Большая теорема Ферма. Доказательство для всех n≥3.
«Большая теорема Ферма» утверждает, что не существует отличных от нуля целых чисел
![\[
x,y,z
\] \[
x,y,z
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/9/e/2/9e298e74d101f36071c147dd84607a2682.png)
, для которых
![\[
x^n + y^n = z^n
\] \[
x^n + y^n = z^n
\]](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/6/1/8/618d457755432a1370f117494e357c6482.png)
(1)
где n простое
![\[
\ge 3
\] \[
\ge 3
\]](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/0/9/7/09788df277ff04a59e56000e2e70922f82.png)
.
Для того, чтобы доказать, что уравнение (1) неразрешимо в целых числах, достаточно привести к противоречию предположение о существовании решения (
![\[
x,y,z
\] \[
x,y,z
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/9/e/2/9e298e74d101f36071c147dd84607a2682.png)
), состоящего из попарно взаимно простых чисел.
![\[
x,y,z
\] \[
x,y,z
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/9/e/2/9e298e74d101f36071c147dd84607a2682.png)
– попарно взаимно простые числа. (2)
Для них найдётся такое k, что
![\[
x + y = z + k
\] \[
x + y = z + k
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/b/a/5bac29ce92963ed73357026dc35a922c82.png)
(3)
Возведём обе части равенства (3) в пятую степень:
![\[
x^5 + 5x^4 y + 10x^3 y^2 + 10x^2 y^3 + 5xy^4 + y^5 = z^5 + 5z^4 k + 10z^3 k^2 + 10z^2 k^3 + 5zk^4 + k^5
\] \[
x^5 + 5x^4 y + 10x^3 y^2 + 10x^2 y^3 + 5xy^4 + y^5 = z^5 + 5z^4 k + 10z^3 k^2 + 10z^2 k^3 + 5zk^4 + k^5
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/3/4/4/344dea5656c0a446b9d536847f51a60882.png)
(4)
![\[
x^5 + y^5 = z^5 + k^5 + 5z^4 k + 10z^3 k^2 + 10z^2 k^3 + 5zk^4 - 5x^4 y - 10x^3 y^2 - 10x^2 y^3 - 5xy^4
\] \[
x^5 + y^5 = z^5 + k^5 + 5z^4 k + 10z^3 k^2 + 10z^2 k^3 + 5zk^4 - 5x^4 y - 10x^3 y^2 - 10x^2 y^3 - 5xy^4
\]](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/2/0/a/20a0160912d351763abe38528ac099c182.png)
(5)
![\[
x^5 + y^5 = z^5 + k^5 - (x + y)(5x^3 y + 5x^2 y^2 + 5xy^3 ) + (z + k)(5z^3 k + 5z^2 k^2 + 5zk^3 )
\] \[
x^5 + y^5 = z^5 + k^5 - (x + y)(5x^3 y + 5x^2 y^2 + 5xy^3 ) + (z + k)(5z^3 k + 5z^2 k^2 + 5zk^3 )
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/5/1/5512538dc5b143267481ff8dbda884ad82.png)
(6)
Рассмотрим случай, когда
![\[
n = 5
\] \[
n = 5
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/c/8/bc8c55e61b25cdff3fe9200761c885a482.png)
в равенстве (1):
![\[
x^5 + y^5 = z^5
\] \[
x^5 + y^5 = z^5
\]](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/6/e/5/6e53f1ceac89447448bdb78b5644839282.png)
, (7)
значит, с учётом (3),
![\[
k^5
\] \[
k^5
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/f/a/e/fae7086e0b4be7de534e1b928cc1dcac82.png)
делится на
![\[
(z + k)
\] \[
(z + k)
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/3/8/1/381dcfbc6cb22c8cf14bf05d1740d57582.png)
, т.е. z и k имеют общий делитель.
Обозначим его q.
Вернёмся к уравнению (6).
В правой части все слагаемые делятся на q :
![\[
x^5 + y^5 = z^5 + k^5 - qA
\] \[
x^5 + y^5 = z^5 + k^5 - qA
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/4/3/b43da4ab44b46856067acc51adef239482.png)
(8)
Возведём обе части уравнения (3) в квадрат:
![\[
x^2 + 2xy + y^2 = z^2 + 2zk + k^2
\] \[
x^2 + 2xy + y^2 = z^2 + 2zk + k^2
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/d/4/0/d4057fb7d6046118a3ac6fc8160ffc9482.png)
(9)
![\[
x^2 + y^2 = z^2 + k^2 + 2zk - 2xy = z^2 + k^2 - 2(xy - zk) = z^2 + k^2 - 2(x - k)(y - k)
\] \[
x^2 + y^2 = z^2 + k^2 + 2zk - 2xy = z^2 + k^2 - 2(xy - zk) = z^2 + k^2 - 2(x - k)(y - k)
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/9/c/e/9ce62eba5ddc81a9d1cdb324604c5f4e82.png)
. (10)
И при
![\[
x^2 + y^2 = z^2
\] \[
x^2 + y^2 = z^2
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/d/d/a/dda997c4cb0428ec6cfb65adcc44ffc682.png)
k не имеет общего делителя с z.
Возведём обе части уравнения (8) в квадрат:
![\[
x^{10} + y^{10} + 2x^5 y^5 = z^{10} + k^{10} + 2z^5 k^5 - 2k^5 qA + q^2 A^2 - 2z^5 qA
\] \[
x^{10} + y^{10} + 2x^5 y^5 = z^{10} + k^{10} + 2z^5 k^5 - 2k^5 qA + q^2 A^2 - 2z^5 qA
\]](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/0/5/7/05720b33f1773e8bf4d6c5f767adfe6382.png)
(11)
Вернёмся к уравнению (7), при выполнении которого ОБЯЗАТЕЛЬНО НАЙДЁТСЯ
![\[
x^{10} + y^{10} = z^{10}
\] \[
x^{10} + y^{10} = z^{10}
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/d/a/4/da4ecdc90244312baebc0c8ec98dba1982.png)
(12)
Покажем это. Представим (12) в виде:
![\[
(x^2 )^5 + (y^2 )^5 = (z^2 )^5
\] \[
(x^2 )^5 + (y^2 )^5 = (z^2 )^5
\]](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/0/3/2/032b54e1fb62b80444daa31db1c659f982.png)
(13)
Обозначим
![\[
x^2 ,y^2 ,z^2
\] \[
x^2 ,y^2 ,z^2
\]](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/c/d/9/cd9a64153d878ab9e7edd1eecaf74a6282.png)
через
![\[
x_1 ,y_1 ,z_1
\] \[
x_1 ,y_1 ,z_1
\]](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/2/6/8/268800d7e30f8f876b390cff9a580f4582.png)
соответственно:
![\[
x_1 ^5 + y_1 ^5 = z_1 ^5
\] \[
x_1 ^5 + y_1 ^5 = z_1 ^5
\]](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/e/4/7/e4733239c098d7f5fa850d9f1aa3960d82.png)
(14)
С учётом (3):
![\[
x_1 + y_1 = z_1 + k_1
\] \[
x_1 + y_1 = z_1 + k_1
\]](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/c/2/a/c2a1d9d6ffa837ec5383a02b56f0513882.png)
, (15)
Уравнение (15)- это то же уравнение (10) при
![\[
k_1 = k^2 - 2(x - k)(y - k)
\] \[
k_1 = k^2 - 2(x - k)(y - k)
\]](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/8/f/5/8f58a1772ef32a91e6d545a89d04612e82.png)
(16)
Таким образом, уравнение (12) не противоречит ни одному из приведённых
уравнений. При этом выполняется и условие (2).
В то же время с учётом (12) уравнение (11) принимает вид:
![\[
2x^5 y^5 = k^{10} + 2z^5 k^5 - 2k^5 qA + q^2 A^2 - 2z^5 qA
\] \[
2x^5 y^5 = k^{10} + 2z^5 k^5 - 2k^5 qA + q^2 A^2 - 2z^5 qA
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/f/2/1/f219cc9360039d8817e3d14385146cec82.png)
(17)
Видим, что в правой части уравнения (17) все слагаемые
делятся на q, а в левой остаётся
![\[
2x^5 y^5
\] \[
2x^5 y^5
\]](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/4/e/2/4e2473a6b21560a0f4845188c452329082.png)
, который по условию (2) не делится на q.
Таким образом, ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ (12) не найдётся тройки взаимно
простых
![\[
x,y,z
\] \[
x,y,z
\]](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/9/e/2/9e298e74d101f36071c147dd84607a2682.png)
, что, с учётом (14), ведёт к невозможности существования такой тройки и для n=5. Это противоречит начальным условиям, поэтому уравнение (7) неверно.
Т.е. , теорема Ферма для
![\[
n = 5
\] \[
n = 5
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/c/8/bc8c55e61b25cdff3fe9200761c885a482.png)
доказана.
Рассуждения, приведённые выше, справедливы для любого простого
![\[
n \ge 3
\] \[
n \ge 3
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/e/6/be6f502e53e0e4ddd03c3f45f97cb12982.png)
.
Таким образом, большая теорема Ферма доказана для всех простых
![\[
n \ge 3
\] \[
n \ge 3
\]](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/e/6/be6f502e53e0e4ddd03c3f45f97cb12982.png)
.
К сожалению, рассуждения, приведённые выше, не охватывают случай
![\[
n = 4
\] \[
n = 4
\]](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/6/0/0/600b8a7343236f2f41945f81246216a482.png)
.
Может поэтому Ферма доказывал верность теоремы для
![\[
n = 4
\] \[
n = 4
\]](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/6/0/0/600b8a7343236f2f41945f81246216a482.png)
после написания знаменитой фразы на полях «Арифметики» Диофанта. Кто знает…