔马大定理的证明, 此定理塑造了过去两个世纪大多数论的形态. 朗兰兹是60岁的著名数学家,他的“朗兰兹猜想"影响深远,博大精深.沃尔夫数学奖的历届得主都是极负盛名的数学家,如盖尔丰德,西格尔,韦伊,嘉当,陈省身,小平邦彦等. 该奖是国际上极有影响的大奖,由沃尔夫捐款在1978年设立. 也有化学,医药,农业,和艺术奖.(沃尔夫原居德国,一战前移居古巴,1961年起任古巴驻以色列大使,后留居以色列).怀尔斯获美国“国家科学院奖”被宣布是奖励“他对费尔马大定理的证明,这是他发明了一种美丽的战略,证明了志村五郎-谷山丰猜想的一大部分才完成的;也是奖励他在追求自已的思想实现的过程中所表现出的勇气和技巧力量". 此奖是在1988年为纪念美国数学会一百周年设立的, 奖金五千美元,奖给近十年内发表的杰出数学研究. 以前的得主是朗兰兹(1989)和麦克费尔逊(1993).美国数学会在上述得奖报道中,刊登了怀尔斯过去的导师剑桥大学的蔻茨(J. Coates)的评论文章. 文章说: 怀尔斯在牛津大学毕业后, 于1974-75学年度到剑桥."他的天才很快被斯文哪尔敦--戴尔(Swinnerton-Dyer)注意到.他因管理剑桥大学太忙, 不能作怀尔斯的研究生导师,对这我很高兴. 结果当怀尔斯1975夏开始科研时,我非常幸运地得以能指导他的数学研究第一步"."我们最后得以证明平行于伊瓦撒瓦的结果",证明了BSD猜想的秩零特殊情况."我很快认识到他具有两个显著的数学禀赋,我相信这在他以后的全部数学生涯中都起了关键的作用.第一,他优先于一切地要去证明困难的具体定理,而不愿去作优美的无所不包的猜想. 第二, 他有惊人的能力去吸收大量的极高深极抽象的机制, 并在脚踏实地的问题中贯彻直到得出巨大的成果".到1980年代中期, 怀尔斯"对于伊瓦撒瓦理论主猜想和关于希尔波特模形式的伽罗华表示的研究贡献, 已经使他成为过去150年以来对代数数论作出渊深贡献的极少数优秀数学家之一. 但是, 正象我们现在所知道的, 他并没有躺在这些桂冠上休息, 而从1986年夏他又一直默默地工作着, 朝向一个更伟大的目标.""过去35年的代数数论和算术代数几何,大多被猜想所统治, 而少有肯定的定理. 这并不是要贬毁期间证明的许多优美的定理, 只是要指出太常有的情况: 面对着那些大叠大排的猜想, 这些肯定的结果显得太拘谨, 而那些猜想的证明要留作代数数论的长期目标(例如, 椭圆曲线的BSD猜想, 或者阿庭关于他的非阿贝尔L-函数的全纯猜想). 安德鲁·怀尔斯的工作是对这种研究模式的绝妙解毒剂,也是我们时代的最响亮的警示: 我们是能够期望最终解开数论中那些最深奥的神谜的."3. 怀尔斯生平怀尔斯1953年4月11日生于英国剑桥.(所以他1993年6月宣布证明时,刚过四十岁生日两个多月.) 1971年入牛津大学莫顿(Merton)学院学习, 1974年获该校学士学位. 同年入剑桥大学柯雷尔(Clare)学院学习, 1980年获该校博士学位. 1977至1980年,是柯雷尔学院的“青年研究会员”和哈佛大学的“本杰明·裴尔斯助教授”. 1981年是波恩的“理论数学专门研究院”访问教授,此年稍后,为美国普林斯顿的“高等研究所”研究员. 1982年成为普林斯顿大学教授,该年春是奥赛的巴黎大学访问教授. 作为古根海特别研究员,他1985--86年是科学高级研究所(IHES)和高级师范学校(ENS)的访问教授. 1988至90年,是牛津大学皇家学会研究教授. 1994年,他取得现在的普林斯顿大学欧根·黑金斯数学教授职位. 怀尔斯于1989年被选为在伦敦的皇家学会研究员. 1995年获瑞典皇家科学院的数学韶克奖. 同年获费尔马奖,由保罗萨巴提尔大学和马特拉马克尼空间颁发. 1996年获沃尔夫奖,和[美国]国家科学院奖哥德巴赫猜想与潘承洞人的首要责任就是要有雄心。
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