Приветствую Вас, математики!
С Вашего разрешения, позволю себе начать с небольшого философского вступительного слова. Великая теорема Ферма представляет собой некую искусную ловушку для математиков. В неё очень легко попасть, задумавшись над, казалось бы, простым вопросом, и практически невозможно выбраться, найдя хоть какое-то логическое решение. Все математики мира во все времена, начиная с самого П. Ферма и Л. Эйлера, находились и находятся в этой ловушке, включая Э. Уайлса.
Вначале все пытаются мыслить логически, затем ищут хоть какой-то выход, затем, не найдя выхода, от безысходности в растерянности мечутся по всей ловушке. Мне это также очень хорошо известно, поскольку я тоже прошёл сквозь все эти «круги ада»!
Я думаю, вряд ли П. Ферма мог найти полное доказательство этой теоремы. Скорей всего сработала математическая интуиция!
Что же касается справедливости теоремы, то тут я, к сожалению, должен сказать, что П. Ферма оказался действительно прав. Лично для меня была более приемлема мысль, что он заблуждался, и что всё же можно найти эту заветную тройку целых чисел, и этим контрпримером разбить теорему в пух и прах.
Однако, скажу для тех, кто ещё так думает, поверьте моему горькому опыту – великая теорема Ферма действительно верна! Но, знаю, это всё равно не будет являться аргументом, поскольку математики сами хотят проверить всё доказательство от А до Я. И если в нём будет хоть одна неточность или неоднозначность, то математики не получат полной уверенности в справедливости теоремы. Именно поэтому большинством математиков всего мира, якобы справедливое, доказательство Э. Уайлса не было воспринято как достоверное. Тем более, каждый человек понимает, что чем сложнее конструкция, тем больше в ней хрупких узлов, и тем проще её разрушить. Что касается самого Э. Уайлса, то на самом деле, я считаю, это очень несчастный человек. Он очень сильно хотел доказать эту теорему, и математический мир смирился с тем, что он её доказал. Ведь ребёнку проще что-то дать, чем отказать. Такая вот история случилась с ним. Можно хотя бы вспомнить случай, как он на ступеньках за час до своего выступления перед математическим сообществом пытался исправить ошибку в своём первом доказательстве в 1993 году. И хоть некоторые математики, видимо из чувства жалости к Э. Уайлсу или чтобы поставить хоть какую-то точку в этой всей бесконечной истории, признали его сложное доказательство верным, но в душе сам Э. Уайлс понимает, что его доказательство не лишено пробелов и неточностей. А мысль о том, что он уже никогда не сможет его подправить, ещё больше омрачает его жизнь.
Не хочу с ним спорить. Время всё расставит на свои места. Всё равно получится так, как пел В. Цой в своей песни «Сосны на морском берегу»:
«И пускай фонари светят ярче далёких звёзд,
Фонари все погаснут, а звёзды будут светить!»
Итак, настало то время, друзья, когда я готов показать вам путь, с помощью которого можно выбраться из многовековой ловушки под названием «Великая теорема Ферма». Вслед за мной, вы сможете выбраться наружу и посмотреть, как устроена эта ловушка. Однако, этот трюк будет готов выполнить лишь тот, кто сможет принять элементарные математические новшества, найденные мной в процессе поиска решения этой непростой задачи.
Аналогично тому, как стала возможной левитация и полёт Дэвида Копперфильда или Человека в маске, после изобретения и применения множества тончайших невидимых человеческому глазу стальных нитей, полное доказательство ВТФ также стало возможным только после нахождения и применения универсальных формул разложения. Одну из них вы давно знаете – это знаменитая формула бинома Ньютона. Остальные же формулы до настоящего времени были неизвестны математике. Именно эти отсутствующие универсальные формулы и были тем недостающим звеном для разгадки великой тайны, оставленной нам П. Ферма.
Как и все загадки, и фокусы, ВТФ после её полного элементарного доказательства, в результате окажется уже неинтересной для тех, кто поймёт это доказательство. Ведь человеку интересно только всё неизведанное. Но, увидев такое разоблачение, математики, тем самым, расширят свой кругозор и смогут уже разгадывать ещё более сложные загадки. В этом-то и заключается процесс познания мира.
Ну, что ж, начнём. Как говорится, дорогу осилит идущий! Для начала, обозначим условия задачи.
Великая теорема Ферма имеет следующую формулировку:
Если
означает какое угодно целое положительное число, большее нежели 2, то уравнению:
(1)
не могут удовлетворять никакие три целых положительных числа
,
и
.
Действительно, при
существуют тройки целых положительных чисел
,
и
. Это, так называемые, пифагоровы тройки. В данном элементарном доказательстве раскроем причину их существования. А также докажем, что для любой большей целой положительной степени
, начиная с
, не может существовать ни одна тройка целых положительных чисел
,
и
.
Для третьей степени приведём классическое доказательство Л. Эйлера, выполненное по методу бесконечного спуска.
Для доказательства этой теоремы, начиная с четвёртой степени, воспользуемся универсальными формулами разложения. И покажем, что для полного доказательства теоремы Ферма, необходимо и достаточно доказать её для четвёртой и любой простой степени.
Пифагоровы тройки.
Пифагоровыми тройками называются такие три целых положительных числа
,
и
, которые удовлетворяют уравнению:
. (2)
Прежде всего заметим, что числа
,
и
мы в праве считать попарно не имеющими общих делителей. В самом деле, если бы какие-нибудь два из них, например
и
, имели какого-нибудь общего делителя
, то, как показывает уравнение (2), и
должно было бы делиться на
, так что всё уравнение можно было бы сократить на
. Поэтому мы можем считать, что числа
,
и
с самого начала попарно не имеют общих делителей.
Далее, нетрудно заметить, что из чисел
и
одно непременно должно быть чётным, а другое нечётным. В самом деле, если бы они оба были чётными, то это означало бы, что у них есть общий делитель 2, - случай, который мы исключили. Если же они оба были бы нечётными, например,
,
,
то мы имели бы:
, (3)
откуда видно, что
, а, следовательно, и
есть чётное число, например,
, откуда
, то есть
должно делиться на 4; но равенство (3) ясно показывает, что
при делении на 4 дает в остатке 2. Таким образом предположение, что числа
и
оба нечётные, приводит нас к противоречию, и мы можем считать доказанным, что из двух чисел
и
одно должно быть чётным, а другое нечётным. Заметим, что в таком случае
, равное
, есть число обязательно нечётное, а, следовательно, и
должно быть нечётным числом.
Уравнение (2) можно записать в виде:
,
или в виде:
; (4)
причём, если считать, что число
в формуле (4) дополняется до числа
числом
, то есть
, то в таком случае
.
Сократим последнее уравнение на
, считая, что
, где
– некоторое целое число, в результате чего получим равенство:
.
Заметим, что числа
и
оба нечётные, поэтому число
всегда чётное. А значит, число
всегда будет целым при соответствующем целом дополнительном числе
. Это является важнейшим условием существования пифагоровых троек.
Например, для наглядности, возьмём одну пифагорову тройку:
,
,
. Для неё
;
;
;
;
. Здесь
,
.
Если число
, то число
следует брать по модулю.
В дальнейшем мы покажем, что для четвёртой степени и всех простых степеней, больших второй, такое одновременное существование целых чисел
и
невозможно по определённым причинам, вследствие чего не может существовать такой целый делитель
для целого числа
, что напрямую укажет на невозможность получить хотя бы одну тройку целых чисел
,
и
, подобно тому, как мы получаем пифагоровы тройки.
Доказательство теоремы Ферма для третьей степени.
Докажем, что уравнение:
(5)
не может иметь решений в целых числах
,
и
; при этом мы можем учитывать возможность отрицательных решений ввиду нечётности степени.
Допустим, что существует тройка целых, отличных от нуля чисел, удовлетворяющих уравнению (5); прежде всего мы можем считать эти числа
,
и
попарно не имеющими общих делителей, то есть взаимно простыми. Действительно, если бы они не были взаимно простыми, то, поделив их на общий делитель, все три числа
,
и
стали бы взаимно простыми.
Числа
и
не могут быть оба чётными, так как мы предположили их не имеющими общих делителей. Отсюда легко следует, что мы в праве считать одно из них чётным, а другое нечётным; в самом деле, если бы они оба были нечётными, то, как показывает уравнение (5),
было бы числом чётным, и мы бы могли заставить его играть роль прежнего
, переписав уравнение (5) в виде:
.
Итак, будем считать
чётным, а
– нечётным; уравнение (5) показывает, что
в таком случае нечётно, и, следовательно, числа
и
целые. Так как
и
, то из чисел
и
одно должно быть чётным, а другое нечётным. Мы получаем
.
Таким образом, при наших предположениях, выражение
также должно быть кубом целого числа; при этом, очевидно, мы можем считать
и
целыми числами, не имеющими общих делителей; более того, соотношение
(6)
показывает нам, что числа
,
и
мы можем считать положительными, не ограничивая этим общности задачи. Относительно
это ясно само собой;
и
, как показывает соотношение (6), имеют одинаковые знаки; если бы они были отрицательными, мы могли бы, изменив знаки чисел
,
и
(благодаря чему
, как показывает его выражение, также только переменило бы знак), сделать числа
и
положительными.
Поскольку число
– чётное, то полагая
, получаем:
;
но так как числа
и
– разной чётности, то
есть число нечётное; следовательно, написанное равенство требует, чтобы
делилось на 4.
Таким образом, произведение чисел
и
должно быть кубом целого числа; если сомножители не имеют общих делителей, то отсюда следует, что каждый из них в отдельности должен быть кубом некоторого целого числа. Посмотрим же, могут ли эти сомножители, или, что то же, могут ли числа
и
иметь общие делители. Если такой делитель есть, то вместе с числом
на него будет делиться и
, а, следовательно, и разность
; а так как числа
и
, по доказанному, общих делителей не имеют, то этим делителем может быть только число 3.
В зависимости от числа
оно может не делиться на простое число 3, а может и делиться на него. Для получения полного доказательства Великой теоремы Ферма для третьей степени рассмотрим оба возможных случая.
Случай 1: число
не делится на простое число 3.
Если
не делится на 3 и, следовательно, числа
и
не имеют общих делителей, то, как мы уже выяснили, каждое из них в отдельности должно быть кубом некоторого целого числа.
Теперь мы вступаем в область, так называемых, целых алгебраических чисел. Заметим, что
;
числа вида
, где
и
– обыкновенные целые числа, и представляют собою тот частный случай целых алгебраических чисел, с которыми нам здесь придётся иметь дело. Для этих чисел можно построить всю арифметику так же, как мы её строим для обыкновенных целых чисел. Определение делимости, делителя, кратного, абсолютно простого числа и так далее остаются теми же, как и в обычной арифметике. Сохраняется и большая часть её предложений; в частности, если произведение двух чисел этого нового вида равно кубу некоторого числа того же вида и если сомножители не имеют общих делителей, то каждый из них в отдельности будет кубом некоторого алгебраического числа того же вида.
Произведение чисел
и
есть, как мы показали, куб некоторого обыкновенного целого числа; но всякое обыкновенное целое число
принадлежит к классу наших новых целых чисел, ибо может быть представлено в виде
. Можно показать (мы не будем входить в эти подробности), что числа
и
не могут иметь общих делителей того же вида. Таким образом каждое из этих чисел должно быть кубом некоторого числа, и нетрудно убедиться, что эти новые числа должны отличаться друг от друга только знаком при
; в самом деле, полагая
, (7)
мы непосредственно убеждаемся, что число
должно быть кубом числа
.Отсюда мы находим:
Кроме того, раскрывая соотношение (7), мы получаем:
,
.
Так как
– число нечётное, то последняя формула показывает нам, что
должно быть числом нечётным, а
– чётным.
Так как, далее, число
, а, следовательно, и число
, должно быть кубом целого числа, то выражение
также должно быть кубом целого числа.
Три множителя
,
и
этого произведения попарно не могут иметь общих делителей, в чём легко убедиться, замечая, что число
– чётное и не может делиться на 3, так как тогда и
делилось бы на 3, в противоречие с нашим предположением. Отсюда следует, что каждый из этих трёх множителей в отдельности должен быть кубом целого числа. Полагая
,
,
,
мы, очевидно, получаем:
;
таким образом числа
,
и
также удовлетворяют уравнению (5). Легко подсчитать, что эти новые числа по абсолютному значению меньше чисел
,
и
первоначальной тройки. Поэтому мы находимся в условиях применимости принципа бесконечного спуска и можем считать предложение доказанным, потому что из существования второй тройки решений на основании доказанного будет следовать существование третьей и так далее. Таким образом, если бы уравнение (5) имело хоть одну тройку решений, то оно должно было бы иметь таких троек бесчисленное множество, бесконечный ряд, и в этом ряду последнее из трёх чисел от тройки к тройке становилось бы всё меньше и меньше, оставаясь целым и положительным, что создаёт очевидную нелепость. Отсюда следует, что уравнение (5) не может удовлетворяться никакой тройкой целых положительных чисел
,
и
.
Следовательно, этим утверждением мы завершили доказательство Великой теоремы Ферма для первого случая третьей степени, когда число
не делится на простое число 3.
Случай 2: число
делится на простое число 3.
В этом случае положим
, где
, подобно
, должно быть чётным числом и не может иметь общих делителей с
; так как
должно быть кубом целого числа и так как числа
и
, как легко убедиться, не могут иметь общих делителей, то каждое из этих чисел в отдельности есть куб некоторого целого числа.
Из того, что
есть куб целого числа, мы, так же как в первом случае, заключаем, что
,
,
причём на этот раз, как легко видеть,
должно быть нечётным, а
– чётным числом.
Последняя формула показывает, что
делится на 3.
Из того, что
должно быть кубом целого числа, мы, умножая это число на
и помня, что
делится на 3, находим, что и
должно быть кубом целого числа.
А так как множители
,
и
этого произведения, очевидно, попарно не могут иметь общих делителей, то каждый из них в отдельности должен быть кубом целого числа. Полагая
,
,
,
находим
;
таким образом мы и во втором случае приходим к существованию новой тройки чисел, удовлетворяющих исходному уравнению (5), и эти новые числа опять, как легко проверить, по абсолютной величине меньше первоначальных, что означает, что мы и в этом случае приходим к возможности применять принцип бесконечного спуска и, следовательно, можем считать Великую теорему Ферма для второго случая третьей степени, когда число
делится на простое число 3, окончательно доказанной.