第二章學生數學科學興趣培養3(2 / 3)

p=7是法國數學家拉梅在1839年證明的。

這樣對每個奇素數p逐一進行處理,難度越來越大,而且不能對所有的p解決費爾馬大定理。有沒有一種方法可以對所有的p或者至少對一批p,證明費爾馬大定理成立呢?德國數學家庫麥爾創立了一種新方法,用新的深刻的觀點來看費爾馬大定理,給一般情況的解決帶來了希望。

庫麥爾利用理想理論,證明了對於p<100費爾馬大定理成立。巴黎科學院為了表彰他的功績,在1857年給他獎金3000法郎。

庫麥爾發現伯努列數與費爾馬大定理有重要聯係,他引進了正規素數的概念:如果素數p不整除B2,B4……,Bp-3的分母,p就稱為正規素數,如果p整除B2,B4……,Bp-3中某一個的分母就稱為非正規素數。例如5是正規數,因為B2的分母是6而56。7也是正規素數,因為B2的分母是6,B4的分母是30,而76,730。

1850年,庫麥爾證明了費爾馬大定理對正規素數成立,這一下子證明了對一大批素數p,費爾馬大定理成立。他發現在100以內隻有37、59、67是非正規素數,在對這三個數進行特別處理後,他證明了對於p<100,費爾馬大定理成立。

正規素數到底有多少?庫麥爾猜測有無限個,但這一猜測一直未能證明。有趣的是,1953年,卡利茨證明了非正規素數的個數是無限的。

近年來,對費爾馬大定理的研究取得了重大進展。1983年,西德的伐爾廷斯證明了“代數數域K上的(非退化的)曲線F(x,y)=0,在出格g>1時,至多有有限多個K點。”

作為它的特殊情況,有理數域Q上的曲線

xn+yn-1=0(5)

在虧格g>1時,至多有有限多個有理點。

這裏虧格g是一個幾何量,對於曲線(5),g可用

g=(n-1)(n-2)2

來計算,由(6)可知在n>3時,(5)的虧格大於1,因而至多有有限多個有理點(x,y)滿足(5)。

方程

xn+yn=2n

可以化成

x2n+y4n-1=0

改記x2,y2為(x,y),則(7)就變成(5)。因此由(5)隻有有限多個有理數解x、y,立即得出(1)隻有有限多個正整數解x、y、z,但這裏把x、y、z與kx、ky、kz(k為正整數)算作同一組解。

因此,即使費爾馬大定理對某個n不成立,方程(7)有正整數解,但解也至多有有限組。

1984年,艾德勒曼與希思布朗證明了第一種情況的費爾馬大定理對無限多個p成立。他們的工作利用了福夫雷的一個重要結果:有無窮多個對素數p與q,滿足q|p-1及q>p2/3個。而福夫雷的結果又建立在對克路斯特曼的一個新的估計上,後者引起了不少數論問題的突破。

現在還不能肯定費爾馬大定理一定正確,盡管經過幾個世紀的努力。瓦格斯塔夫在1977年證明了對於p<125000,大定理成立。最近,羅寒進一步證明了對於p<4100萬,大定理成立。但是,費爾馬大定理仍然是個猜測。如果誰能舉出一個反例,大定理就被推翻了。不過反例是很難舉的。

18.五家共井

我國最早提出不定方程問題,它由“五家共井”引起。古代,沒有自來水,幾家合用一個水井是常見的事。《九章算術》一書第8章第13題就是“五家共井”問題:

今有五家共井,甲二綆不足,如乙一綆;乙三綆不足,如丙一綆;丙四綆不足,如丁一綆;丁五綆不足,如戊一綆;戊六綆不足,如甲一綆。如各得所不足一綆,皆逮。問井深、綆長各幾何!

用水桶到井中取水,當然少不了繩索,“綆”就是指“繩索”。原題的意思是:

五家共用一水井。井深比2條甲家繩長還多1條乙家繩長;比3條乙家繩長還多1條丙家繩長;比4條丙家繩長還多1條丁家繩長;比5條丁家繩長還多1條戊家繩長;比6條戊家繩長還多1條甲家繩長。如果各家都增加所差的另一條取水繩索,剛剛好取水。試問井深、取水繩長各多少?

雖然該問題是虛構的,它是最早的一個不定方程問題。

用現代符號,可設甲、乙、丙、丁、戊各家繩索長分別為x、y、z、u、v;並深為h。根據題意,可得

2x+y=h,3y+z=h,4z+u=h,5u+v=h,6v+x=h。

這是一個含有6個未知數、5個方程的方程組。未知數的個數多於方程個數的方程(或方程組)叫不定方程。用加減消元法可得

x=265721h,y=191721h,z=148721h,

u=129721h,v=76721h。

給定h不同的數值,就可得到x、y、z、u、v的各個不同的數值。隻要再給定一些特定條件,就可得到確定的組解。原書中隻給出一組解,是最小正整數解。

我國古代數學家在《九章算術》的基礎上,對不定方程作出了輝煌的成績。“五家共井”問題是後來百雞術及大衍求一術的先聲。

“五家共井”問題,曾引起世界上很多數學家的注視。在西方數學史書中,把最早研究不定方程的功績歸於希臘丟番都。其實,他在公元250年左右才研究這些問題,要比我國遲200多年。

公元6世紀上半期,張丘建在他的《張丘建算經》中有一個百雞問題:今有雞翁一,值錢五;雞母一,值錢三;雞雛生,值錢一。凡百錢,買雞百隻。問雞翁、母、雛各幾何?

意思是,如果1隻公雞值5個錢;1隻母雞值3個錢;3隻小雞值1個錢。現用100個錢,買了100隻雞。問公雞、母雞、小雞各多少?

設公雞、母雞、小雞分別為x、y、z隻,則可得不定方程消去z不難得出

5x+3y+13z=100x+y+z=100

消去z不難得出

y=7x4

因為y是正整數,所以x必須是4的倍數。

設x=4t,則y=25-7t,z=75+3t

∵x>0,∴4t>0,t>0;

又∵y>0,∴25-7t>0,t<347

故t=1,2,3。

∴原方程組有三組答案:

{x=4,y=18,z=78{x=8,y=11,z=81{x=12,y=4,z=84

數學史家評論說,一道應用題有多組答案,是數學史上從未見到過的,百雞問題開了先例。《張丘建算經》中沒有給出解法,隻說:“術曰:雞翁每增四,雞母每減七,雞雛每益三,即得。”意思是:如果少買7隻母雞,就可多買4隻公雞和3隻小雞。因為7隻母雞值錢21,4隻公雞值錢20,兩者相差3隻小雞的價格。隻要得出一組答案,就可推出其餘兩組。但這解法怎麼來的?書中沒有說明。因此,所謂“百雞術”即百雞問題的解法就引起人們的極大興趣。