2008年7月19日星期六

费尔马大定理:历经400年的浴火重生

 法国人费尔马(Pierre de Fermat,1601-1665)是位律师,但他又是数学史上最伟大的业余数学家。以他名字命名的费尔马大定理已经有近400年的历史。有人认为,费尔马大定理是比哥德巴赫猜想更著名的世界数论难题。
  1637年,费尔马阅读了希腊数学家丢番图(Diophontus)的《算术》一书。他在书中论述求解X2 + Y2 = Z2 一般解的章节时,信手在书的空白处,用笔写下这样的心得:“反过来说,不可能把一个立方数分拆为两个立方数的和;将一个4次幂写成两个4次幂之和。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。我已发现了一个绝妙的证明,但因为空白太小,写不下了。”
  我们知道,在直角三角形中,如果两条直角边的边长为 X和Y,斜边的边长为Z,则X2+Y2=Z2,这就是有名的勾股定理。如果直角三角形的三边的长都是整数,实质上便是勾股方程的整数解问题。满足到勾股方程的正整数(X,Y,Z)叫做勾股数组,例如(3,4,5,)、(5,12,13) 、(7,24,25)、(8,15,17)……等等都是基本勾股数组。
  费尔马的结论是:当N>2时,Xn + Yn =Zn 没有正整数解。费尔马是否真的证出了这个结论,现在无从知晓,反正,后人没有见到过费尔马在别的地方写下这个结论的证明。300多年来,一个高中生就可以理解的定理,成了数学界最大的悬案。
  这个问题吸引了很多优秀数学家和业余数学爱好者,法国科学院曾于1816年和1850年两次悬赏征解,德国也于1908年悬赏十万马克征解。应征者络绎不绝,但提出的解法都是错误的。长期来,人们既不能证明它,也未能否定它,只能对于许多给定的整数n来证明其成立。
  其中,欧拉,18世纪最伟大的数学家之一,在那本特殊版本的《算术》中别的地方,发现费尔马隐蔽地描述了对4次幂的一个证明。欧拉将这个含糊不清的证明从细节上加以完善,并证明了3次幂的无解。但在他的突破之后,索非 热尔曼、勒让德、狄利克雷、加布里尔 拉梅等几个法国人再次取得突破时,距离费尔马写下那个定理已经过去了将近200年,而他们才仅仅又证明了5次幂和7次幂。
  上一世纪50年代,我国著名数学家华罗庚在他的《数论导引》一书中写道:“所可言者,只于2小于n小于619时,此定理已经证明。即此甚微之结果,亦已耗却颇多数学家之脑汁矣。”但是,在打通这条道路途中,那些披荆斩棘的数学勇士们,表现出非凡的聪明才智,由费尔马大定理而引发的探索热情带动了整个数学的发展。由于对这一猜想的研究,促进了许多数论分支的发展,这在数学史上是绝无仅有的。费尔马大定理也被人们誉为“一只会下金蛋的鸡”。
  历史的新转机发生在1986年夏,瑞波特证明了:费尔马大定理包含在“谷山丰-志村五郎猜想”之中。童年就痴迷于此的怀尔斯,闻此立刻潜心于书房七年,汇集了许多20世纪数论的突破性成果。1993年6月23日,在英国剑桥大学牛顿研究所的“世纪演讲”上,宣布证明了费尔马大定理。
  不幸的是,数月后逐渐发现此证明有漏洞。这个证明体系是很多深奥数学推理连接着最现代的定理、事实和计算所组成的逻辑网络,任何一环节的问题都会导致前功尽弃。怀尔斯和他的团队几乎陷入了绝境。
  1994年9月19日,怀尔斯在思维的闪电中突然找到了迷失的钥匙。怀尔斯的历史性长文“模椭圆曲线和费尔马大定理”1995年5月发表在美国《数学年刊》第142卷,实际占满了全卷,共五章,130页。
  1997年6月27日,怀尔斯获得沃尔夫斯克勒10万马克悬赏大奖。怀尔斯现为普林斯顿大学数学系主任。
  很显然,怀尔斯那冗长的、几百页的间接证明肯定不会是费尔马本人奇妙的证明,最多也只是怀尔斯和他的团队一次南辕北辙的探索。更可悲的是,他扼杀了费尔马大定理这只金鸡,而且这只金鸡是被活活折腾死的。
  2007年9月,德国悬赏征解的百年大限刚过,恰逢我国教育部、科技部、中科院和国家自然科学基金会联合开展“10000个科学难题”征集活动。此次活动,拟向两院院士等科技精英征集各个领域的10000个科学难题,评审后结集出版。以提高我国自主创新能力;激励青年科技人员攻克科学难题;普及科学知识激发青少年热爱科学的兴趣,培养探索未知知识的好奇心。费尔马大定理获得了浴火重生的机遇。
  近日,本人以国家自然科学基金会生物医学专家评审组组长的身份,向征集办公室提交了一份数学难题: “方程X3-Y3=1,无正整数和正分数解,幂指数为大于3的自然数时,亦然。”
  这一命题来源于本人早年对费尔马大定理的研究。它是本人用数论方法来获证费尔马大定理的关键步骤之一。我将该题命名为“无锡横山数学猜想”。同时将方程表述成W3-H3=1。WH是无锡横山的拼音首码;更是英文Why(为什么?)和How(怎么干?)的缩写。
  W3-H3=1的求证,必将撩开费尔马大定理奇妙证明的层层迷雾和陷阱。相信我国会有成千上万的青少年成功获证,进而真正得到费尔马本人所描述的那种绝妙的证明方法。这将极大地推动广大青少年热爱科学、追求理想的探索。

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