從商高定理到費(fèi)馬大定理
來源:網(wǎng)絡(luò) 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(xué)習(xí)過,其內(nèi)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(zhǎng)者叫股)平方的和”。
對(duì)這一定理的研究,我國(guó)古代數(shù)學(xué)家作出了巨大的貢獻(xiàn)。約在公元前100年成書的我國(guó)現(xiàn)存最古的一部數(shù)學(xué)典籍《周髀算經(jīng)》中記載,在公元前1100多年我國(guó)數(shù)學(xué)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?yàn)樯谈呤紫忍岢隽斯垂啥ɡ,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(xiàn)的除中國(guó)古代數(shù)學(xué)家外,還有許多別的國(guó)家和民族的數(shù)學(xué)家,特別是古希臘、埃及、印度的數(shù)學(xué)家。公元前六世紀(jì),古希臘數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯(公元前582年一前497年)是西方第一個(gè)證明勾股定理的人,國(guó)外常稱其為畢達(dá)哥拉斯定理,相傳當(dāng)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(shù)學(xué)家,還有物理學(xué)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(tǒng))等等。其證明方法達(dá)數(shù)百種之多,這在數(shù)學(xué)史上是十分罕見的。
我國(guó)古代數(shù)學(xué)家商高發(fā)現(xiàn)了直角三角形勾、股、弦有3、4、5的關(guān)系,故人們稱滿足勾股弦的各組正整數(shù)為商高數(shù)。若以方程的觀點(diǎn)來看,方程的正整數(shù)解稱為商高數(shù)。商高數(shù)除3、4、5外,還有5,12,13;7,24,25;8,15,17;12,35,37;20,21,29等無(wú)窮多組。
求方程的整數(shù)解實(shí)際上是個(gè)不定方程問題。關(guān)于不定方程的研究我國(guó)最早,約在公元50年(東漢初年)成書的數(shù)學(xué)名著《九章算術(shù)》中出現(xiàn)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(shù)。我國(guó)第三世紀(jì)數(shù)學(xué)家劉徽曾為《九章算術(shù)》作注(公元263年),明確給出了商高數(shù)的一般公式。古希臘數(shù)學(xué)家丟番圖(公元246年一330年)研究了整系數(shù)不定方程的整數(shù)解
。ㄟ@類問題被稱為丟番圖方程),以著作《算術(shù)》名世,記述了189個(gè)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(shù)。其實(shí)丟番圖沒有給出這個(gè)公式,中國(guó)的劉徽在《九章算術(shù)》注中用文字表述了這個(gè)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(guó)古代數(shù)學(xué)家的一大成就。
相隔1400多年,約公元1637年,費(fèi)馬(公元1601—1665)在丟番圖的校注本《算術(shù)》第2卷第8命題“把一個(gè)平方數(shù)分為兩個(gè)平方數(shù)”旁的空白處,寫了一段批語(yǔ):“把一個(gè)立方數(shù)分為兩個(gè)立方數(shù),一個(gè)四次冪分為兩個(gè)四次冪,或一般地,把一個(gè)高于二次的冪分為兩個(gè)同次的冪,這是不可能的,關(guān)于這一點(diǎn),我已發(fā)現(xiàn)了一種巧妙的證法,可惜這里空白的地方太小,寫不下”。費(fèi)馬,法國(guó)人,律師,業(yè)余鉆研數(shù)學(xué),很少發(fā)表作品,一些數(shù)學(xué)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(fèi)馬去世后,他兒子在整理他的遺物時(shí)發(fā)現(xiàn)了這段話,并于1670年公布于眾。這就是引起世人關(guān)注的費(fèi)馬大定理,可表述為“當(dāng)整數(shù)n>2時(shí),方程沒有正整數(shù)解。”
從費(fèi)馬時(shí)代起,人們不斷進(jìn)行費(fèi)馬大定理的試證工作。巴黎科學(xué)院曾先后兩次提供獎(jiǎng)?wù)潞酮?jiǎng)金,布魯塞爾科學(xué)院也懸賞重金,獎(jiǎng)勵(lì)證明該定理的人,但都無(wú)結(jié)果。1908年哥廷根皇家科學(xué)會(huì)懸賞十萬(wàn)馬克,獎(jiǎng)給最先證明這一定理的人,賞期100年。最初的證明是一個(gè)數(shù)一個(gè)數(shù)(或一部分?jǐn)?shù))的進(jìn)行,但也不是那么簡(jiǎn)單的工作,不知多少人耗盡了無(wú)數(shù)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(kù)默爾等許多著名數(shù)學(xué)家都作出了突出的貢獻(xiàn)。但都只是在某些特定條件下證明了這個(gè)定理,無(wú)疑離定理的證明還比較遙遠(yuǎn)。人們?cè)?jīng)在費(fèi)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(gè)“謎”,人們不得不懷疑,費(fèi)馬是不是證明過這個(gè)定理,還是在什么地方弄錯(cuò)了。
直接證明費(fèi)馬大定理的艱巨困境促使人們按數(shù)學(xué)解決問題的傳統(tǒng),就是要作變換,把問題轉(zhuǎn)化為已知的或易于解決的領(lǐng)域的新問題去解決。近三個(gè)多世紀(jì)來,經(jīng)過包括黎曼、莫德爾等許多數(shù)學(xué)家艱苦卓絕、前赴后續(xù)的工作,把費(fèi)馬大定理與代數(shù)曲線上的有理點(diǎn)(坐標(biāo)都是有理數(shù)的點(diǎn))聯(lián)系起來。種種轉(zhuǎn)化推動(dòng)了數(shù)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展,也推動(dòng)了費(fèi)馬大定理的證明進(jìn)程。英國(guó)年輕的數(shù)學(xué)家維爾斯(a·wiles.1953一)利用19世紀(jì)以來研究并發(fā)展起來的橢圓函數(shù)理論及其研究成果,最終證明了費(fèi)馬大定理。1993年6月維爾斯長(zhǎng)達(dá)200頁(yè)的論文評(píng)審時(shí),被發(fā)現(xiàn)其證明有漏洞,1993年7月他開始修改論文,補(bǔ)正漏洞,1994年9月維爾斯終于克服困難,重寫了一篇108頁(yè)的證明論文,10月寄往美國(guó)《數(shù)學(xué)年刊》,順利通過審查,1995年5月《數(shù)學(xué)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(guó)際上頗有影響的科學(xué)獎(jiǎng)──1995/1996年度沃爾夫數(shù)學(xué)獎(jiǎng),這一成果被認(rèn)為是“20世紀(jì)最重大的數(shù)學(xué)成就”。
歷時(shí)幾千年的兩個(gè)定理,牽動(dòng)著世界上不知多少代億萬(wàn)人們的心,前人以堅(jiān)韌的毅力,開拓創(chuàng)新的精神譜寫了科學(xué)知識(shí)寶庫(kù)中探寶的光輝篇章,還有許多寶藏等待后人開采。自然無(wú)限,創(chuàng)造永恒。
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