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從商高定理到費馬大定理

來源:網絡 2009-08-12 09:18:57

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  勾股定理在初中平面幾何課本中就學習過,其內容如下:“在直角三角形中,斜邊(弦)的平方等于兩直角邊(短者叫勾,長者叫股)平方的和”。

  對這一定理的研究,我國古代數學家作出了巨大的貢獻。約在公元前100年成書的我國現存最古的一部數學典籍《周髀算經》中記載,在公元前1100多年我國數學家商高與周公談話中就明確提出了“勾廣三,股修四,弦隅五”,且在同一書中記載的榮方與陳子的問答中,更談到由勾股求弦的一般方法是“勾股各自乘,并而開方除之”,可見已給出了普遍的勾股定理。正因為商高首先提出了勾股定理,不少人把該定理稱之為商高定理。

  在商高定理的研究方面作出貢獻的除中國古代數學家外,還有許多別的國家和民族的數學家,特別是古希臘、埃及、印度的數學家。公元前六世紀,古希臘數學家畢達哥拉斯(公元前582年一前497年)是西方第一個證明勾股定理的人,國外常稱其為畢達哥拉斯定理,相傳當畢氏找到證明商高定理的方法后,欣喜若狂,殺了100頭牛祭奉慶賀,故西方人亦稱之為“百牛定理”,而畢氏的證明早已失傳。古今中外有許多人探索商高定理的證明方法,不但有數學家,還有物理學家,甚至畫家、政治家。如趙爽(中)、梅文鼎(中)、歐幾里德(希臘)、辛卜松(英)、加菲爾德(美第二十屆總統)等等。其證明方法達數百種之多,這在數學史上是十分罕見的。

  我國古代數學家商高發現了直角三角形勾、股、弦有3、4、5的關系,故人們稱滿足勾股弦的各組正整數為商高數。若以方程的觀點來看,方程的正整數解稱為商高數。商高數除3、4、5外,還有5,12,13;7,24,25;8,15,17;12,35,37;20,21,29等無窮多組。

  求方程的整數解實際上是個不定方程問題。關于不定方程的研究我國最早,約在公元50年(東漢初年)成書的數學名著《九章算術》中出現了世界上最早的不定方程問題(“五家共井”問題),且該書給出了多組商高數。我國第三世紀數學家劉徽曾為《九章算術》作注(公元263年),明確給出了商高數的一般公式。古希臘數學家丟番圖(公元246年一330年)研究了整系數不定方程的整數解

  (這類問題被稱為丟番圖方程),以著作《算術》名世,記述了189個不定方程問題。不定方程的全部原始解(兩兩互素的解)的公式是

  a=2mn

  其中m,n(m>n)是互素的且一奇一偶的任意正整數。其實丟番圖沒有給出這個公式,中國的劉徽在《九章算術》注中用文字表述了這個公式,并作圖加以證明(圖已失傳,圖的說明傳下來了),這也是我國古代數學家的一大成就。

  相隔1400多年,約公元1637年,費馬(公元1601—1665)在丟番圖的校注本《算術》第2卷第8命題“把一個平方數分為兩個平方數”旁的空白處,寫了一段批語:“把一個立方數分為兩個立方數,一個四次冪分為兩個四次冪,或一般地,把一個高于二次的冪分為兩個同次的冪,這是不可能的,關于這一點,我已發現了一種巧妙的證法,可惜這里空白的地方太小,寫不下”。費馬,法國人,律師,業余鉆研數學,很少發表作品,一些數學成果常寫在給朋友的信中或所讀書的空白處,由后人收集整理出版。費馬去世后,他兒子在整理他的遺物時發現了這段話,并于1670年公布于眾。這就是引起世人關注的費馬大定理,可表述為“當整數n>2時,方程沒有正整數解。”

  從費馬時代起,人們不斷進行費馬大定理的試證工作。巴黎科學院曾先后兩次提供獎章和獎金,布魯塞爾科學院也懸賞重金,獎勵證明該定理的人,但都無結果。1908年哥廷根皇家科學會懸賞十萬馬克,獎給最先證明這一定理的人,賞期100年。最初的證明是一個數一個數(或一部分數)的進行,但也不是那么簡單的工作,不知多少人耗盡了無數心血,取得了一些成果。如高斯、歐拉、萊布尼茨、勒讓德、狄里克雷、拉梅、庫默爾等許多著名數學家都作出了突出的貢獻。但都只是在某些特定條件下證明了這個定理,無疑離定理的證明還比較遙遠。人們曾經在費馬的遺稿、筆記、傳抄本,甚至其它任何可能的地方,去尋找他的證明方法,但都落空了。這的確是個“謎”,人們不得不懷疑,費馬是不是證明過這個定理,還是在什么地方弄錯了。

  直接證明費馬大定理的艱巨困境促使人們按數學解決問題的傳統,就是要作變換,把問題轉化為已知的或易于解決的領域的新問題去解決。近三個多世紀來,經過包括黎曼、莫德爾等許多數學家艱苦卓絕、前赴后續的工作,把費馬大定理與代數曲線上的有理點(坐標都是有理數的點)聯系起來。種種轉化推動了數學相關領域的發展,也推動了費馬大定理的證明進程。英國年輕的數學家維爾斯(a·wiles.1953一)利用19世紀以來研究并發展起來的橢圓函數理論及其研究成果,最終證明了費馬大定理。1993年6月維爾斯長達200頁的論文評審時,被發現其證明有漏洞,1993年7月他開始修改論文,補正漏洞,1994年9月維爾斯終于克服困難,重寫了一篇108頁的證明論文,10月寄往美國《數學年刊》,順利通過審查,1995年5月《數學年刊》的41卷第3期上只登載了他的這一篇論文。維爾斯因此獲得了國際上頗有影響的科學獎──1995/1996年度沃爾夫數學獎,這一成果被認為是“20世紀最重大的數學成就”。

  歷時幾千年的兩個定理,牽動著世界上不知多少代億萬人們的心,前人以堅韌的毅力,開拓創新的精神譜寫了科學知識寶庫中探寶的光輝篇章,還有許多寶藏等待后人開采。自然無限,創造永恒。

 

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