arrow
第二卷, 第十九期
费马大定理破解传奇


费马的大猜想历经358年终被怀尔斯破解,在世界各地庆祝狂欢的同时,BBC拍摄了电视纪录片。导演辛格据此出书,以其资料真切、文理交融,在关于费马大定理的所有介绍性书籍中超然称冠。 费马大定理,人类对她的追寻,以及由此产生的故事、精神和学问,是人类永远的珍宝。还是在费马大定理刚被证明不久,世界仍处在费马狂欢节的时候,就听说BBC在拍这方面的电视纪录片——这在电视电影史上恐怕是罕见的。不久就看到英文版的辛格(SimonSingh)的这本书,是他在拍摄电视片过程中获得了许多翔实的资料,而后文理交融精心写就的。当时就买了几本。——但是,喜欢这本书的人太多了,如今我手头一本英文版的书也没剩下,也无从追踪或购买了。总有些遗憾。   
费马大定理令我关注很久了(当然,她也令世界关注得太久太强烈)。我的心曾随着费马大定理被证明的曲折而起伏。在这之前和之后,在我写的书的序言和讲演或文章中,我也多次介绍过费马大定理的历史和数学。记忆中最早的震动在1983年,开始朦胧地风传法尔廷斯(G.Faltings)证明了莫代尔猜想,从而逼近费马大定理的边缘。当时王元院士正好来校,我们都问他有关情况。这以后关于费马大定理的风声就越来越紧了。1987年春,一个日本数学家在德国宣布证明了费马大定理,惊动世界,但一个月后不得不宣布收回。当时我在美国马里兰大学访问,早晨到学校,只见系里办公室门上显眼地贴着一张大照片(几乎整版华盛顿邮报),一个警察正在制服一个罪犯,下面写着一行字:“我们数学界昨天也抓到一个诈骗犯!”

再从另一件事情也可以看出当时的紧张空气。1990年春,著名数学家茹宾和华盛顿等到天津南开大学参加数论会议,期间去承德多日。承德有世界最高的(据说)整个千手观世音像。当然最显眼的是棒槌石,那是承德的标志,像个巨大的棒球棒高高地竖立在山头,看似有随时崩塌的危险。

与会人士不约而同地打赌:费马大定理和棒槌石,哪个先满劫数解决掉呢?

三年后的1993年6月23日,怀尔斯就宣布证明了费马大定理,一片费马热。记得当时我因忙于一事未看报道,还是和陆洪文教授一起到301医院看望王元院士时才知道的。但是世界狂欢的好景不常,不久就发现证明有漏洞,而且越来越发现难以修补。一时议论纷起。怀尔斯备受压力,焦头烂额,几次想公开宣布失败。1994年8月11日下午,在瑞士苏黎世的世界数学家大会上,怀尔斯做最后的压轴发言,全体与会者平息静听。他报告后我和他交谈并合影,他显得是那样的憔悴瘦削。那是他最黑暗的时候。一个月之后的9月19日早晨,就在他几乎要放弃的时候,他发现成功就在废墟之上!

辛格在拍摄和写书的过程中,多次采访怀尔斯等当事人,交谈查阅记录和拍摄,得到大量第一手的资料。这本书以费马大定理为核心,纵线追寻它的古今传奇生死歌泣史事,横线介绍引人入胜的经典和新鲜的数学知识,当中融进安德鲁·怀尔斯10年感天动地的证明故事,穿插着有趣的人事,和奇妙无比的“现代数学”介绍。这本书,亦文亦理,有人文有数学,有故事有精神。有令人豁然开朗的线索追寻和联系概述,也有直面真切的事件和人物的“特写镜头”,还包含不少图片。

这本书向热爱数学的青年人打开了数学伊甸园的一扇大门。它谈论着曾影响世界的最重要事件、人物、历史——其经典和奇伟程度,绝对优于众多的小说武侠、影球明星。它也蕴含着精神理念和若干简洁经典的数学知识,且都寓于情节之中。它“界面”友好,“平台”低广,没有枯燥推理,却有清新的美感。它足以让人领会到,数学不(光)是逻辑、知识、工具、奴仆,这只是世俗的实用的一面之词,尽管信息高科技时代归根结底原不过是数字科技时代。

(Note: 费马大定理最终得以证明,是人类智力活动的一曲凯歌。费马大定理终结者怀尔斯因此获得世界唯一菲尔茨奖特别奖,沃尔夫奖和邵逸夫奖。

http://www.shawprize.org/en/announcement/2005/index.html
http://pkunews.pku.edu.cn/newsshow.aspx?id=100758)

本文作者简介: http://faculty.math.tsinghua.edu.cn/faculty/~xzhang/research.html
清华大学数学科学系教授,博士导师。毕业于中国科学技术大学 数学系(北京,1969)。
理学硕士(1981),理学博士(1985)。研究数学,代数与数论专业。曾较长期在中国科学技术大学任教(1973-1993)。

Further Reading:

1. 代数,数论,费尔马大定理等介绍 (A)
http://faculty.math.tsinghua.edu.cn/faculty/~xzhang/fermatetc.html
2. 代数,数论,费尔马大定理等介绍 (B)
http://faculty.math.tsinghua.edu.cn/faculty/~xzhang/fermatetcB.html

“业余数学家之王”费马 王渝生

我发现了许多非常美好的定理。 ——费马

有一位法学学士、律师、国会议员,并享有“长袍贵族”特权的官宦子弟,却在数论、解析几何、微积分和概率论等数学分支领域贡献良多,他就是法国的费马(Pierrede Fermat,公元1601~1665年),被后世誉为“业余数学家之王”。

费马的父亲是法国多米尼克的地方的执政官,母亲曾在“长袍贵族”议会中任职。费马出生于1601年8月20日,1631年获奥尔良大学民法学学士学位,并以律师为职业,曾任图卢兹议会的议员。他有丰富的法律知识,精通数国外语,而且业余爱好数学。

费马研究古希腊几何学,于1629年编写《平面和立体的轨迹引论》一书,虽然迟至1679年才出版问世,但他已早于笛卡尔《几何学》(1637年)发现了解析几何的基本原理——用代数方程表示曲线的方法。

关于微积分,牛顿曾说:“我从费马的切线作法中得到了这个方法的启示,我推广了它,把它直接并且反过来应用于抽象的方程。”这种切线作法出现在费马所著《求最大值和最小值的方法》(1637年)一书中。

1654年,法国骑士梅累向帕斯卡提出一个使他苦恼了很久的问题:“两个赌徒相约赌若干局,谁先赢s局就算赢,现在一个人赢a(a<s)局,另一个人赢b(b<s)局,赌博中止,问赌本应怎样分法才算合理?”这个问题后来称为“赌点问题”。帕斯卡接到这个问题后,立刻将其转告费马,他们俩人都对这个问题作出了正确的解答,但所用方法不同。关于概率论的研究,就是这样开始的。
后来,惠更斯继续研究这个问题,并于1657年写成《论赌博中的计算》一书,从而使概率论成为研究随机现象统计规律的数学分支。

费马在业余数学研究中的最大成就当属数论,最著名的是以他的名字命名的两个定理:

“费马小定理”——如果n是一个任意整数而p是一个任意素数,那么,n的p次方-n可以被p整除。例如,n=4,p=3,那么4的3次方-4=60能被3整除。

“费马大定理”——x的n次方+y的n次方=z的n次方,当n>2时无整数解。
例如,n=3时,x的3次方+y的3次方=z的3次方无整数解。

我们知道,当n=2时,x的2次方+y的2次方=z的2次方有无穷多组整数解。
如x=3,y=4,z=5,有3的2次方+4的2次方=5的2次方;又如x=5,y=12,z=13,有5的2次方+12的2次方=13的2次方。这是古希腊数学家丢番图的《算术》第二卷第8命题“将一个平方数分为两个平方数”。

大约1637年左右,费马在《算术》一书中该命题旁边,用小字写道:“但是,要将一个立方数分为两个立方数,一个四次幂分为两个四次幂,一般地将一个高于二次的幂分为两个同次的幂,都是不可能的。对此,我确信已发现一种美妙的证法,可惜这里空白的地方太小而写不下。”这就是数学史上著名的“费马大定理”或称“费马最后定理”。

“费马大定理”的证明困扰了其后3个半世纪的著名数学家,其中包括欧拉、高斯和柯西,他们都得到了部分结果,但都没有给出普遍的证明。为此,布鲁塞尔科学院、巴黎科学院都曾悬赏征集这个问题的证明,但没有得到结果。1908年,哥廷根皇家科学会把奖金提高到当时的天文数字10万马克,仍无人问津。不过,距今10年前,这个难题被英国数学家威尔斯彻底解决。

费马性情谦抑,好静成癖。他对数学的许多研究成果,往往以极其简洁的语言表述,写在他读过的书籍边缘或空白处;也有一些只言片语写在给朋友的信函中;还有就是随便散放在旧纸堆里。他不愿发表其研究成果,而且对已完成的工作不再感兴趣。
他是一个完全以兴趣爱好出发和完全无功利目的的业余数学研究者。他的经验抑或是教训,值得后人思考。