Доказательство теоремы Ферма для четвёртой степени.
Докажем, что уравнению (1) при
не могут удовлетворять никакие три целых положительных числа
,
и
.
Для этого допустим, что такие три целых положительных числа
,
и
существуют, и воспользуемся одной из универсальных формул разложения - второй формулой для разложения суммы двух чисел в одинаковых чётных положительных степенях (11):
(14)
Поскольку любое целое число в четвёртой степени одновременно является целым числом в квадрате, то, как и для второй степени, в этой формуле числа
и
должны иметь разную чётность, а число
– должно быть нечётным. К тому же будем считать, что все три числа
,
и
попарно не имеют общих делителей, иными словами – они взаимно просты. Действительно, если бы они не были взаимно простыми, то, поделив их на общий делитель, все три числа
,
и
стали бы взаимно простыми.
Теперь заметим, что в правой части равенства (14) содержится уже готовое число в четвёртой степени:
, а то выражение, что к нему прибавляется, является дополнением до величины числа
. При этом нечётное число
дополняется до нечётного числа
путём добавления некоторого чётного числа
.
Если воспользоваться формулой бинома Ньютона (8), то для равенства
число
в четвёртой степени запишется в виде:
,
откуда видно, что каждое слагаемое, кроме первого, делится на число
, поэтому число
никак не зависит от числа
, и его в качестве единственного общего множителя можно вынести за общие скобки:
(15)
Сравнивая имеющееся у нас равенство (14) с равенством (15), которые показывают, каким должно быть число
, замечаем, что в исходном равенстве (14) выражение
является тем же дополнением числа
до некоторого большего числа в четвёртой степени
, что и выражение:
в равенстве (15). В исходном равенстве (14) имеется общий множитель
, который никак не зависит от разницы двух чисел
и выносится за общие скобки без вовлечения в это вынесение числа
, а в равенстве (15) общим множителем является число
, которое так же, как и множитель
в равенстве (14), никак не зависит от разницы двух чисел
и выносится за общие скобки без вовлечения в это вынесение числа
.
Приравняем правые части равенств (14) и (15), и получим следующее равенство:
,
или, без первых слагаемых
:
(16)
Заметим, что поскольку числа
и
не имеют общих делителей, то, следовательно, числа
и
являются взаимно простыми. Взаимно простыми также будут числа
и
, а значит, и числа
и
.
Независимо от того, является ли число
делителем числа
или нет, оно точно является целым делителем произведения двух чисел
, поскольку число
– это единственный делитель числа
, который никак не зависит от числа
, с которым число
не имеет ни одного целого делителя.
Точно так же, как и число, соответствующее выражению
, может иметь один или несколько простых делителей, но ни один из них не будет числом
, дополняющим число
до некоторого большего целого числа
, число, соответствующее выражению
, может иметь один или несколько простых делителей, но ни один из них не будет числом
, дополняющим число
до некоторого большего целого числа
.
И поскольку мы допускаем, что существует целое чётное число
, которое никак не зависит от числа
и которое в качестве единственного общего множителя выносится за общие скобки из всего выражения:
без вовлечения в это вынесение числа
, то оно точно не является целым делителем числа
, так как число
не может быть вовлечено в вынесение этого целого делителя, и поэтому число
обязано быть либо равно числу
, либо быть одним из его делителей, и вместе с тем, как и число
, быть взаимно простым с числом
.
В том случае, если число
равно числу
, мы, заменяя число
на
, получаем равенство:
,
или, после сокращения, имеем следующее равенство:
(17)
Очевидно, что при целых положительных числах
и
, равенство (17) никогда не может быть справедливо, так как его левая часть всегда будет меньше правой. Это означает, что число
на самом деле больше, чем число
. И поэтому число
должно быть лишь одним из делителей числа
.
Значит, можно записать, что
, где
– некий целый делитель числа
. После такой замены получим равенство (16) в следующем виде:
(18)
или, после сокращения левой и правой частей равенства (18) на
:
(19)
из которого видно, что у всей правой части этого равенства, как и у его левой части, должен быть общий целый делитель
.
Заметим, что для существования целого делителя
необходимо, чтобы целое число
, так же, как и число
, не являлось целым делителем числа
, иначе сумма всех слагаемых выражения
не сможет нацело поделиться на число
, так как все слагаемые этого выражения, кроме первого, делятся на число
, и, кроме последнего, делятся на число
.
Поэтому для одновременного существования двух целых чисел
и
необходимо, чтобы они между собой были взаимно простыми.
Поскольку для получения нечётного числа
число
должно быть чётным, то примем, что
, где
– некоторое целое число. Перепишем равенство (19) с учётом такой замены:
,
или, после деления левой и правой частей этого равенства на 4, получим следующее равенство:
(20)
Поскольку числа
и
взаимно просты, а число
, как и число
является целым делителем числа
, то числа
и
также являются взаимно простыми, но помимо этого, они ещё и никак не зависят друг от друга, то есть в то время, как одно из чисел равно нулю, например, при
или
, другое может быть сколь угодно большим, и наоборот. А это значит, что невозможно за счёт одного числа
восполнить нехватку другого числа
, или за счёт второго числа
восполнить нехватку первого числа
. Поэтому все слагаемые левой части равенства (20) должны в точности повторять все слагаемые правой части этого равенства.
Для того, чтобы получить первое слагаемое
правой части равенства (20), необходимо, чтобы множитель
левой части равенства имел в качестве одного из своих слагаемых число
. А поскольку без первого слагаемого в правой части равенства сумма всех оставшихся слагаемых делится на число
, то в качестве второго слагаемого, число
должно иметь число
, где
– некий множитель, дающий целое произведение
, и вместе с тем обеспечивающий верное равенство (20). То есть
.
Действительно, если допустить, что число
состоит из других слагаемых, к примеру,
, где
не равно числу
, или
, где
не равно числу
, то в первом случае мы бы получили равенство:
, или, после раскрытия скобок и приведения подобных:
. Поскольку каждое слагаемое правой части этого равенства нацело делится на
, то и вся левая часть равенства обязана делиться на
, а так как число
взаимно простое с числом
, то это число
должно быть целым делителем исключительно только числа
. Если принять, что
, где
– некоторое целое число, то в таком случае
, и
, откуда видно, что всё равно в качестве одного из слагаемых числа
должно быть число
.
Во втором случае, когда
, где
не равно числу
, мы бы получили равенство:
, или, после раскрытия скобок и приведения подобных:
.
Поскольку левая часть этого равенства равна нулю, а в правой части все слагаемые, кроме последнего выражения
, делятся на число
, и так как число
взаимно простое с числом
, то в таком случае число
обязано делиться на число
, и число
всё равно в качестве одного из своих слагаемых должно иметь число, делящееся на
.
В общем же случае число
всё равно должно иметь вид:
, где
– некий множитель, дающий целое произведение
, и вместе с тем обеспечивающий верное равенство (20). Поэтому наше утверждение, что все слагаемые левой части равенства (20) должны в точности повторять все слагаемые правой части этого равенства, можно считать доказанным.
Перепишем равенство (20) с учётом этой замены:
, или:
, или, после упрощения:
;
;
(21)
Теперь выясним, какие значения может принимать число
, путём допущения, что одно из чисел
или
равно нулю. При
получаем, что
, а при
получаем, что
. В общем же случае, когда ни
, ни
не равны нулю, число
имеет значение:
.
Кроме этого, для того, чтобы число
, равное сумме чисел
и
, при целых числах
и
было целым числом, необходимо, чтобы нецелое число
, равное какому-нибудь отношению двух чисел:
, где
, при умножении на число
давало целое число
. То есть число
, которое должно быть взаимно простым с числом
, не может быть больше числа
, и обязано иметь общие простые делители с этим числом
.
Последнее обстоятельство указывает на то, что в равенстве (21), где правая часть при целых положительных числах
и
является целым положительным числом, его левая часть никогда не может быть целым положительным числом, поскольку если раскрыть скобки, перемножив число
, на каждое слагаемое:
,
и
:
,
то мы получим, что произведения со вторым и третьим слагаемыми дадут нам всегда целые положительные числа:
и
, так как произведение
всегда будет целым числом; а вот произведение числа
с первым слагаемым
, то есть число
, всегда будет нецелым, так как число
не имеет общих делителей с числом
, а следовательно, и не имеет общих делителей с числом
.
Поэтому мы приходим к выводу, что для того, чтобы число
имело целый делитель - число
, то есть
, необходимо, чтобы одновременно числа
и
были целыми. Однако, если число
– целое, то поскольку
, число
должно полностью делиться на число
; но в то же время, если число
полностью делится на число
, то на это число
никак не может делиться число
, так как оно с числом
, а значит, и с числом
не имеет никаких общих делителей.
Прибавим к левой и правой части равенства (21) одно и то же выражение
, в результате чего получим равенство:
, или, после упрощения:
;
(22)
При целых взаимно простых положительных числах
,
и
, а также целом числе
, и нецелом числе
, левая часть равенства (22) представляет собой нецелое число. Значит, и правая часть этого равенства:
обязана быть также нецелым числом. В этом случае число
в действительности оказывается нецелым числом. Но если число
- нецелое, то и число
также обязано быть нецелым числом при любых взаимно простых целых положительных числах
и
.
Следовательно, этим утверждением мы завершили доказательство Великой теоремы Ферма для четвёртой степени.