Том 9. Загадка Ферма. Трехвековой вызов математике

Софи Жермен.

* * *

Он показал, что если р — простое число, такое, что либо 4р + 1, либо 8р + 1, либо 10р + 1, либо 14р + 1, либо 16р + 1 — простое, то первый случай теоремы Ферма доказан для данного показателя степени р. Лишь в 1977 году Тержанян доказал первый случай для всех четных показателей степени 2р, где р — простое.

Если, например, мы рассмотрим показатель степени р = 5, то заметим, что 2р + 1 = 11 — также простое число. Следовательно, согласно результатам Жермен, первый случай теоремы Ферма для этого значения доказан. Напротив, для р = 7 получим 2р + 1 = 15, которое не является простым. Если руководствоваться только результатами Жермен, то для этого значения р теорема не доказана. Однако 4р + 1 = 29 — простое, следовательно, если учитывать результаты Лежандра, первый случай теоремы Ферма доказан.

Доказательство Ламе

1 марта 1847 Габриель Ламе сделал грандиозное заявление в Парижской академии наук. Он нашел долгожданное доказательство теоремы Ферма для всех случаев! Этот французский ученый представил научному сообществу рассуждения, которые привели к такому результату. Рассуждения были просты и основывались на результатах, ранее полученных другими математиками. Он рассматривал поле комплексных чисел, где квадратный корень из минус единицы, √-1 существует и обозначается буквой i. На этом множестве х² + у² превращается в произведение двух комплексных чисел (х + yi)(x — yi), таким образом, происходит переход от сложения к умножению. Теорема о прямоугольном треугольнике вместо традиционного вида

х² + у² = z²

записывается так:

(х + yi)(x — yi) = z².

Последнее уравнение можно решить на множестве комплексных чисел в виде х + yi, где х, у — целые (это подмножество комплексных чисел получило название гауссовых чисел). Здесь х — вещественная часть, у — мнимая часть. Это множество во многом похоже на множество целых чисел: на нем без проблем можно выполнять операции сложения, вычитания и умножения. Также на нем можно определить делимость и простые числа. Кроме того, на нем справедлива основная теорема арифметики: любое число можно единственным образом представить в виде произведения простых множителей. Интересным следствием этой теоремы является следующий факт: если произведение двух взаимно простых чисел является квадратом, то каждое из этих двух чисел также обязательно является квадратом. Согласно этим рассуждениям поиск пифагоровой тройки равносилен нахождению примитивных решений х, у, z уравнения х² + у² = z², то есть такого решения, где х, у, z не имеют общих делителей.

В подобном решении гауссовы числа х + yi, х — yi также не должны иметь общих делителей. Таким образом, необходимо найти два взаимно простых гауссовых числа, таких, что их произведение является квадратом.

В итоге если мы имеем примитивное решение для уравнения х² + у² = z², то получим произведение двух взаимно простых гауссовых чисел, которое является квадратом. Следовательно, каждое из этих чисел также должно являться квадратом. Имеем:

х + yi = (а + bi)² = а² + 2аbi + (bi)² = а² — Ь² + 2аbi.

Приравняв вещественные и мнимые части по отдельности, получим:

х = а² — Ь²,

у = 2аЬ.

Эта формула упоминается уже в «Началах» Евклида и служит для нахождения пифагоровых троек. Ламе в своем доказательстве использовал аналогичные рассуждения. Уравнение Ферма х^р + у^р = z^p с помощью комплексных чисел преобразуется в произведение. В этом случае множители должны содержать корни р-й степени из единицы. На множестве комплексных чисел аналогично тому, как 1 имеет два квадратных корня, +1 и —1, существует также р корней р-й степени, которые обозначаются 1, ζ, ζ², ζ³, …, ζ^р-1. Используя эти корни, мы можем записать следующее:

х^р + у^p = (x + у)(x + ζу)(х + ζ²у)(х + ζ³у)…(х + ζ^р-1y) = z^р.

Следовательно, первый шаг, на котором сумма преобразуется в произведение, выполним.

На следующем шаге мы рассмотрим числа вида

а₀ + а₁ζ + ζ²а₂ + ζ³а₃ + … + ζ^p-1а_р-1

Говорят, что эти числа принадлежат круговому полю. Их можно легко складывать, вычитать и перемножать. Также можно говорить о делимости и простых числах. Казалось, что рассуждения совершенно корректны.

Ламе привел для этого случая те же рассуждения, что и для гауссовых чисел, и, таким образом, доказал теорему! Блестящий математик Жозеф Лиувилль, который внимательно слушал выступление Ламе, попросил слова и задал вопрос. Доказано ли, что разложение на множители на круговом поле единственно? Если это не так, то доказательство оказывается ошибочным. Ламе признал, что это не доказано, но был уверен, что сможет быстро заполнить пробелы в своем доказательстве. Тем не менее сделать это так и не удалось.

Идеальные решения

Несколько месяцев спустя немецкий математик Эрнст Эдуард Куммер пишет письмо Лиувиллю. В нем он объясняет, что, к несчастью для Ламе, единственность разложения на множители на круговом поле в общем случае не подтверждается. Например, оно не выполняется для р = 23. Однако Куммер продолжал: «Теорему возможно доказать, введя новый тип комплексных чисел, которые я назвал идеальными комплексными числами». Идеальные числа, представленные Куммером, позволили обеспечить единственность разложения на множители и продолжить поиски доказательства.

Чтобы проиллюстрировать мысль Куммера, приведем два примера. Сначала рассмотрим следующее множество четных целых чисел:

2Z = {…, -4, -2, 0, 2, 4, 6, 8, 10…}.

На этом множестве можно свободно выполнять операции сложения, вычитания и умножения. На нем число 10 нельзя разложить на произведение двух четных чисел, следовательно, оно является «простым». «Простыми» также будут являться 2 и 50. Напротив, 100 можно разложить на произведение «простых» множителей двумя разными способами:

100 = 10·10 = 2·50.

Следовательно, на множестве простых чисел единственность разложения на множители не выполняется. Чтобы обеспечить это свойство, можно ввести «идеальное» число, 5, которое не принадлежит множеству четных чисел. Используя это число, мы сможем разложить на множители 10 и 50, и они перестанут быть «простыми»:

100 = 10·10 = 5·2·5·2,

100 = 2·50 = 2·2·5·5.

Оба разложения совпадают.

Во втором примере, который предложил Рихард Дедекинд в 1870 году, рассматривается множество чисел следующего вида:

На этом множестве числа 2, 3, (1 + √(5i)), (1 — √(5i)) являются простыми. Число 6 не является простым, и его можно разложить на простые множители двумя различными способами:

6 = 2·3 = (1 + √(5i))(1 — √(5i)).

Следовательно, единственность разложения на множители на этом множестве не обеспечивается. Мы сможем это обеспечить, если введем идеальные числа √2,(1 + √(5i))/√2, (1 — √(5i))/√2: