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.