Много лет назад я получил письмо из Ташкента от Валерия Муратова, судя по почерку, человека юношеского возраста, проживавшего тогда на улице Коммунистической в доме № 31. Парень был настроен решительно: "Сразу к делу. Сколько вы мне заплатите за доказательство теоремы Ферма? Меня устраивает не менее 500 рублей. В другое время я бы доказал вам бесплатно, но сейчас мне нужны деньги..."
Удивительный парадокс: мало кто знает, кто такой Ферма, когда он жил и что сделал. Еще меньше людей могут даже в самых общих словах описать его великую теорему. Но всем известно, что есть какая-то теорема Ферма, над доказательством которой математики всего мира бьются уже более 300 лет, а доказать не могут!
Людей честолюбивых много, и само сознание того, что есть нечто, чего другие сделать не могут, еще больше подстегивает их честолюбие. Поэтому в академии, научные институты и даже редакции газет всего мира приходили и приходят тысячи (!) доказательств Великой теоремы, — невиданный и никем никогда не побитый рекорд псевдонаучной самодеятельности. Существует даже термин: "ферматисты", т. е. люди, одержимые желанием доказать Великую теорему, которые совершенно измучили математиков-профессионалов требованиями оценить их труды. Известный немецкий математик Эдмунд Ландау даже заготовил стандартку, по которой и отвечал: "В вашем доказательстве теоремы Ферма ошибка на странице... ", а номер страницы проставляли его аспиранты. И вот летом 1994 года газеты всего мира сообщают нечто совершенно сенсационное: Великая теорема доказана!
Итак, кто такой Ферма, в чем суть проблемы и решена ли она действительно? Пьер Ферма родился в 1601 году в семье кожевника, человека состоятельного и уважаемого, — он занимал должность второго консула в родном городке Бомоне, — это что-то вроде помощника мэра. Пьер учился сначала у монахов-францисканцев, потом на юридическом факультете в Тулузе, где затем занимался адвокатурой. Однако круг интересов Ферма выходил далеко за рамки юриспруденции. Особенно занимала его классическая филология, известны его комментарии к текстам древних авторов. И вторая страсть — математика.
В XVII веке, как, впрочем, и долгие годы спустя, не существовало такой профессии: математик. Поэтому все великие математики того времени были математиками "по совместительству": Рене Декарт служил в армии, Франсуа Виет был юристом, Франческо Кавальери — монахом. Научных журналов тогда не было, и классик науки Пьер Ферма при жизни не опубликовал ни одной научной работы. Существовал достаточно узкий круг "любителей", которые решали разные для них интересные задачи и писали по этому поводу письма друг другу, иногда спорили (как Ферма с Декартом), но, в основном, оставались единомышленниками. Они и стали основателями новой математики, сеятелями гениальных зерен, из которых пошло в рост, набирая силу и ветвясь, могучее древо современных математических знаний.
Так вот, таким же "любителем" был и Ферма. В Тулузе, где он прожил 34 года, все знали его, прежде всего, как советника следственной палаты и опытнейшего юриста. В 30 лет он женился, имел трех сыновей и двух дочерей, иногда отлучался в служебные командировки и во время одной из них скоропостижно скончался в возрасте 63 лет. Все! Жизнь этого человека, современника "Трех мушкетеров", удивительна бедна событиями и лишена приключений. Приключения достались на долю его Великой теоремы. Не будем говорить обо всем математическом наследии Ферма, да и трудно рассказать о нем популярно. Поверьте на слово: наследие это велико и разнообразно. Утверждение, что Великая теорема — вершина его творчества, весьма спорно. Просто судьба Великой теоремы удивительно интересна, и огромный мир людей, непосвященных в таинства математики, всегда интересовала не сама теорема, а все, что вокруг нее...
Корни всей этой истории надо искать в античности, столь любимой Ферма. Примерно в III веке жил в Александрии греческий математик Диофант, — ученый своеобразно, нестандартно мыслящий и нестандартно мысли свои излагающий. Из 13 томов его "Арифметики" до нас дошло только 6. Как раз, когда Ферма исполнилось 20 лет, вышел новый перевод его сочинений. Ферма очень увлекался Диофантом, и эти сочинения были его настольной книгой. На ее полях Ферма и записал свою Великую теорему, которая в самом простом современном виде выглядит так: уравнение Xn + Yn = Zn не имеет решения в целых числах при п — больше 2. (При п = 2 решение очевидно: З2 + 42 = 52). Там же, на полях Диофантова тома, Ферма добавляет: "Я открыл это поистине чудесное доказательство, но эти поля для него слишком узки".
На первый взгляд, вещица простенькая, но когда другие математики начали доказывать эту "простенькую" теорему, ни у кого ничего не получалось лет сто. Наконец, великий Леонард Эйлер доказал ее для п = 4, потом через 20 (!) лет — для п = 3. И снова работа застопорилась на многие годы. Следующая победа принадлежит немцу Петеру Дирихле (1805—1859) и французу Андриену Лежандру (1752—1833), — они признали, что Ферма прав при п = 5. Потом француз Габриель Ламе (1795—1870) сделал то же для п = 7. Наконец, в середине прошлого века немец Эрнст Куммер (1810—1893) доказал Великую теорему для всех значений п меньше или равных 100. Причем доказал методами, которые не могли быть известны Ферма, чем еще более усилил флер таинственности вокруг Великой теоремы.
Таким образом, получалось, что доказывали теорему Ферма "по кусочкам", а "целиком" ни у кого не получалось. Новые попытки доказательств приводили лишь к количественному увеличению значений п. Все понимали, что, затратив бездну труда, можно доказать Великую теорему для сколь угодно большого числа п, но Ферма-то говорил о любом его значении больше 2! Вот в этой-то разнице между "сколько угодно большим" и "любым" и сосредотачивался весь смысл проблемы.
Однако надо отметить, что попытки доказать теорему Фермга не были просто некоей математической игрой, рсшсением сложного ребуса. В процессе этих доказательств открывались новые математичес кие горизонты, возникали и решались задачи, становившиеся новыми ветгвями математического древа. Великий немецкий математик Давид Гильберт (1862—1943) приводил Великую теорему, как пример того, "какое побуждающее влияние на науку может оказать специальная и на первыш взгляд малозначительная проблема". Тот же Куммер, работая над теоремой Ферма, сам доказал теоремы, которые легли в фундамент теории чисел, алгебры и теории функций. Так что доказательство Великой теорсемы — не спорт, а настоящая наука.
Время шло, и на помощь профеессиональным "фсрматнтстам" пришла электроника. Электронные мозги но)вых методов выдумать не могли, но зато брали скоростыю. Примерно к началу 80-х годов теорема Ферма с помощью ЭВМ была доказана для n меньше или равной 5500. Постепенно эта цифра выросла до 100 000, но все понимали, что подобное "накопление" — дело чисстой техники, ничего не дающее ни уму ни сердцу. Крепость Великой теоремы "в лоб" взять не смогли щ начали искать обходные маневрья.
В середине 80-х годов молодой немеадкий математик Г. Филытингс доказал так называемую "гипотезу Морделла", которая, кстати, тоже "не давалась в руки" никому из математиков 61 год. Возникла надежда, что теперь, так сказать, "атакой с фланга", может быть решена и теорема Ферма. Однако тогда ничего не получилось. В 1986 году немецкий математик Герхард Фрей в Эссеще предложил новый метод доказательства. Не берусь объяснить его строго, но не на маатематическом, а на общечеловеческом языке он звучит примерно так: если мы убедимся, что доказательство некой другой теоремы есть косвенное, неким образом трансформированное доказательство теоремы Ферма, то, следовательно, мы докажем Великую теорему. Через год американец Кеннет Рибет из Беркли показал, что Фрей прав и, действительно, можно одно доказательство свести к другому. По этому пути пошли многие математики в разных странах мира. У нас очень много для доказательства Великой теоремы сделал Виктор Александрович Колыванов. Трехсотлетние стены неприступной крепости зашатались. Математики поняли, что долго она не устоит.
Летом 1993 года в старинном Кембридже, в Институте математических наук имени Исаака Ньютона собрались 75 виднейших математиков мира, чтобы обсудить свои проблемы. Среди них был и американский профессор Эндрю Уайлс из Принстонскош университета, — крупный специалист в теории чисел. Все знали, что он уже много лет занимается Великой теоремой. Уайлс сделал три доклада и на последнем — 23 июня 1993 года — в самом конце, отвернувшись от доски, сказал с улыбкой:
— Пожалуй, я продолжать не буду...
Вначале наступила мертвая тишина, затем — обвал аплодисментов. Сидящие в зале были достаточно квалифицированы, чтобы понять: Великая теорема Ферма доказана! Во всяком случае, никто из присутствующих не обнаружил в приведенном доказательстве каких-либо погрешностей. Заместитель директора Ньютоновского института Питер Годдард заявил журналистам:
— Большинство экспертов не думали, что узнают разгадку до конца своей жизни. Это одно из крупнейших достижений математики нашего столетия...
Прошло несколько месяцев, никаких замечаний и опровержений не последовало. Правда, Уайлс доказательства своего не опубликовал, а лишь разослал, так называемые, припринты своей работы очень узкому кругу своих коллег, что, естественно, мешает математикам комментировать эту научную сенсацию, и я понимаю академика Людвига Дмитриевича Фаддеева, который сказал:
— Смогу утверждать, что сенсация произошла, когда увижу доказательство своими глазами.
Фаддеев считает, что вероятность победы Уайлса весьма велика.
— Мой отец, известный специалист в теории чисел, был, например, уверен, что теорема будет доказана, но не элементарными средствами, — добавил он.
Скептически отнесся к новости другой наш академик, — Виктор Павлович Маслов, который считает, что доказательство Великой теоремы вообще не является актуальной математической проблемой. По своим научным интересам Маслов — председатель совета по прикладной математике — далек от "ферматистов", и, когда он говорит о том, что полное решение Великой теоремы представляет лишь спортивный интерес, его понять можно. Однако смею заметить, что понятие актуальности в любой науке есть величина переменная. 90 лет назад Резерфорду, наверное, тоже говорили: "Ну, хорошо, ну теория радиоактивного распада... И что? Какой от нее прок?.."
Работа над доказательством Великой теоремы уже дала очень много математике, и можно надеется, что даст еще.
— То, что сделал Уайлс, продвинет математиков в другие области, — сказал Питер Годдард. — Скорее, это не закрывает одно из направлений мысли, а ставит новые вопросы, которые потребуют ответа...
Профессор МГУ Михаил Ильич Зеликин так объяснил мне сегодняшнюю ситуацию:
Никто не видит в работе Уайлса каких-то ошибок. Но чтобы работа эта стала научным фактом, необходимо, чтобы несколько авторитетных математиков независимо друг от друга повторили это доказательство и подтвердили его правильность. Это непременное условие осознания работы Уайлса математической общественностью...
Как много времени потребуется для этого?
Этот вопрос я задал одному из ведущих наших специалистов в области теории чисел, доктору физико-математических наук Алексею Николаевичу Паршину.
— У Эндрю Уайлса еще много времени впереди...
Дело в том, что 13 сентября 1907 года немецкий математик П. Вольфскель, который, в отличие от подавляющего большинства математиков, был человек богатый, завещал тому, кто в ближайшие 100 лет докажет Великую теорему, 100 тысяч марок. В начале века проценты с завещанной суммы шли в казну знаменитого Гетгангентского университета. На эти деньги приглашали ведущих математиков для чтения лекций, вели научную работу. В то время председателем комиссии по присуждению премии был уже упоминавшийся мною Давид Гильберт. Выплачивать премию ему очень не хотелось.
— К счастью, — говорил великий математик, — кажется, у нас нет математика, кроме меня, которому была бы под силу эта задача, я же никогда не решусь зарезать курицу, которая несет нам золотые яйца-
До срока — 2007 года, обозначенного Вольфскелем, осталось немного лет, и, мне кажется, над "курицей Гильберта" нависла серьезная опасность. Но не в премии, собственно, дело. Дело в пытливости мысли и человеческом упорстве. Триста с лишним лет бились, а все же доказали!
И еще. Для меня самое интересное во всей этой истории: как доказал свою Великую теорему сам Ферма? Ведь все сегодняшние математические ухищрения были ему неведомы. И доказал ли он ее вообще? Ведь есть версия, что доказал вроде бы, но сам нашел ошибку, а потому и доказательства другим математикам рассылать не стал, а зачеркнуть запись на полях Диофантова тома забыл. Поэтому, мне кажется, что доказательство Великой теоремы, очевидно, состоялось, но тайна теоремы Ферма осталась, и вряд ли мы когда-нибудь раскроем ее...
Может быть, Ферма и ошибся тогда, но он не ошибался, когда писал: "Быть может, потомство будет признательно мне за то, что я показал ему, что древние не все знали, и это может проникнуть в сознание тех, которые придут после меня для передачи факела сыновьям..."
Файл FERMA-KDVar © Н. М. Козий, 2008
Свидетельство Украины № 27312
КРАТКОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ВЕЛИКОЙ ТЕОРЕМЫ ФЕРМА
Великая теорема Ферма формулируется следующим образом: диофантово уравнение (http://soluvel.okis.ru/evrika.html):
А n + В n = С n * /1/
где n - целое положительное число, большее двух, не имеет решения в целых положительных числах A , B , С .
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО
Из формулировки Великой теоремы Ферма следует: если n – целое положительное число, большее двух, то при условии, что два из трех чисел А , В или С - целые положительные числа, одно из этих чисел не является целым положительным числом.
Доказательство строим, исходя из основной теоремы арифметики, которая называется «теоремой о единственности факторизации» или «теоремой о единственности разложения на простые множители целых составных чисел». Возможны нечетные и четные показатели степени n . Рассмотрим оба случая.
1. Случай первый: показатель степени n - нечетное число.
В этом случае выражение /1/ преобразуется по известным формулам следующим образом:
А n + В n = С n /2/
Полагаем, что A и B – целые положительные числа.
Числа А , В и С должны быть взаимно простыми числами.
Из уравнения /2/ следует, что при заданных значениях чисел A и B множитель ( A + B ) n , С.
Допустим, что число С - целое положительное число. С учетом принятых условий и основной теоремы арифметики должновыполняться условие:
С n = A n + B n =(A+B) n ∙ D n , / 3/
гдемножитель D n D
Из уравнения /3/ следует:
Из уравнения /3/ также следует, что число [C n = A n + B n ] при условии, что число С ( A + B ) n . Однако известно, что:
A n + B n < ( A + B ) n /5/
Следовательно:
- дробное число, меньшее единицы. /6/
Дробное число.
n
При нечетных показателях степени n >2 число:
< 1- дробное число, не являющееся рациональной дробью.
Из анализа уравнения /2/ следует, что при нечетном показателе степени n число:
С n = А n + В n = (A+B)
состоит из двух определенных алгебраических множителей, при этом при любом значении показателя степени n неизменным остаетсяалгебраический множитель ( A + B ).
Таким образом, великая теорема Ферма не имеет решения в целых положительных числах при нечетном показателе степени n >2.
2. Случай второй: показатель степени n - четное число.
Суть великой теоремы Ферма не изменится, если уравнение /1/ перепишем следующим образом:
A n = C n - B n /7/
В этом случае уравнение /7/ преобразуется следующим образом:
A n = C n - B n = ( С +B)∙(C n-1 + C n-2 · B+ C n-3 ∙ B 2 +…+ C ∙ B n -2 + B n -1 ). /8/
Принимаем, что С и В – целые числа.
Из уравнения /8/ следует, что при заданных значениях чисел B и C множитель (С+ B ) имеет одно и тоже значение при любых значениях показателя степени n , следовательно, он является делителем числа A .
Допустим, что число А – целое число. С учетом принятых условий и основной теоремы арифметики должновыполняться условие:
А n = С n - B n =(С+ B ) n ∙ D n , / 9/
гдемножитель D n должен быть целым числом и, следовательно, число D также должно быть целым числом.
Из уравнения /9/ следует:
/10/
Из уравнения /9/ также следует, что число [А n = С n - B n ] при условии, что число А – целое число, должно делиться на число (С+ B ) n . Однако известно, что:
С n - B n < (С+ B ) n /11/
Следовательно:
- дробное число, меньшее единицы. /12/
Дробное число.
Отсюда следует, что при нечетном значении показателя степени n уравнение /1/ великой теоремы Ферма не имеет решения в целых положительных числах.
При четных показателях степени n >2 число:
< 1- дробное число, не являющееся рациональной дробью.
Таким образом, великая теорема Ферма не имеет решения в целых положительных числах и при четном показателе степени n >2.
Из изложенного следует общий вывод: уравнение /1/ великой теоремы Ферма не имеет решения в целых положительных числах А, В и С при условии, что показатель степени n >2.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ
В том случае когда показатель степени n – четное число, алгебраическое выражение (C n - B n ) раскладывается на алгебраические множители:
C 2 – B 2 = (C-B) ∙ (C+B); /13/
C 4 – B 4 = ( C-B) ∙ (C+B) (C 2 + B 2);/14/
C 6 – B 6 = (C-B) ∙ (C+B) · (C 2 –CB + B 2) ∙ (C 2 +CB+ B 2); /15/
C 8 – B 8 = (C-B) ∙ (C+B) ∙ (C 2 + B 2) ∙ (C 4 + B 4)./16/
Приведем примеры в числах.
ПРИМЕР 1: В=11; С=35.
C 2 – B 2 = (2 2 ∙ 3) ∙ (2 · 23) = 2 4 · 3 · 23;
C 4 – B 4 = (2 2 ∙ 3) ∙ (2 · 23) · (2 · 673) = 2 4 · 3 · 23 · 673;
C 6 – B 6 = (2 2 ∙ 3) ∙ (2 · 23) · (31 2) ·(3 · 577) =2 ∙ 3 ∙ 23 ∙ 31 2 ∙ 577;
C 8 – B 8 = (2 2 ∙ 3) ∙ (2 · 23) · (2 · 673) ∙ (2 · 75633) = 2 5 ∙ 3 ∙ 23 ∙673 ∙ 75633.
ПРИМЕР 2: В=16; С=25.
C 2 – B 2 = (3 2) ∙ (41) = 3 2 ∙ 41;
C 4 – B 4 = (3 2) ∙ (41) · (881) =3 2 ∙ 41 · 881;
C 6 – B 6 = (3 2) ∙ (41) ∙ (2 2 ∙ 3) ∙ (13 · 37) · (3 ∙ 7 · 61) = 3 3 · 7 ∙ 13· 37 ∙ 41 ∙ 61;
C 8 – B 8 = (3 2) ∙ (41) ∙ (881) ∙ (17 ·26833) = 3 2 ∙ 41 ∙ 881 ∙ 17 ·26833.
Из анализа уравнений /13/, /14/, /15/ и /16/ и соответствующих им числовых примеров следует:
При заданном показателе степени n , если он четное число, число А n = С n - B n раскладывается на вполне определенное количество вполне определенных алгебраических множителей;
При любом показателе степени n , если он четное число, в алгебраическом выражении (C n - B n ) всегда имеются множители ( C - B ) и ( C + B ) ;
Каждому алгебраическому множителю соответствует вполне определенный числовой множитель;
При заданных значениях чисел В и С числовые множители могут быть простыми числами или составными числовыми множителями;
Каждый составной числовой множитель является произведением простых чисел, которые частично или полностью отсутствуют в составе других составных числовых множителей;
Величина простых чисел в составе составных числовых множителей увеличивается с увеличением этих множителей;
В состав наибольшего составного числового множителя, соответствующего наибольшему алгебраическому множителю, входит наибольшее простое число в степени, меньшей показателя степениn (чаще всего в первой степени).
ВЫВОДЫ: дополнительные обоснования подтверждают заключение о том, что великая теорема Ферма не имеет решения в целых положительных числах.
инженер-механик
В 17 веке во Франции жил юрист и по совместительству математик Пьер Ферма , который отдавал своему увлечению долгие часы досуга. Как-то зимним вечером, сидя у камина, он выдвинул одно прелюбопытнейшее утверждение из области теории чисел – именно оно в дальнейшем было названо Великой или Большой теоремой Ферма. Возможно, ажиотаж не был бы настолько весомым в математических кругах, не случись одно событие. Математик часто проводил вечера за штудированием любимой книги Диофанта Александрийского «Арифметика» (3 век), при этом записывал на ее полях важные мысли – этот раритет бережно сохранил для потомков его сын. Так вот, на широких полях этой книги рукой Ферма была оставлена такая надпись: «У меня есть довольно поразительное доказательство, но оно слишком большое, чтобы его можно было поместить на полях». Именно эта запись стала причиной ошеломительного ажиотажа вокруг теоремы. У математиков не вызывало сомнений, что великий ученый заявил о том, что доказал собственную теорему. Вы наверняка задаетесь вопросом: «Неужели он на самом деле ее доказал, или это была банальная ложь, а может есть другие версии, зачем эта запись, не дававшая умиротворенно спать математикам последующих поколений, оказалась на полях книги?».
Суть Великой теоремы
Довольно известная теорема Ферма проста по своей сути и заключается в том, что при условии, когда n больше двойки, положительного числа, уравнение Х n +Y n =Z n не будет иметь решений нулевого типа в рамках натуральных чисел. В этой с виду простой формуле была замаскирована невероятная сложность, и на ее доказательством бились целых три века. Есть одна странность – теорема опоздала с рождением на свет, так как ее частный случай при n=2 появился еще 2200 лет тому назад – это не менее знаменитая теорема Пифагора.
Необходимо отметить, что история, касающаяся всем известной теоремы Ферма, является очень поучительной и занимательной, причем не только для ученых-математиков. Что самое интересное, так это то, что наука являлась для ученого не работой, а простым хобби, которое в свою очередь, доставляла Фермеру огромное удовольствие. Также он постоянно поддерживал связь с ученым-математиком, а по совместительству, еще и другом, делился идеями, но как ни странно, собственные работы опубликовывать в свет не стремился.
Труды математика Фермера
Что касается самих работ Фермера, то их обнаружили именно в форме обычных писем. Местами не было целых страниц, и сохранились лишь обрывки переписок. Более интересен тот факт, что на протяжении трех веков ученые искали ту теорему, которая была обнаружена в трудах Фермера.
Но кто бы не решался ее доказать, попытки сводились к «нулю». Известный математик Декарт и вовсе обвинял ученого в хвастовстве, но все это сводилось лишь к самой обычной зависти. Помимо создания, Фермер еще и доказал собственную теорему. Правда решение было найдено для того случая, где n=4. Что касается случая для n=3, то его выявил математик Эйлер.
Как пытались доказать теорему Фермера
В самом начале 19 века данная теорема продолжила свое существование. Математики нашли много доказательств теорем, которые ограничивались натуральными числами в пределах двухсот.
А в 1909 году была поставлена на кон довольно крупная сумма, равная ста тысячам маркам немецкого происхождения – и все это только лишь за то, чтобы решить вопрос, связанный с этой теоремой. Сам фонд призовой категории был оставлен богатым любителем математики Паулем Вольфскелем, родом из Германии, кстати, именно он хотел «наложить на себя руки», но благодаря такой вовлеченности в теорему Фермера, захотел жить. Возникший ажиотаж породил тонны «доказательств», заполонивших германские университеты, а в кругу математиков родилось прозвище «фермист», которым полупрезрительно называли всякого амбициозного выскочку, не сумевшего привести явные доказательства.
Гипотеза японского математика Ютаки Танияма
Сдвигов в истории Великой теоремы до середины 20 столетия так и не наблюдалось, но одно занимательное событие все-таки произошло. В 1955 году математик из Японии Ютака Танияма, которому было 28 лет, явил миру утверждение из абсолютно другой математической области – его гипотеза в отличие от Ферма опередило свое время. Она гласит: «Каждой эллиптической кривой соответствует определенная модулярная форма». Вроде бы абсурд для каждого математика, подобно, что дерево состоит из определенного металла! Парадоксальную гипотезу, как и большинство прочих ошеломляющих и гениальных открытий, не приняли, так как еще попросту не доросли до нее. И Ютака Танияма покончил жизнь самоубийством, спустя три года – поступок необъяснимый, но, вероятно, честь для истинного гения-самурая была превыше всего.
Целое десятилетие о гипотезе не вспоминали, но в семидесятые она поднялась на пик популярности – ее подтверждали все, кто мог в ней разобраться, но, как и теорема Ферма, она оставалась недоказанной.
Как связаны гипотеза Таниямы и теорема Ферма
Спустя 15 лет в математике произошло ключевое событие, и оно объединило гипотезу прославленного японца и теорему Ферма. Герхард Грей заявил, что когда будет доказана гипотеза Танияма, тогда и найдутся доказательства теоремы Ферма. То есть последняя – это следствие гипотезы Танияма, и уже через полтора года профессором университета в Калифорнии Кеннетом Рибетом теорема Ферма была доказана.
Шло время, регресс заменялся прогрессом, а наука стремительно продвигалась вперед, особенно в области компьютерных технологий. Таким образом, значение n стало все больше повышаться.
В самом конце 20 века самые мощные компьютеры находились в лабораториях военного направления, было осуществлено программирование на вывод решения задачи всем известного Ферма. Как следствие всем попыткам было выявлено то, что данная теорема правильная для многих значений n, x, y. Но, к сожалению, окончательным доказательством это не стало, так как не было конкретики как таковой.
Джон Уайлс доказал великую Теорему Ферма
И вот, наконец, только в конце 1994 года, математик из Англии, Джон Уайлс нашел и продемонстрировал точное доказательство спорной теоремы Фермера. Тогда, после множества доработок, дискуссии по этому поводу пришли к своему логическому завершению.
Опровержение было размещено на более ста страницах одного журнала! Причем теорема была доказана на более современном аппарате высшей математики. И что удивительно, на тот момент, когда Фермер писал свой труд, такого аппарата в природе не существовало. Словом, человек был признан гением в этой области, с чем поспорить не мог никто. Несмотря на все что было, на сегодняшний день можно быть уверенными в том, что представленная теорема великого ученого Фермера оправдана и доказана, и споры и на эту тему не заведет ни одни математик со здравым смыслом, с чем согласны даже самые заядлые скептики всего человечества.
Полное имя человека, в честь которого была названа представленная теорема, звали Пьер де Фермер. Он внес свой вклад в самые разнообразные области математики. Но, к сожалению, большинство его трудов были опубликованы только после его смерти.
Пьер Ферма, читая «Арифметику» Диофанта Александрийского и размышляя над её задачами, имел привычку записывать на полях книги результаты своих размышлений в виде кратких замечаний. Против восьмой задачи Диофанта на полях книги, Ферма записал: «Наоборот, невозможно разложить ни куб на два куба, ни биквадрат на два биквадрата, и, вообще, никакую степень, большую квадрата на две степени с тем же показателем. Я открыл этому поистине чудесное доказательство, но эти поля для него слишком узки » /Э.Т.Белл «Творцы математики». М.,1979, стр.69 /. Предлагаю Вашему вниманию элементарное доказательство теоремы ферма, которое может понять любой старшеклассник, увлекающийся математикой.
Сравним комментарий Ферма к задаче Диофанта с современной формулировкой великой теоремы Ферма, имеющей вид уравнения.
«Уравнение
x n + y n = z n (где n – целое число большее двух)
не имеет решений в целых положительных числах »
Комментарий находится с задачей в логической связи, аналогичной логической связи сказуемого с подлежащим. То, что утверждается задачей Диофанта, наоборот утверждается комментарием Ферма.
Комментарий Ферма можно так трактовать: если квадратное уравнение с тремя неизвестными имеет бесконечное множество решений на множестве всех троек пифагоровых чисел, то, наоборот, уравнение с тремя неизвестными в степени, большей квадрата
В уравнении нет даже намека на его связь с задачей Диофанта. Его утверждение требует доказательства, но при нём нет условия, из которого следует, что оно не имеет решений в целых положительных числах.
Известные мне варианты доказательства уравнения сводятся к следующему алгоритму.
- Уравнение теоремы Ферма принимается за её заключение, в справедливости которого убеждаются при помощи доказательства.
- Это же уравнение называют исходным уравнением, из которого должно исходить его доказательство.
В результате образовалась тавтология: «Если уравнение не имеет решений в целых положительных числах, то оно не имеет решений в целых положительных числах ».Доказательство тавтологии заведомо является неправильным и лишенным всякого смысла. Но её доказывают методом от противного.
- Принимается предположение, противоположное тому, что утверждается уравнением, которое требуется доказать. Оно не должно противоречить исходному уравнению, а оно ему противоречит. Доказывать то, что принято без доказательства, и принимать без доказательства то, что требуется доказать, не имеет смысла.
- На основании принятого предположения выполняются абсолютно правильные математические операции и действия, чтобы доказать, что оно противоречит исходному уравнению и является ложным.
Поэтому вот уже 370 лет доказательство уравнения великой теоремы Ферма остаётся неосуществимой мечтой специалистов и любителей математики.
Я принял уравнение за заключение теоремы, а восьмую задачу Диофанта и её уравнение — за условие теоремы.
«Если уравнение x 2 + y 2 = z 2
(1) имеет бесконечное множество решений на множестве всех троек пифагоровых чисел, то, наоборот, уравнение x n + y n = z n
, где n > 2
(2) не имеет решений на множестве целых положительных чисел.»
Доказательство.
А) Всем известно, что уравнение (1) имеет бесконечное множество решений на множестве всех троек пифагоровых чисел. Докажем, что ни одна тройка пифагоровых чисел, являющаяся решением уравнения (1), не является решением уравнения (2).
На основании закона обратимости равенства, стороны уравнения (1) поменяем местами. Пифагоровы числа (z, х, у ) могут быть истолкованы как длины сторон прямоугольного треугольника, а квадраты ( x 2 , y 2 , z 2 ) могут быть истолкованы как площади квадратов, построенных на его гипотенузе и катетах.
Площади квадратов уравнения (1) умножим на произвольную высоту h :
z 2 h = x 2 h + y 2 h (3)
Уравнение (3) можно трактовать как равенство объема параллелепипеда сумме объёмов двух параллелепипедов.
Пусть высота трех параллелепипедов h = z :
z 3 = x 2 z + y 2 z (4)
Объем куба разложился на два объема двух параллелепипедов. Объём куба оставим без изменений, а высоту первого параллелепипед уменьшим до x и высоту второго параллелепипеда уменьшим до y . Объём куба больше суммы объёмов двух кубов:
z 3 > x 3 + y 3 (5)
На множестве троек пифагоровых чисел (х, у, z ) при n = 3 не может быть ни одного решения уравнения (2). Следовательно, на множестве всех троек пифагоровых чисел невозможно куб разложить на два куба.
Пусть в уравнении (3) высота трёх параллелепипедов h = z 2 :
z 2 z 2 = x 2 z 2 + y 2 z 2 (6)
Объем параллелепипеда разложился на сумму объёмов двух параллелепипедов.
Левую сторону уравнения (6) оставим без изменения. На правой его стороне высоту z 2
уменьшим до х
в первом слагаемом и до у 2
во втором слагаемом.
Уравнение (6) обратилось в неравенство:
Объем параллелепипеда разложился на два объема двух параллелепипедов.
Левую сторону уравнения (8) оставим без изменения.
На правой стороне высоту z n-2
уменьшим до x n-2
в первом слагаемом и уменьшим до y n-2
во втором слагаемом. Уравнение (8) обращается в неравенство:
| z n > x n + y n | (9) |
На множестве троек пифагоровых чисел не может быть ни одного решения уравнения (2).
Следовательно, на множестве всех троек пифагоровых чисел при всех n > 2 уравнение (2) не имеет решений.
Получено «постине чудесное доказательство», но только для троек пифагоровых чисел . В этом заключается недостаток доказательства и причина отказа П. Ферма от него.
B) Докажем, что уравнение (2) не имеет решений на множестве троек непифагоровых чисел, представляющем сбой семейство произвольно взятой тройки пифагоровых чисел z = 13, x = 12, y = 5 и семейство произвольно взятой тройки целых положительных чисел z = 21, x = 19, y = 16
Обе тройки чисел являются членами своих семейств:
| (13, 12, 12); (13, 12,11);…; (13, 12, 5) ;…; (13,7, 1);…; (13,1, 1) | (10) | |
| (21, 20, 20); (21, 20, 19);…;(21, 19, 16);…;(21, 1, 1) | (11) |
Число членов семейства (10) и (11) равно половине произведения 13 на 12 и 21 на 20, т. е. 78 и 210.
В каждом члене семейства (10) присутствует z = 13 и переменные х и у 13 > x > 0 , 13 > y > 0 1
В каждом члене семейства (11) присутствует z = 21 и переменные х и у , которые принимают значения целых чисел 21 > x >0 , 21 > y > 0 . Переменные последовательно убывают на 1 .
Тройки чисел последовательности (10) и (11) можно представить в виде последовательности неравенств третьей степени:
| 13 3 < 12 3 + 12 3 ;13 3 < 12 3 + 11 3 ;…; 13 3 < 12 3 + 8 3 ; 13 3 > 12 3 + 7 3 ;…; 13 3 > 1 3 + 1 3 | ||
| 21 3 < 20 3 + 20 3 ; 21 3 < 20 3 + 19 3 ; …; 21 3 < 19 3 + 14 3 ; 21 3 > 19 3 + 13 3 ;…; 21 3 > 1 3 + 1 3 |
и в виде неравенств четвертой степени:
| 13 4 < 12 4 + 12 4 ;…; 13 4 < 12 4 + 10 4 ; 13 4 > 12 4 + 9 4 ;…; 13 4 > 1 4 + 1 4 | ||
| 21 4 < 20 4 + 20 4 ; 21 4 < 20 4 + 19 4 ; …; 21 4 < 19 4 + 16 4 ;…; 21 4 > 1 4 + 1 4 |
Правильность каждого неравенства удостоверяется возвышением чисел в третью и в четвертую степень.
Куб большего числа невозможно разложить на два куба меньших чисел. Он или меньше, или больше, суммы кубов двух меньших чисел.
Биквадрат большего числа невозможно разложить на два биквадрата меньших чисел. Он или меньше, или больше, суммы биквадратов меньших чисел.
С возрастанием показателя степени все неравенства, кроме левого крайнего неравенства, имеют одинаковый смысл:
Неравенств они все имеют одинаковый смысл: степень большего числа больше суммы степеней меньших двух чисел с тем же показателем:
| 13 n > 12 n + 12 n ; 13 n > 12 n + 11 n ;…; 13 n > 7 n + 4 n ;…; 13 n > 1 n + 1 n | (12) | |
| 21 n > 20 n + 20 n ; 21 n > 20 n + 19 n ;…; ;…; 21 n > 1 n + 1 n | (13) |
Левый крайний член последовательностей (12) (13) представляет собой наиболее слабое неравенство. Его правильность определяет правильность всех последующих неравенств последовательности (12) при n > 8 и последовательности (13) при n > 14 .
Среди них не может быт ни одного равенства. Произвольно взятая тройка целых положительных чисел (21,19,16) не является решением уравнения (2) великой теоремы Ферма. Если произвольно взятая тройка целых положительных чисел не является решением уравнения, то уравнение не имеет решений на множестве целых положительных чисел, что и требовалось доказать.
С) В комментарии Ферма к задаче Диофанта утверждается, что невозможно разложить «вообще, никакую степень, большую квадрата, на две степени с тем же показателем ».
Целую степень, большую квадрата, действительно невозможно разложить на две степени с тем же показателем. Нецелую степень, большую квадрата можно разложить на две степени с тем же показателем.
Любая произвольно взятая тройка целых положительных чисел (z, x, y) может принадлежать семейству, каждый член которого состоит из постоянного числа z и двух чисел, меньших z . Каждый член семейства может быть представлен в форме неравенства, а все полученные неравенства — в виде последовательности неравенств:
| z n < (z — 1) n + (z — 1) n ; z n < (z — 1) n + (z — 2) n ; …; z n > 1 n + 1 n | (14) |
Последовательность неравенств (14) начинается неравенствами, у которых левая сторона меньше правой стороны, а оканчивается неравенствами, у которых правая сторона меньше левой стороны. С возрастанием показателя степени n > 2 число неравенств правой стороны последовательности (14) увеличивается. При показателе степени n = k все неравенства левой стороны последовательности изменяют свой смысл и принимают смысл неравенств правой стороны неравенств последовательности (14). В результате возрастания показателя степени у всех неравенств левая сторона оказывается больше правой стороны:
| z k > (z-1) k + (z-1) k ; z k > (z-1) k + (z-2) k ;…; z k > 2 k + 1 k ; z k > 1 k + 1 k | (15) |
При дальнейшем возрастании показателя степени n > k ни одно из неравенств не изменяет своего смысла и не обращается в равенство. На этом основании можно утверждать, что любая произвольно взятая тройка целых положительных чисел (z, x, y) при n > 2 , z > x , z > y
В произвольно взятой тройке целых положительных чисел z может быть сколь угодно большим натуральным числом. Для всех натуральных чисел, которые не больше z , большая теорема Ферма доказана.
D) Каким бы ни было большим число z , в натуральном ряду чисел до него имеется большое, но конечное множество целых чисел, а после него – бесконечное множество целых чисел.
Докажем, что все бесконечное множество натуральных чисел, больших z , образуют тройки чисел, которые не являются решениями уравнения большой теоремы Ферма, например, произвольно взятая тройка целых положительных чисел (z + 1, x ,y) , в которой z + 1 > x и z + 1 > y при всех значениях показателя степени n > 2 не является решением уравнения большой теоремы Ферма.
Произвольно взятая тройка целых положительных чисел (z + 1, x, y) может принадлежать семейству троек чисел, каждый член которого состоят из постоянного числа z + 1 и двух чисел х и у , принимающих различные значения, меньшие z + 1 . Члены семейства могут быть представлены в форме неравенств, у которых постоянная левая сторона меньше, или больше, правой стороны. Неравенства можно упорядоченно расположить в виде последовательности неравенств:
При дальнейшем возрастании показателя степени n > k до бесконечности ни одно из неравенств последовательности (17) не изменяет своего смысла и не обращается в равенство. В последовательности (16) неравенство, образованное из произвольно взятой тройки целых положительных чисел (z + 1, x, y) , может находиться в её правой части в виде (z + 1) n > x n + y n или находиться в её левой части в виде (z + 1) n < x n + y n .
В любом случае тройка целых положительных чисел (z + 1, x, y) при n > 2 , z + 1 > x , z + 1 > y в последовательности (16) представляет собой неравенство и не может представлять собой равенства, т. е. не может представлять собой решения уравнения большой теоремы Ферма.
Легко и просто понять происхождение последовательности степенных неравенств (16), в которой последнее неравенство левой стороны и первое неравенство правой стороны являются неравенствами противоположного смысла. Наоборот, нелегко и непросто школьникам, старшекласснику и старшекласснице, понять, каким образом из последовательности неравенств (16) образуется последовательность неравенств (17), в которой все неравенства одинакового смысла.
В последовательности (16) увеличение целой степени неравенств на 1 единицу обращает последнее неравенство левой стороны в первое неравенство противоположного смысла правой стороны. Таким образом, количество неравенств девой стороны последовательности уменьшается, а количество неравенств правой стороны увеличивается. Между последним и первым степенными неравенствами противоположного смысла в обязательном порядке находится степенное равенство. Его степень не может быть целым числом, так как между двумя последовательными натуральными числами находятся только нецелые числа. Степенное равенство нецелой степени, по условию теоремы, не может считаться решением уравнения (1).
Если в последовательности (16) продолжать увеличение степени на 1 единицу, то последнее неравенство её левой стороны обратится в первое неравенство противоположного смысла правой стороны. В результате не останется ни одного неравенства левой стороны и останутся только неравенства правой стороны, которые представят собой последовательность усиливающихся степенных неравенств (17). Дальнейшее увеличение их целой степени на 1 единицу лишь усиливает её степенные неравенства и категорически исключает возможность появления равенства в целой степени.
Следовательно, вообще, никакую целую степень натурального числа (z+1) последовательности степенных неравенств (17) невозможно разложить на две целых степени с тем же показателем. Поэтому уравнение (1) не имеет решений на бесконечном множестве натуральных чисел, что и требовалось доказать.
Следовательно, большая теорема Ферма доказана во всей всеобщности:
- в разделе А) для всех троек (z, x, y) пифагоровых чисел (открытое Ферма поистине чудесное доказательство),
- в разделе В) для всех членов семейства любой тройки (z, x, y) пифагоровых чисел,
- в разделе С) для всех троек чисел (z, x, y) , не больших числа z
- в разделе D) для всех троек чисел (z, x, y) натурального ряда чисел.
|
Изменения внесены 05.09.2010 г. |
Какие теоремы можно и какие нельзя доказать от противного
В толковом словаре математических терминов дано определение доказательству от противного теоремы, противоположной обратной теореме.
«Доказательство от противного – метод доказательства теоремы (предложения), состоящий в том, что доказывают не саму теорему, а ей равносильную (эквивалентную), противоположную обратной (обратную противоположной) теорему. Доказательство от противного используют всякий раз, когда прямую теорему доказать трудно, а противоположную обратной легче. При доказательстве от противного заключение теоремы заменяется её отрицанием, и путём рассуждения приходят к отрицанию условия, т.е. к противоречию, к противному (противоположному тому, что дано; это приведение к абсурду и доказывает теорему».
Доказательство от противного очень часто применяется в математике. Доказательство от противного основано на законе исключённого третьего, заключающегося в том, что из двух высказываний (утверждений) А и А (отрицание А) одно из них истинно, а другое ложно». /Толковый словарь математических терминов: Пособие для учителей/О. В. Мантуров [и др.]; под ред. В. А. Диткина.- М.: Просвещение, 1965.- 539 с.: ил.-C.112/.
Не лучше было бы открыто заявить о том, что метод доказательства от противного не является математическим методом, хотя и используется в математике, что он является логическим методом и принадлежит логике. Допустимо ли утверждать, что доказательство от противного «используют всякий раз, когда прямую теорему доказать трудно», когда на самом деле его используют тогда, и только тогда, когда ему нет замены.
Заслуживает особого внимания и характеристика отношения друг к другу прямой и обратной ей теорем. «Обратная теорема для данной теоремы (или к данной теореме) — теорема, в которой условием является заключение, а заключением – условие данной теоремы. Данная теорема по отношению к обратной теореме называется прямой теоремой (исходной). В то же время обратная теорема к обратной теореме будет данной теоремой; поэтому прямая и обратная теоремы называются взаимно обратными. Если прямая (данная) теорема верна, то обратная теорема не всегда верна. Например, если четырёхугольник – ромб, то его диагонали взаимно перпендикулярны (прямая теорема). Если в четырёхугольнике диагонали взаимно перпендикулярны, то четырёхугольник есть ромб – это неверно, т. е. обратная теорема неверна». /Толковый словарь математических терминов: Пособие для учителей/О. В. Мантуров [и др.]; под ред. В. А. Диткина.- М.: Просвещение, 1965.- 539 с.: ил.-C.261 /.
Данная характеристика отношения прямой и обратной теорем не учитывает того, что условие прямой теоремы принимается как данное, без доказательства, так что его правильность не имеет гарантии. Условие обратной теоремы не принимается как данное, так как оно является заключением доказанной прямой теоремы. Его правильность засвидетельствована доказательством прямой теоремы. Это существенное логическое различие условий прямой и обратной теорем оказывается решающим в вопросе какие теоремы можно и какие нельзя доказать логическим методом от противного.
Допустим, что на примете имеется прямая теорема, которую доказать обычным математическим методом можно, но трудно. Сформулируем её в общем виде в краткой форме так: из А следует Е . Символ А имеет значение данного условия теоремы, принятого без доказательства. Символ Е имеет значение заключения теоремы, которое требуется доказать.
Доказывать прямую теорему будем от противного, логическим методом. Логическим методом доказывается теорема, которая имеет не математическое условие, а логическое условие. Его можно получить, если математическое условие теоремы из А следует Е , дополнить прямо противоположным условием из А не следует Е .
В результате получилось логическое противоречивое условие новой теоремы, заключающее в себе две части: из А следует Е и из А не следует Е . Полученное условие новой теоремы соответствует логическому закону исключённого третьего и соответствует доказательству теоремы методом от противного.
Согласно закону, одна часть противоречивого условия является ложной, другая его часть является истинной, а третье – исключено. Доказательство от противного имеет совей задачей и целью установить, именно какая часть из двух частей условия теоремы является ложной. Как только будет определена ложная часть условия, так будет установлено, что другая часть является истинной частью, а третье — исключено.
Согласно толковому словарю математических терминов, «доказательство есть рассуждение, в ходе которого устанавливается истинность или ложность какого-либо утверждения (суждения, высказывания, теоремы)» . Доказательство от противного есть рассуждение, в ходе которого устанавливается ложность (абсурдность) заключения, вытекающего из ложного условия доказываемой теоремы.
Дано: из А следует Е и из А не следует Е .
Доказать: из А следует Е .
Доказательство : Логическое условие теоремы заключает в себе противоречие, которое требует своего разрешения. Противоречие условия должно найти своё разрешение в доказательстве и его результате. Результат оказывается ложным при безупречном и безошибочном рассуждении. Причиной ложного заключения при логически правильном рассуждении может быть только противоречивое условие: из А следует Е и из А не следует Е .
Нет и тени сомнения в том, что одна часть условия является ложной, а другая в этом случае является истинной. Обе части условия имеют одинаковое происхождение, приняты как данные, предположенные, одинаково возможные, одинаково допустимые и т. д. В ходе логического рассуждения не обнаружено ни одного логического признака, который отличал бы одну часть условия от другой. Поэтому в одной и той же мере может быть из А следует Е и может быть из А не следует Е . Утверждение из А следует Е может быть ложным , тогда утверждение из А не следует Е будет истинным. Утверждение из А не следует Е может быть ложным, тогда утверждение из А следует Е будет истинным.
Следовательно, прямую теорему методом от противного доказать невозможно.
Теперь эту же прямую теорему докажем обычным математическим методом.
Дано: А .
Доказать: из А следует Е .
Доказательство.
1. Из А следует Б
2. Из Б следует В (по ранее доказанной теореме)).
3. Из В следует Г (по ранее доказанной теореме).
4. Из Г следует Д (по ранее доказанной теореме).
5. Из Д следует Е (по ранее доказанной теореме).
На основании закона транзитивности, из А следует Е . Прямая теорема доказана обычным методом.
Пусть доказанная прямая теорема имеет правильную обратную теорему: из Е следует А .
Докажем её обычным математическим методом. Доказательство обратной теоремы можно выразить в символической форме в виде алгоритма математических операций.
Дано: Е
Доказать: из Е следует А .
Доказательство.
1. Из Е следует Д
2. Из Д следует Г (по ранее доказанной обратной теореме).
3. Из Г следует В (по ранее доказанной обратной теореме).
4. Из В не следует Б (обратная теорема неверна). Поэтому и из Б не следует А .
В данной ситуации продолжать математическое доказательство обратной теоремы не имеет смысла. Причина возникновения ситуации – логическая. Неверную обратную теорему ничем заменить невозможно. Следовательно, данную обратную теорему доказать обычным математическим методом невозможно. Вся надежда – на доказательство данной обратной теоремы методом от противного.
Чтобы её доказать методом от противного, требуется заменить её математическое условие логическим противоречивым условием, заключающим в себе по смыслу две части – ложную и истинную.
Обратная теорема утверждает: из Е не следует А . Её условие Е , из которое следует заключение А , является результатом доказательства прямой теоремы обычным математическим методом. Это условие необходимо сохранить и дополнить утверждением из Е следует А . В результате дополнения получается противоречивое условие новой обратной теоремы: из Е следует А и из Е не следует А . Исходя из этого логически противоречивого условия, обратную теорему можно доказать посредством правильного логического рассуждения только, и только, логическим методом от противного. В доказательстве от противного любые математические действия и операции подчинены логическим и поэтому в счёт не идут.
В первой части противоречивого утверждения из Е следует А условие Е было доказано доказательством прямой теоремы. Во второй его части из Е не следует А условие Е было предположено и принято без доказательства. Какое-то из них одно является ложным, а другое – истинным. Требуется доказать, какое из них является ложным.
Доказываем посредством правильного логического рассуждения и обнаруживаем, что его результатом является ложное, абсурдное заключение. Причиной ложного логического заключения является противоречивое логическое условие теоремы, заключающее в себе две части – ложную и истинную. Ложной частью может быть только утверждение из Е не следует А , в котором Е было принято без доказательства. Именно этим оно отличается от Е утверждения из Е следует А , которое доказано доказательством прямой теоремы.
Следовательно, истинным является утверждение: из Е следует А , что и требовалось доказать.
Вывод : логическим методом от противного доказывается только та обратная теорема, которая имеет доказанную математическим методом прямую теорему и которую математическим методом доказать невозможно.
Полученный вывод приобретает исключительное по важности значение в отношении к методу доказательства от противного великой теоремы Ферма. Подавляющее большинство попыток её доказать имеет в своей основе не обычный математический метод, а логический метод доказательства от противного. Доказательство большой теоремы Ферма Уайлса не является исключением.
Дмитрий Абраров в статье «Теорема Ферма: феномен доказательств Уайлса» опубликовал комментарий к доказательству большой теоремы Ферма Уайлсом. По Абрарову, Уайлс доказывает большую теорему Ферма с помощью замечательной находки немецкого математика Герхарда Фрея (р. 1944), связавшего потенциальное решение уравнения Ферма x n + y n = z n
, где n > 2
, с другим, совершенно непохожим на него, уравнением. Это новое уравнение задаётся специальной кривой (названной эллиптической кривой Фрея). Кривая Фрея задаётся уравнением совсем несложного вида:
.
«А именно Фрей сопоставил всякому решению (a, b, c) уравнение Ферма, то есть числам, удовлетворяющим соотношению a n + b n = c n , указанную выше кривую. В этом случае отсюда следовала бы великая теорема Ферма». (Цитата по: Абраров Д. «Теорема Ферма: феномен доказательств Уайлса»)
Другими словами, Герхард Фрей предположил, что уравнение большой теоремы Ферма x n + y n = z n
, где n > 2
, имеет решения в целых положительных числах. Этими же решения являются, по предположению Фрея, решениями его уравнения
y 2 + x (x — a n) (y + b n) = 0
, которое задаётся его эллиптической кривой.
Эндрю Уайлс принял эту замечательную находку Фрея и с её помощью посредством математического метода доказал, что этой находки, то есть эллиптической кривой Фрея, не существует. Поэтому не существует уравнения и его решений, которые задаются несуществующей эллиптической кривой, Поэтому Уайлсу следовало бы принять вывод о том, что не существует уравнения большой теоремы Ферма и самой теоремы Ферма. Однако им принимается более скромное заключение том, что уравнение большой теоремы Ферма не имеет решений в целых положительных числах.
Неопровержимым фактом может являться то, что Уайлсом принято предположение, прямо противоположное по смыслу тому, что утверждается большой теоремой Ферма. Оно обязывает Уайлса доказывать большую теорему Ферма методом от противного. Последуем и мы его примеру и посмотрим, что из этого примера получается.
В большой теореме Ферма утверждается, что уравнение, x n + y n = z n , где n > 2 , не имеет решений в целых положительных числах.
Согласно логическому методу доказательства от противного, это утверждение сохраняется, принимается как данное без доказательства, и затем дополняется противоположным по смыслу утверждением: уравнение x n + y n = z n , где n > 2 , имеет решения в целых положительных числах.
Предположенное утверждение так же принимается как данное, без доказательства. Оба утверждения, рассматриваемые с точки зрения основных законов логики, являются одинаково допустимыми, равноправными и одинаково возможными. Посредством правильного рассуждения требуется установить, именно какое из них является ложным, чтобы затем установить, что другое утверждение является истинным.
Правильное рассуждение завершается ложным, абсурдным заключением, логической причиной которого может быть только противоречивое условие доказываемой теоремы, заключающее в себе две части прямо противоположного смысла. Они и явились логической причиной абсурдного заключения, результата доказательства от противного.
Однако в ходе логически правильного рассуждения не было обнаружено ни одного признака, по которому можно было бы установить, какое именно утверждение является ложным. Им может быть утверждение: уравнение x n + y n = z n , где n > 2 , имеет решений в целых положительных числах. На этом же основании им может быть утверждение: уравнение x n + y n = z n , где n > 2 , не имеет решений в целых положительных числах.
В итоге рассуждения вывод может быть только один: большую теорему Ферма методом от противного доказать невозможно .
Было бы совсем другое дело, если бы большая теорема Ферма была обратной теоремой, которая имеет прямую теорему, доказанную обычным математическим методом. В этом случае её можно было доказать от противного. А так как она является прямой теоремой, то её доказательство должно иметь в своей основе не логический метод доказательства от противного, а обычный математический метод.
По словам Д. Абрарова, самый известный из современных российских математиков академик В. И. Арнольд на доказательство Уайлса отреагировал «активно скептически». Академик заявил: «это не настоящая математика – настоящая математика геометрична и сильна связями с физикой».(Цитата по: Абраров Д. «Теорема Ферма: феномен доказательств Уайлса». Заявление академика выражает самую сущность нематематического доказательства Уайлса большой теоремы Ферма.
Методом от противного невозможно доказать ни того, что уравнение большой теоремы Ферма не имеет решений, ни того, что оно имеет решения. Ошибка Уайлса не математическая, а логическая — использование доказательства от противного там, где его использование не имеет смысла и большой теоремы Ферма не доказывает.
Не доказывается большая теорема Ферма и с помощью обычного математического метода, если в ней дано: уравнение x n + y n = z n , где n > 2 , не имеет решений в целых положительных числах, и если в ней требуется доказать: уравнение x n + y n = z n , где n > 2 , не имеет решений в целых положительных числах. В такой форме имеется не теорема, а тавтология, лишённая смысла.
Примечание. Моё доказательство БТФ обсуждалось на одном из форумов. Один из участников Trotil, специалист в теории чисел, сделал следующее авторитетное заявление под названием: «Краткий пересказ того, что сделал Миргородский». Привожу его дословно:
«А. Он доказал, что если z 2 = x 2 + y , то z n > x n + y n . Это хорошо известный и вполне очевидный факт.
В. Он взял две тройки — пифагорову и не пифагорову и показал простым перебором, что для конкретного, определённого семейства троек (78 и 210 штук) БТФ выполняется (и только для него).
С. А затем автором опущен тот факт, что из < в последующей степени может оказаться = , а не только > . Простой контрпример — переход n = 1 в n = 2 в пифагоровой тройке.
D. Этот пункт ничего существенного в доказательство БТФ не вносит. Вывод: БТФ не доказана».
Рассмотрю его заключение по пунктам.
А. В нём доказана БТФ для всего бесконечного множества троек пифагоровых чисел. Доказана геометрическим методом, который, как я полагаю, мной не открыт, а переоткрыт. А открыт он был, как я полагаю, самим П. Ферма. Именно его мог иметь в виду Ферма, когда писал:
«Я открыл этому поистине чудесное доказательство, но эти поля для него слишком узки». Данное моё предположение основано на том, что в задаче Диофанта, против которой, на полях книги, писал Ферма, речь идёт о решениях диофантова уравнения, которыми являются тройки пифагоровых чисел.
Бесконечное множество троек пифагоровых чисел является решениями диофатова уравнения, а в теореме Ферма, наоборот, ни одно из решений не может быть решением уравнения теоремы Ферма. И к этому факту поистине чудесное доказательство Ферма имеет непосредственное отношение. Позже Ферма мог распространить свою теорему на множество всех натуральных чисел. На множестве всех натуральных чисел БТФ не относится к «множеству исключительно красивых теорем». Это — моё предположение, которое ни доказать, ни опровергнуть невозможно. Его можно и принимать и отвергать.
В. В данном пункте мной доказывается, что как семейство произвольно взятой пифагоровой тройки чисел, так и семейство произвольно взятой не пифагоровой тройки чисел БТФ выполняется, Это — необходимое, но недостаточное и промежуточное звено в моём доказательстве БТФ. Взятые мной примеры семейства тройки пифагоровых чисел и семейства тройки не пифагоровых чисел имеют значение конкретных примеров, предполагающих и не исключающих существование аналогичных других примеров.
Утверждение Trotil, что я «показал простым перебором, что для конкретного, определённого семейства троек (78 и 210 штук) БТФ выполняется (и только для него) лишено основания. Он не может опровергнуть того факта, что я с таким же успехом могу взять другие примеры пифагоровой и не пифагоровой тройки для получения конкретного определённого семейства одной и другой тройки.
Какую пару троек я ни взял бы, проверка их пригодности для решения задачи может быть осуществлена, на мой взгляд, только методом «простого перебора». Какой-то другой метод мне не известен и не требуется. Если он пришёлся не по вкусу Trotil, то ему следовало бы предложить другой метод, чего он не делает. Не предлагая ничего взамен, осуждать «простой перебор», который в данном случае незаменим, некорректно.
С. Мною опущено = между < и < на основании того, что в доказательстве БТФ рассматривается уравнение z 2 = x 2 + y (1), в котором степень n > 2 — целое положительное число. Из равенства, находящегося между неравенствами следует обязательное рассмотрение уравнения (1) при нецелом значении степени n > 2 . Trotil, считая обязательным рассмотрение равенства между неравенствами, фактически считает необходимым в доказательстве БТФ рассмотрение уравнения (1) при нецелом значении степени n > 2 . Я это сделал для себя и обнаружил, что уравнение (1) при нецелом значении степени n > 2 имеет решением тройку чисел: z, (z-1), (z-1) при нецелом показателе степени.
Вряд ли хоть один год в жизни нашей редакции проходил без того, чтобы она не получала добрый десяток доказательств теоремы Ферма. Теперь, после «победы» над ней, поток поутих, но не иссяк.
Конечно, не для того чтобы его высушить окончательно, публикуем мы эту статью. И не в своё оправдание - что, мол, вот почему мы отмалчивались, сами не доросли ещё до обсуждения столь сложных проблем.
Но если статья действительно покажется сложной, загляните сразу в её конец. Вы должны будете почувствовать, что страсти поутихли временно, наука не окончена, и вскорости новые доказательства новых теорем направятся в редакции.
Кажется, ХХ век прошёл не зря. Сначала люди создали на миг второе Солнце, взорвав водородную бомбу. Потом они прогуливались по Луне и, наконец, доказали пресловутую теорему Ферма. Из этих трёх чудес первые два у всех на слуху, ибо они вызвали огромные социальные последствия. Напротив, третье чудо выглядит очередной учёной игрушкой - в одном ряду с теорией относительности, квантовой механикой и теоремой Гёделя о неполноте арифметики. Впрочем, относительность и кванты привели физиков к водородной бомбе, а изыскания математиков наполнили наш мир компьютерами. Продолжится ли этот ряд чудес в XXI веке? Можно ли проследить связь между очередными учёными игрушками и революциями в нашем быту? Позволяет ли эта связь делать успешные предсказания? Попробуем понять это на примере теоремы Ферма.
Заметим для начала, что она родилась гораздо позже своего естественного срока. Ведь первый частный случай теоремы Ферма - это уравнение Пифагора X 2 + Y 2 = Z 2 , связывающее длины сторон прямоугольного треугольника. Доказав эту формулу двадцать пять веков назад, Пифагор сразу задался вопросом: много ли в природе таких треугольников, у которых оба катета и гипотенуза имеют целую длину? Кажется, египтяне знали лишь один такой треугольник - со сторонами (3, 4, 5) . Но нетрудно найти и другие варианты: например (5, 12, 13) , (7, 24, 25) или (8, 15, 17) . Во всех этих случаях длина гипотенузы имеет вид (А 2 + В 2) , где А и В - взаимно простые числа разной чётности. При этом длины катетов равны (А 2 - В 2) и 2АВ.
Заметив эти соотношения, Пифагор без труда доказал, что любая тройка чисел (X = A 2 - B 2 , Y = 2AB , Z = A 2 + B 2) является решением уравнения X 2 + Y 2 = Z 2 и задаёт прямоугольник со взаимно простыми длинами сторон. Видно также, что число разных троек такого сорта бесконечно. Но все ли решения уравнения Пифагора имеют такой вид? Ни доказать, ни опровергнуть такую гипотезу Пифагор не смог и оставил эту проблему потомкам, не заостряя на ней внимание. Кому охота подчёркивать свои неудачи? Похоже, что после этого проблема целочисленных прямоугольных треугольников лежала в забвении семь столетий - до тех пор, пока в Александрии не появился новый математический гений по имени Диофант.
Мы мало знаем о нём, но ясно: он был совсем не похож на Пифагора. Тот чувствовал себя царём в геометрии и даже за её пределами - будь то в музыке, астрономии или политике. Первая арифметическая связь между длинами сторон благозвучной арфы, первая модель Вселенной из концентрических сфер, несущих планеты и звёзды, с Землёю в центре, наконец, первая республика учёных в италийском городе Кротоне - таковы личные достижения Пифагора. Что мог противопоставить таким успехам Диофант - скромный научный сотрудник великого Музея, давно переставшего быть гордостью городской толпы?
Только одно: лучшее понимание древнего мира чисел, законы которого едва успели ощутить Пифагор, Евклид и Архимед. Заметим, что Диофант ещё не владел позиционной системой записи больших чисел, но он знал, что такое отрицательные числа и, наверное, провёл немало часов, размышляя о том, почему произведение двух отрицательных чисел положительно. Мир целых чисел впервые открылся Диофанту как особая вселенная, отличная от мира звёзд, отрезков или многогранников. Главное занятие учёных в этом мире - решение уравнений, настоящий мастер находит все возможные решения и доказывает, что других решений нет. Так поступил Диофант с квадратным уравнением Пифагора, а потом задумался: имеет ли хоть одно решение сходное кубическое уравнение X 3 + Y 3 = Z 3 ?
Найти такое решение Диофанту не удалось, его попытка доказать, что решений нет, тоже не увенчалась успехом. Поэтому, оформляя итоги своих трудов в книге «Арифметика» (это был первый в мире учебник теории чисел), Диофант подробно разобрал уравнение Пифагора, но ни словом не заикнулся о возможных обобщениях этого уравнения. А мог бы: ведь именно Диофант впервые предложил обозначения для степеней целых чисел! Но увы: понятие «задачник» было чуждо эллинской науке и педагогике, а публиковать перечни нерешённых задач считалось неприличным занятием (только Сократ поступал иначе). Не можешь решить проблему - молчи! Диофант умолк, и это молчание затянулось на четырнадцать веков - вплоть до наступления Нового времени, когда возродился интерес к процессу человеческого мышления.
Кто только и о чём не фантазировал на рубеже XVI - XVII веков! Неутомимый вычислитель Кеплер пытался угадать связь между расстояниями от Солнца до планет. Пифагору это не удалось. Кеплер добился успеха после того, как научился интегрировать многочлены и другие несложные функции. Напротив, фантазёр Декарт не любил длинных расчётов, но именно он первый представил все точки плоскости или пространства, как наборы чисел. Эта дерзкая модель сводит любую геометрическую задачу о фигурах к некой алгебраической задаче об уравнениях - и наоборот. Например, целые решения уравнения Пифагора соответствуют целым точкам на поверхности конуса. Поверхность, соответствующая кубическому уравнению X 3 + Y 3 = Z 3 , выглядит сложнее, её геометрические свойства ничего не подсказали Пьеру Ферма, и тому пришлось прокладывать новые пути сквозь дебри целых чисел.
В 1636 году в руки молодого юриста из Тулузы попала книга Диофанта, только что переведённая на латынь с греческого оригинала, случайно уцелевшего в каком-то византийском архиве и привезённого в Италию кем-то из беглецов-ромеев в пору турецкого разорения. Читая изящное рассуждение об уравнении Пифагора, Ферма задумался: можно ли найти такое его решение, которое состоит из трёх чисел-квадратов? Малых чисел такого сорта нет: это легко проверить перебором. А как насчёт больших решений? Не имея компьютера, Ферма не мог поставить численный эксперимент. Но он заметил, что по каждому «большому» решению уравнения X 4 + Y 4 = Z 4 можно построить меньшее его решение. Значит, сумма четвёртых степеней двух целых чисел никогда не равна той же степени третьего числа! А как насчёт суммы двух кубов?
Вдохновлённый успехом для степени 4, Ферма попытался модифицировать «метод спуска» для степени 3 - и это ему удалось. Оказалось, что невозможно составить два малых куба из тех единичных кубиков, на которые рассыпался большой куб с целой длиной ребра. Торжествующий Ферма сделал краткую запись на полях книги Диофанта и послал в Париж письмо с подробным сообщением о своём открытии. Но ответа он не получил - хотя обычно столичные математики быстро реагировали на очередной успех их одинокого коллеги-соперника в Тулузе. В чём тут дело?
Очень просто: к середине XVII века арифметика вышла из моды. Большие успехи итальянских алгебраистов XVI века (когда были решены уравнения-многочлены степеней 3 и 4) не стали началом общенаучной революции, ибо они не позволили решить новые яркие задачи в сопредельных областях науки. Вот если бы Кеплеру удалось угадать орбиты планет с помощью чистой арифметики… Но увы - для этого потребовался математический анализ. Значит, его и надо развивать - вплоть до полного торжества математических методов в естествознании! Но анализ вырастает из геометрии, арифметика же остаётся полем забав для досужих юристов и прочих любителей вечной науки о числах и фигурах.
Итак, арифметические успехи Ферма оказались несвоевременны и остались неоценёнными. Он не был этим огорчён: для славы математика довольно впервые открывшихся ему фактов дифференциального исчисления, аналитической геометрии и теории вероятностей. Все эти открытия Ферма сразу вошли в золотой фонд новой европейской науки, меж тем как теория чисел отошла на задний план ещё на сто лет - пока её не возродил Эйлер.
Этот «король математиков» XVIII века был чемпионом во всех применениях анализа, но не пренебрегал и арифметикой, поскольку новые методы анализа приводили к неожиданным фактам о числах. Кто бы мог подумать, что бесконечная сумма обратных квадратов (1 + 1/4 + 1/9 + 1/16+…) равна π 2 /6? Кто из эллинов мог предвидеть, что похожие ряды позволят доказать иррациональность числа π?
Такие успехи заставили Эйлера внимательно перечитать сохранившиеся рукописи Ферма (благо, сын великого француза успел их издать). Правда, доказательство «большой теоремы» для степени 3 не сохранилось, но Эйлер легко восстановил его по одному лишь указанию на «метод спуска», и сразу постарался перенести этот метод на следующую простую степень - 5.
Не тут-то было! В рассуждениях Эйлера появились комплексные числа, которые Ферма ухитрился не заметить (таков обычный удел первооткрывателей). Но разложение целых комплексных чисел на множители - дело тонкое. Даже Эйлер не разобрался в нём до конца и отложил «проблему Ферма» в сторону, торопясь завершить свой главный труд - учебник «Основы анализа», который должен был помочь каждому талантливому юноше встать вровень с Лейбницем и Эйлером. Издание учебника завершилось в Петербурге в 1770 году. Но к теореме Ферма Эйлер уже не возвращался, будучи уверен: всё, чего коснулись его руки и разум, не будет забыто новой учёной молодёжью.
Так и вышло: преемником Эйлера в теории чисел стал француз Адриен Лежандр. В конце XVIII века он завершил доказательство теоремы Ферма для степени 5 - и хотя потерпел неудачу для больших простых степеней, но составил очередной учебник теории чисел. Пусть его юные читатели превзойдут автора так же, как читатели «Математических принципов натурфилософии» превзошли великого Ньютона! Лежандр был не чета Ньютону или Эйлеру, но среди его читателей оказались два гения: Карл Гаусс и Эварист Галуа.
Столь высокой кучности гениев способствовала Французская революция, провозгласившая государственный культ Разума. После этого каждый талантливый учёный ощутил себя Колумбом или Александром Македонским, способным открыть или покорить новый мир. Многим это удавалось, оттого в XIX веке научно-технический прогресс сделался главным движителем эволюции человечества, и все разумные правители (начиная с Наполеона) сознавали это.
Гаусс по характеру был близок к Колумбу. Но он (как и Ньютон) не умел пленять воображение правителей или студентов красивыми речами, и потому ограничил свои амбиции сферой научных понятий. Здесь он мог всё, чего хотел. Например, древняя задача о трисекции угла почему-то не решается с помощью циркуля и линейки. С помощью комплексных чисел, изображающих точки плоскости, Гаусс переводит эту задачу на язык алгебры - и получает общую теорию выполнимости тех или иных геометрических построений. Так одновременно появились строгое доказательство невозможности построения циркулем и линейкой правильного 7- или 9-угольника и такой способ построения правильного 17-угольника, о котором не мечтали самые мудрые геометры Эллады.
Конечно, такой успех не даётся даром: приходится изобретать новые понятия, отражающие суть дела. Ньютон ввёл три таких понятия: флюксию (производную), флюенту (интеграл) и степенной ряд. Их хватило для создания математического анализа и первой научной модели физического мира, включающей механику и астрономию. Гаусс тоже ввёл три новых понятия: векторное пространство, поле и кольцо. Из них выросла новая алгебра, подчинившая себе греческую арифметику и созданную Ньютоном теорию числовых функций. Оставалось ещё подчинить алгебре логику, созданную Аристотелем: тогда можно будет с помощью расчётов доказывать выводимость или невыводимость любых научных утверждений из данного набора аксиом! Например, выводится ли теорема Ферма из аксиом арифметики, или постулат Евклида о параллельных прямых - из прочих аксиом планиметрии?
Эту дерзкую мечту Гаусс не успел осуществить - хотя продвинулся он далеко и угадал возможность существования экзотических (некоммутативных) алгебр. Построить первую неевклидову геометрию сумел только дерзкий россиянин Николай Лобачевский, а первую некоммутативную алгебру (Теорию Групп) - француз Эварист Галуа. И лишь много позже смерти Гаусса - в 1872 году - юный немец Феликс Кляйн догадался, что разнообразие возможных геометрий можно привести во взаимно-однозначное соответствие с разнообразием возможных алгебр. Попросту говоря, всякая геометрия определяется своей группой симметрий - тогда как общая алгебра изучает все возможные группы и их свойства.
Но такое понимание геометрии и алгебры пришло гораздо позже, а штурм теоремы Ферма возобновился ещё при жизни Гаусса. Сам он пренебрёг теоремой Ферма из принципа: не царское это дело - решать отдельные задачи, которые не вписываются в яркую научную теорию! Но ученики Гаусса, вооружённые его новой алгеброй и классическим анализом Ньютона и Эйлера, рассуждали иначе. Сначала Петер Дирихле доказал теорему Ферма для степени 7, используя кольцо целых комплексных чисел, порождённых корнями этой степени из единицы. Потом Эрнст Куммер распространил метод Дирихле на ВСЕ простые степени (!) - так ему сгоряча показалось, и он восторжествовал. Но вскоре пришло отрезвление: доказательство проходит безупречно, только если всякий элемент кольца однозначно разлагается на простые множители! Для обычных целых чисел этот факт был известен ещё Евклиду, но только Гаусс дал его строгое доказательство. А как обстоит дело с целыми комплексными числами?
Согласно «принципу наибольшей пакости», там может и ДОЛЖНО встретиться неоднозначное разложение на множители! Как только Куммер научился вычислять степень неоднозначности методами математического анализа, он обнаружил эту пакость в кольце для степени 23. Гаусс не успел узнать о таком варианте экзотической коммутативной алгебры, но ученики Гаусса вырастили на месте очередной пакости новую красивую Теорию Идеалов. Правда, решению проблемы Ферма это не особенно помогло: только стала яснее её природная сложность.
На протяжении XIX века этот древний идол требовал от своих почитателей всё новых жертв в форме новых сложных теорий. Не удивительно, что к началу ХХ века верующие пришли в уныние и взбунтовались, отвергая былой кумир. Слово «ферматист» стало бранным прозвищем среди профессиональных математиков. И хотя за полное доказательство теоремы Ферма была назначена немалая премия, но её соискателями выступали в основном самоуверенные невежды. Сильнейшие математики той поры - Пуанкаре и Гильберт - демонстративно сторонились этой темы.
В 1900 году Гильберт не включил теорему Ферма в перечень двадцати трёх важнейших проблем, стоящих перед математикой ХХ века. Правда, он включил в их ряд общую проблему разрешимости диофантовых уравнений. Намёк был ясен: следуйте примеру Гаусса и Галуа, создавайте общие теории новых математических объектов! Тогда в один прекрасный (но не предсказуемый заранее) день старая заноза выпадет сама собой.
Именно так действовал великий романтик Анри Пуанкаре. Пренебрегая многими «вечными» проблемами, он всю жизнь изучал СИММЕТРИИ тех или иных объектов математики или физики: то функций комплексного переменного, то траекторий движения небесных тел, то алгебраических кривых или гладких многообразий (это многомерные обобщения кривых линий). Мотив его действий был прост: если два разных объекта обладают сходными симметриями - значит, между ними возможно внутреннее родство, которое мы пока не в силах постичь! Например, каждая из двумерных геометрий (Евклида, Лобачевского или Римана) имеет свою группу симметрий, которая действует на плоскости. Но точки плоскости суть комплексные числа: таким путём действие любой геометрической группы переносится в безбрежный мир комплексных функций. Можно и нужно изучать самые симметричные из этих функций: АВТОМОРФНЫЕ (которые подвластны группе Евклида) и МОДУЛЯРНЫЕ (которые подчиняются группе Лобачевского)!
А ещё на плоскости есть эллиптические кривые. Они никак не связаны с эллипсом, но задаются уравнениями вида Y 2 = AX 3 + BX 2 + CX и потому пересекаются с любой прямой в трёх точках. Этот факт позволяет ввести среди точек эллиптической кривой умножение - превратить её в группу. Алгебраическое устройство этой группы отражает геометрические свойства кривой, может быть, она однозначно определена своей группой? Этот вопрос стоит изучить, поскольку для некоторых кривых интересующая нас группа оказывается модулярной, то есть она связана с геометрией Лобачевского…
Так рассуждал Пуанкаре, соблазняя математическую молодёжь Европы, но в начале ХХ века эти соблазны не привели к ярким теоремам или гипотезам. Иначе получилось с призывом Гильберта: изучать общие решения диофантовых уравнений с целыми коэффициентами! В 1922 году молодой американец Льюис Морделл связал множество решений такого уравнения (это - векторное пространство определённой размерности) с геометрическим родом той комплексной кривой, которая задаётся этим уравнением. Морделл пришёл к выводу, что если степень уравнения достаточно велика (больше двух), то размерность пространства решений выражается через род кривой, и потому эта размерность КОНЕЧНА. Напротив - в степени 2 уравнение Пифагора имеет БЕСКОНЕЧНОМЕРНОЕ семейство решений!
Конечно, Морделл видел связь своей гипотезы с теоремой Ферма. Если станет известно, что для каждой степени n > 2 пространство целых решений уравнения Ферма конечномерно, это поможет доказать, что таких решений вовсе нет! Но никаких путей к доказательству своей гипотезы Морделл не видел - и хотя он прожил долгую жизнь, но не дождался превращения этой гипотезы в теорему Фальтингса. Это случилось в 1983 году - в совсем иную эпоху, после великих успехов алгебраической топологии многообразий.
Пуанкаре создал эту науку как бы нечаянно: ему захотелось узнать, какие бывают трёхмерные многообразия. Ведь разобрался же Риман в строении всех замкнутых поверхностей и получил очень простой ответ! Если в трёхмерном или многомерном случае такого ответа нет - нужно придумать систему алгебраических инвариантов многообразия, определяющую его геометрическое строение. Лучше всего, если такие инварианты будут элементами каких-нибудь групп - коммутативных или некоммутативных.
Как ни странно, этот дерзкий план Пуанкаре удался: он был выполнен с 1950 по 1970 год благодаря усилиям очень многих геометров и алгебраистов. До 1950 года шло тихое накопление разных методов классификации многообразий, а после этой даты как будто накопилась критическая масса людей и идей и грянул взрыв, сравнимый с изобретением математического анализа в XVII веке. Но аналитическая революция растянулась на полтора столетия, охватив творческие биографии четырёх поколений математиков - от Ньютона и Лейбница до Фурье и Коши. Напротив, топологическая революция ХХ века уложилась в двадцать лет - благодаря большому числу её участников. При этом сложилось многочисленное поколение самоуверенных молодых математиков, вдруг оставшихся без работы на исторической родине.
В семидесятые годы они устремились в сопредельные области математики и теоретической физики. Многие создали свои научные школы в десятках университетов Европы и Америки. Между этими центрами поныне циркулирует множество учеников разного возраста и национальности, с разными способностями и склонностями, и каждый хочет прославиться каким-нибудь открытием. Именно в этом столпотворении были, наконец, доказаны гипотеза Морделла и теорема Ферма.
Однако первая ласточка, не ведая о своей судьбе, выросла в Японии в голодные и безработные послевоенные годы. Звали ласточку Ютака Танияма. В 1955 году этому герою исполнилось 28 лет, и он решил (вместе с друзьями Горо Шимура и Такаудзи Тамагава) возродить в Японии математические исследования. С чего начать? Конечно, с преодоления изоляции от зарубежных коллег! Так в 1955 году три молодых японца устроили в Токио первую международную конференцию по алгебре и теории чисел. Сделать это в перевоспитанной американцами Японии было, видимо, легче, чем в замороженной Сталиным России…
Среди почётных гостей были два богатыря из Франции: Андре Вейль и Жан-Пьер Серр. Тут японцам крупно повезло: Вейль был признанным главой французских алгебраистов и членом группы Бурбаки, а молодой Серр играл сходную роль среди топологов. В жарких дискуссиях с ними головы японской молодёжи трещали, мозги плавились, но в итоге кристаллизовались такие идеи и планы, которые вряд ли могли родиться в иной обстановке.
Однажды Танияма пристал к Вейлю с неким вопросом насчёт эллиптических кривых и модулярных функций. Сначала француз ничего не понял: Танияма был не мастер изъясняться по-английски. Потом суть дела прояснилась, но придать своим надеждам точную формулировку Танияма так и не сумел. Всё, что Вейль мог ответить молодому японцу, - это что если ему очень повезёт по части вдохновения, то из его невнятных гипотез вырастет что-то дельное. Но пока надежда на это слаба!
Очевидно, Вейль не заметил небесного огня во взоре Танияма. А огонь-то был: похоже, что на миг в японца вселилась неукротимая мысль покойного Пуанкаре! Танияма пришёл к убеждению, что каждая эллиптическая кривая порождается модулярными функциями - точнее, она «униформизуется модулярной формой». Увы, эта точная формулировка родилась много позже - в разговорах Танияма с его другом Шимура. А потом Танияма покончил с собой в приступе депрессии… Его гипотеза осталась без хозяина: непонятно было, как её доказать или где её проверить, и оттого её долгое время никто не принимал всерьёз. Первый отклик пришёл лишь через тридцать лет - почти как в эпоху Ферма!
Лёд тронулся в 1983 году, когда двадцатисемилетний немец Герд Фальтингс объявил всему миру: гипотеза Морделла доказана! Математики насторожились, но Фальтингс был истинный немец: в его длинном и сложном доказательстве не нашлось пробелов. Просто пришло время, накопились факты и понятия - и вот один талантливый алгебраист, опираясь на результаты десяти других алгебраистов, сумел решить проблему, которая шестьдесят лет простояла в ожидании хозяина. В математике ХХ века это не редкость. Стоит вспомнить вековую континуум-проблему в теории множеств, две гипотезы Бернсайда в теории групп или гипотезу Пуанкаре в топологии. Наконец и в теории чисел пришла пора собирать урожай давних посевов… Какая вершина станет следующей в ряду покорённых математиками? Неужели рухнут проблема Эйлера, гипотеза Римана или теорема Ферма? Хорошо бы!
И вот через два года после откровения Фальтингса в Германии объявился ещё один вдохновенный математик. Звали его Герхард Фрей, и утверждал он нечто странное: будто теорема Ферма ВЫВОДИТСЯ из гипотезы Танияма! К сожалению, стилем изложения своих мыслей Фрей больше напоминал невезучего Танияма, чем своего чёткого соотечественника Фальтингса. В Германии Фрея никто не понял, и он поехал за океан - в славный городок Принстон, где после Эйнштейна привыкли и не к таким визитёрам. Недаром там свил своё гнездо Барри Мазур - разносторонний тополог, один из героев недавнего штурма гладких многообразий. И вырос рядом с Мазуром ученик - Кен Рибет, равно искушённый в тонкостях топологии и алгебры, но ещё ничем себя не прославивший.
Впервые услыхав речи Фрея, Рибет решил, что это чушь и околонаучная фантастика (вероятно, так же реагировал Вейль на откровения Танияма). Но забыть эту «фантастику» Рибет не смог и временами возвращался к ней мысленно. Через полгода Рибет поверил, что в фантазиях Фрея есть нечто дельное, а через год он решил, что сам почти умеет доказать странную гипотезу Фрея. Но оставались некоторые «дырки», и Рибет решил исповедаться своему шефу Мазуру. Тот внимательно выслушал ученика и спокойно ответил: «Да у тебя же всё сделано! Вот здесь нужно применить преобразование Ф, тут - воспользоваться леммами В и К, и всё примет безупречный вид!» Так Рибет совершил прыжок из безвестности в бессмертие, использовав катапульту в лице Фрея и Мазура. По справедливости, всем им - вместе с покойным Танияма - следовало бы считаться доказателями великой теоремы Ферма.
Да вот беда: они выводили своё утверждение из гипотезы Танияма, которая сама не доказана! А вдруг она неверна? Математики давно знают, что «из лжи следует всё, что угодно», если догадка Танияма ошибочна, то грош цена безупречным рассуждениям Рибета! Нужно срочно доказывать (или опровергать) гипотезу Танияма - иначе кто-нибудь вроде Фальтингса докажет теорему Ферма иным путём. Он и выйдет в герои!
Вряд ли мы когда-нибудь узнаем, сколько юных или матёрых алгебраистов накинулось на теорему Ферма после успеха Фальтингса или после победы Рибета в 1986 году. Все они старались работать в тайне, чтобы в случае неудачи не быть причисленными к сообществу «чайников»-ферматистов. Известно, что самый удачливый из всех - Эндрю Уайлз из Кембриджа - ощутил вкус победы только в начале 1993 года. Это не столько обрадовало, сколько напугало Уайлза: что если в его доказательстве гипотезы Танияма обнаружится ошибка или пробел? Тогда погибла его научная репутация! Надо же аккуратно записать доказательство (но это будут многие десятки страниц!) и отложить его на полгода-год, чтобы потом перечитать хладнокровно и придирчиво… Но если за это время кто-нибудь опубликует своё доказательство? Ох, беда…
Всё же Уайлз придумал двойной способ быстрой проверки своего доказательства. Во-первых, нужно довериться одному из надёжных друзей-коллег и рассказать ему весь ход рассуждений. Со стороны все ошибки видней! Во-вторых, надо прочитать спецкурс на эту тему смышлёным студентам и аспирантам: уж эти умники не пропустят ни одной ошибки лектора! Только надо не сообщать им конечную цель курса до последнего момента - иначе об этом узнает весь мир! И конечно, искать такую аудиторию надо подальше от Кембриджа - лучше даже не в Англии, а в Америке… Что может быть лучше далёкого Принстона?
Туда и направился Уайлз весной 1993 года. Его терпеливый друг Никлас Кац, выслушав долгий доклад Уайлза, обнаружил в нём ряд пробелов, но все они оказались легко исправимы. Зато принстонские аспиранты вскоре разбежались со спецкурса Уайлза, не желая следовать за прихотливой мыслью лектора, который ведёт их неведомо куда. После такой (не особенно глубокой) проверки своей работы Уайлз решил, что пора явить великое чудо свету.
В июне 1993 года в Кембридже проходила очередная конференция, посвящённая «теории Ивасава» - популярному разделу теории чисел. Уайлз решил рассказать на ней своё доказательство гипотезы Танияма, не объявляя главный результат до самого конца. Доклад шёл долго, но успешно, постепенно начали стекаться журналисты, которые что-то почуяли. Наконец, грянул гром: теорема Ферма доказана! Общее ликование не было омрачено какими-либо сомнениями: кажется, всё чисто… Но через два месяца Кац, прочтя окончательный текст Уайлза, заметил в нём ещё одну брешь. Некий переход в рассуждениях опирался на «систему Эйлера» - но то, что построил Уайлз, такой системой не являлось!
Уайлз проверил узкое место и понял, что тут он ошибся. Хуже того: непонятно, чем заменить ошибочное рассуждение! После этого в жизни Уайлза наступили самые мрачные месяцы. Прежде он вольно синтезировал небывалое доказательство из подручного материала. Теперь он привязан к узкой и чёткой задаче - без уверенности, что она имеет решение и что он сумеет его найти в обозримый срок. Недавно Фрей не устоял в такой же борьбе - и вот его имя заслонилось именем удачливого Рибета, хотя догадка Фрея оказалась верна. А что будет с МОЕЙ догадкой и с МОИМ именем?
Эта каторжная работа тянулась ровно год. В сентябре 1994 года Уайлз был готов признать своё поражение и оставить гипотезу Танияма более удачливым преемникам. Приняв такое решение, он начал медленно перечитывать своё доказательство - с начала до конца, вслушиваясь в ритм рассуждений, вновь переживая удовольствие от удачных находок. Дойдя до «проклятого» места, Уайлз, однако, не услышал мысленно фальшивой ноты. Неужели ход его рассуждений был всё-таки безупречен, а ошибка возникла лишь при СЛОВЕСНОМ описании мысленного образа? Если тут нет «системы Эйлера», то что тут скрыто?
Неожиданно пришла простая мысль: «система Эйлера» не работает там, где применима теория Ивасава. Почему бы не применить эту теорию напрямую - благо, самому Уайлзу она близка и привычна? И почему он не испробовал этот подход с самого начала, а увлёкся чужим видением проблемы? Вспомнить эти детали Уайлз уже не мог - да и ни к чему это стало. Он провёл необходимое рассуждение в рамках теории Ивасава, и всё получилось за полчаса! Так - с опозданием в один год - была закрыта последняя брешь в доказательстве гипотезы Танияма. Итоговый текст был отдан на растерзание группе рецензентов известнейшего математического журнала, годом позже они заявили, что теперь ошибок нет. Таким образом, в 1995 году последняя гипотеза Ферма скончалась на трёхсотшестидесятом году своей жизни, превратившись в доказанную теорему, которая неизбежно войдёт в учебники теории чисел.
Подводя итог трёхвековой возне вокруг теоремы Ферма, приходится сделать странный вывод: этой геройской эпопеи могло и не быть! Действительно, теорема Пифагора выражает простую и важную связь между наглядными природным объектами - длинами отрезков. Но нельзя сказать то же самое о теореме Ферма. Она выглядит скорее как культурная надстройка на научном субстрате - вроде достижения Северного полюса Земли или полёта на Луну. Вспомним, что оба эти подвига были воспеты литераторами задолго до их свершения - ещё в античную эпоху, после появления «Начал» Евклида, но до появления «Арифметики» Диофанта. Значит, тогда возникла общественная потребность в интеллектуальных подвигах этого сорта - хотя бы воображаемых! Прежде эллинам хватало поэм Гомера, как за сто лет до Ферма французам хватало религиозных увлечений. Но вот религиозные страсти схлынули - и рядом с ними встала наука.
В России такие процессы начались полтораста лет назад, когда Тургенев поставил Евгения Базарова в один ряд с Евгением Онегиным. Правда, литератор Тургенев плохо понимал мотивы действий учёного Базарова и не решился их воспеть, но это вскоре сделали учёный Иван Сеченов и просвещённый журналист Жюль Верн. Стихийная научно-техническая революция нуждается в культурной оболочке, чтобы проникнуть в умы большинства людей, и вот появляется сперва научная фантастика, а за нею научно-популярная литература (включая журнал «Знание - сила»).
При этом конкретная научная тема совсем не важна для широкой публики и не очень важна даже для героев-исполнителей. Так, услыхав о достижении Северного полюса Пири и Куком, Амундсен мгновенно изменил цель своей уже подготовленной экспедиции - и вскоре достиг Южного полюса, опередив Скотта на один месяц. Позднее успешный полёт Юрия Гагарина вокруг Земли вынудил президента Кеннеди сменить прежнюю цель американской космической программы на более дорогую, но гораздо более впечатляющую: высадку людей на Луне.
Ещё раньше проницательный Гильберт на наивный вопрос студентов: «Решение какой научной задачи было бы сейчас наиболее полезно»? - ответил шуткой: «Поймать муху на обратной стороне Луны!» На недоумённый вопрос: «А зачем это нужно?» - последовал чёткий ответ: «ЭТО никому не нужно! Но подумайте о тех научных методах и технических средствах, которые нам придётся развить для решения такой проблемы - и какое множество иных красивых задач мы решим попутно!»
Именно так получилось с теоремой Ферма. Эйлер вполне мог её не заметить.
В таком случае кумиром математиков стала бы какая-нибудь другая задача - возможно, также из теории чисел. Например, проблема Эратосфена: конечно или бесконечно множество простых чисел-близнецов (таких, как 11 и 13, 17 и 19 и так далее)? Или проблема Эйлера: всякое ли чётное число является суммой двух простых чисел? Или: есть ли алгебраическое соотношение между числами π и e? Эти три проблемы до сих пор не решены, хотя в ХХ веке математики заметно приблизились к пониманию их сути. Но этот век породил и много новых, не менее интересных задач, особенно на стыках математики с физикой и другими ветвями естествознания.
Ещё в 1900 году Гильберт выделил одну из них: создать полную систему аксиом математической физики! Сто лет спустя эта проблема далека от решения - хотя бы потому, что арсенал математических средств физики неуклонно растёт, и не все они имеют строгое обоснование. Но после 1970 года теоретическая физика разделилась на две ветви. Одна (классическая) со времён Ньютона занимается моделированием и прогнозированием УСТОЙЧИВЫХ процессов, другая (новорождённая) пытается формализовать взаимодействие НЕУСТОЙЧИВЫХ процессов и пути управления ими. Ясно, что эти две ветви физики надо аксиоматизировать порознь.
С первой из них, вероятно, удастся справиться лет за двадцать или пятьдесят…
А чего не хватает второй ветви физики - той, которая ведает всяческой эволюцией (включая диковинные фракталы и странные аттракторы, экологию биоценозов и теорию пассионарности Гумилёва)? Это мы вряд ли скоро поймём. Но поклонение учёных новому кумиру уже стало массовым явлением. Вероятно, здесь развернётся эпопея, сравнимая с трёхвековой биографией теоремы Ферма. Так на стыках разных наук рождаются всё новые кумиры - подобные религиозным, но более сложные и динамичные…
Видимо, не может человек оставаться человеком, не свергая время от времени прежних кумиров и не сотворяя новых - в муках и с радостью! Пьеру Ферма повезло оказаться в роковой момент вблизи от горячей точки рождения нового кумира - и он сумел оставить на новорождённом отпечаток своей личности. Можно позавидовать такой судьбе, и не грех ей подражать.
Сергей Смирнов
«Знание-сила»
