读书 | 《费马大定理》


摘要

本书全称《费马大定理:一个困惑了世间智者 358 年的谜》,尽管书围绕着费马大定理的前世今生展开,但对于数学史上其它重要内容也或多或少涉猎(如:毕达哥拉斯学派、前几次数学危机、哥德巴赫猜想、不完全性定理、密码学、拓扑学等)囊括了大部分数学史 / 数论史,十分值得一读。最后,作者还列举了一批重要的未解决的数学问题。

《费马大定理:一个困惑了世间智者 358 年的谜》

1. 费马大定理的前世今生

  • 丢番图 (Diophantus) 的《算术》重见天日;
  • 伟大的业余数学家费马 (Pierre de Fermat) 在《算术》中关于毕达哥拉斯定理附近提出了费马大定理,附带那句有名的该死的批注——

Cuius rei demonstrationem mirabilem sane detexi hanc marginis exiguitas non caperet.

  • 欧拉证明了 n = 3, 4 时的费马大定理;
  • 女数学家索菲娅 · 热尔曼证明了 x, y, z 与 n 互质时,n < 100 的所有质数的费马大定理;
  • 拉梅证明了 n = 7 时的费马大定理;
  • 法尔廷斯证明了,即使费马大定理不成立,互质解仍是有限的;
  • 谷山-志村猜想提出:椭圆方程的 E-序列与模形式的 M-序列的相似性;
  • 弗雷假设:构造一条基于费马大定理的椭圆曲线,通过证明谷山-志村猜想即可证明费马大定理;
  • 里贝在梅休尔的启发下,证明了弗雷假设;
  • 怀尔斯独自工作 7 年,使用岩泽健吉理论和科瓦列金-弗莱切方法证明了谷山-志村猜想,从而证明了费马大定理;

2. 重要的未解决的数学问题

包括但不限于——

  • 完美数都是偶数的证明?
  • 完美数是否有无穷个?
  • 质数分布的模式?
  • 孪生质数猜想的证明?
  • 哥德巴赫猜想的证明?
  • 面心立体堆叠是空间球填装的最优解的证明?
  • 四色猜想的逻辑证明?

3. 数学家都追求严谨的逻辑

一个天文学家、一个物理学家和一个数学家(据说)正在苏格兰度假。当他们从火车车厢的窗口向外瞭望时,观察到田地中央有一只黑色的羊。「多么有趣,」天文学家评论道,「所有的苏格兰羊都是黑色的!」物理学家对此反驳说:「不,不!某些苏格兰羊是黑色的!」数学家祈求地凝视着天空,然后吟诵起来:「在苏格兰至少存在着一块田地,至少有一只羊,这只羊至少有一侧是黑色的。」

4. 其它一些感悟

数论是一门实际应用可能并不丰富,但很能锤炼心性的数学分支。

无论是本书所述的已于 1993 年被怀尔斯证明了的费马大定理,还是有名的哥德巴赫猜想,这两个数论界有名的问题,其描述都是三年级小学生就能听懂的,但其证明却需要不世出的天才。这也许也正是数论的趣味和魅力所在。

我是热爱数学的。从四五年级开始,我就喜欢捣鼓奥数题。我至今都记得,小学五年级,我独自发现了平方差公式——

  1. 起先发现了,9² - 8² = 17 = 9 + 88² - 7² = 15 = 8 + 77² - 6² = 13 = 7 + 6……似乎相差 1 的两个数字的平方差就是它们的和;
  2. 而相差不止 1 的平方差,乍看之下并无规律了,9² - 7² = 32 ≠ 9 + 78² - 6² = 28 ≠ 8 + 6……
  3. 但经过更多次的训练和演算,再增加一个参数,把两个平方根的和再乘以它们的差,就又成立了,这回还更普适了:9² - 7² = 32 = (9 + 7) × (9 - 7)8² - 6² = 28 = (8 + 6) × (8 - 6)……
  4. a² - b² = (a + b) × (a - b)

当我总结、抽象出这个公式的瞬间,我是信心爆满并自我感觉处在世界之巅的。然而,五、六年级的习题,大多是应用题型,不需要证明或者推导,计算也并不太复杂、平方相关不多,我能应用到这个 EncyKe's Difference of Squares Formula 的地方并不多。

而更致命的打击来自,到了初中,平方差公式就在课本上「完美地」出现了。(啊!我的 EncyKe's Difference of Squares Formula!)也是,数千年的数学学科发展,平方差公式绝对轮不到一个生于 1993 年的家伙来发现,不然,智人也太弱了。

我还是继续在数学和理科的世界里畅游。也是在那时,初二,我买了一本书,《力量:改变人类文明的 50 大科学定理》。这是一本有趣的科学入门书籍,囊括了数理化相关的有名的实用的公式、结论,及其背后的名人轶事。这本书是我的理科启蒙,应该说,大学会选择化学这一基础学科,多少有这本书带给我的影响。

我还曾不知天高地厚的企图「着手」哥德巴赫猜想的证明。必须承认,当读到哥德巴赫猜想那么简洁易懂的描述,任何有好奇心并且有点自信的人都会跃跃欲试的。到了高中,课业繁重了,我也放弃了这些小小的对于数论的爱好了,当时那对充满幼稚演算的稿纸,现在还留在了老家。

据说,马克思休息时会做数学题,我表示能理解。大学也好、工作也罢,尽管跟数学有关的成分并不多了,我还是会找一些奇奇怪怪的数学或逻辑相关的题目来练手。现在因为学会编程语言,解题也更多了一个维度和层次了。

妙哉,数学;妙哉,数论。


附:参考

  • [英]西蒙·辛格. 费马大定理:一个困惑了世间智者 358 年的谜[M]. 广西: 广西师范大学出版社. 2013.
  • 李啸虎, 田廷彦, 马丁玲. 力量:改变人类文明的 50 大科学定理[M]. 上海: 上海文化出版社. 2005.
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