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导读7:证明费尔玛大定理最关键之处,分析3

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    [LV.6]常住居民II

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    发表于 2012-3-16 12:53 |只看该作者 |倒序浏览
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    本帖最后由 chengenlin 于 2012-5-1 14:55 编辑
    8 `6 c1 y/ N. `4 ~4 z3 L+ p, h' R. l( w" J) \2 \1 {2 C. Q8 i
        由导读6中引入新变量t到由不定方程z7=x7+y7作为实例以便大家更易理解,由此引出(1)式zn =xn +yn一般式的证明方法。由导读6中z7=x7+y7, 和将它经过移项后得到x7=z7-y7及y7=z7-x7的另2个式子,已经证得以下3个式子
    5 F7 e  s0 J. n' E                   7│ xy(x+y)((x+y)4 - 2xy(x+y)2  + x2y2)  (符号a│b ,表示a能被b 整除)   (10)
    3 N( K( d. r2 ~, T. ]: B; ]: H                    7│zy(z-y)((z-y)4 +2zy(z-y)2  + z2y2)                                                                 (11)8 S. o! s+ X+ P% W: R- m# U2 n6 l- S
                                 和 7│zx(z-x)((z-x)4 +2zx(z-x)2  +z2 x2)                                                                 (12)
    9 B' a# R: }+ ?( X/ o# V5 S 成立。 由于我们在导读5和6中一下子推出了全文最关键之处,未及细节。现在有必有按顺序补充交代一下。实际上在证明一开始就应当说明的,为了证明(1)式xn +yn=zn没有正整数解,我们假设(1)式有正整数解。那么满足(1)式的所有的各组正整数解当中,必有一组解中的z是最小的,即存在一个最小的正整数z使得(1)式(x)n +(y)n=(z)n成立,而其中的x和y都是正整数。我们把正整数x和y的最大公因数d,记作(x,y)=d。此时,由(1)式知就一定有 # X; f+ }$ a; n  d( Q
                            (x,y)=1      (当(x,y)=1时,表示x与y之间无公因数)               (13)$ R' O3 D1 q- ^* `/ Y4 u

    3 K* i" c; L5 }6 a0 B0 K    不然的话,就一定有(x,y)=d>1。由(d)n | (x)n,和(d)n | (y)n(其中符号“a│b”,表示a能被b整除。而(d)n 表示d的n次方) ,及(1)式得到(d)n │ (z)n。因而得到d分之一的z小于z,但这与z是(1)式各组正整数解当中最小的发生矛盾。所以有(x,y)=1  成立。以下举例说明(要说举例,根本举不出z7=x7+y7方面有正整数解的例子,是因为它无正整数解。),但中学所学的勾股定理是大家熟知的,例如x2+y2=z2的各组正整数解有(3,4,5),(6,8,10)  和(9,12,15)等,还有(5,12,13)
    ! e% V2 P7 x; Z7 y8 H,(10,24, 26)和(15,36,39)等。其中5是是第一大组解中最小的z,  (3,4,5)是第一大组解中的基础解,只要有了
    " D, ^/ |1 q* n* t- V7 A. H& d(3,4,5)的解,就会有无数组的正整数解,只要将基础解的各数同乘以2,就得到另一组解(6,8,10) ,以此类推可得到第一大组中无数组解。可以看出第一大组基础解(3,4,5),其中x=3,y=4,z=5,明显有(x,y)=1成立,即(13)式成立。而不是基础解的(6,8,10) 等,(13)式是不成立的,这是因为(6,8)=2>1了。由(x,y)=1 我们可以进一步证得
    - {/ \, g1 T+ h$ \. }8 {6 z                                     (z,x)=(z,y)=1                                                                               (14)
    ( ]( P3 x0 `: p* i1 a8 @' _! J1 W      这是因为若(z,x)=d>1,可以得到(d)n| (z)n,和(d)n | (x)n及(1)式zn =xn +yn可以得到(d)n| (y)n。由(d)n | (x)n和
    ; v8 V7 x0 I  L7 I% L(d)n| (y)n得到(x,y)=d>1。这与(13)式(x,y)=1 发生矛盾。同理证得(z,y)=1 ,也即有(14)式成立。
    6 u( u" e  ?7 y* E9 o5 T1 W     我们根据证明的需要,引入以下几个引理:) W. i" }% ~8 U/ _2 _" D
        引理1:设a,b为正整数,且a>b。若(a,b)=1,则(a+b,b)=1和(a-b,b)=1。& S* L* R% ]' T; `. H
    证明:假设(a+b,b)=d>1,此时存在正整数u1和u2, 使得a+b=du1和b=du2(其中(u1,u2)=1)。因此有a=d(u1-u2),和由于b=du2因而得到(a ,b)=d>1。这与已知(a,b)=1相矛盾,故有(a+b,b)=1。同理可证(a-b,b)=1。(其中u1,u2仅表示不同的字母,无其它意义。)。     + w: B) w8 f; C, T& A
       ( 注:引理1的应用,例如(2,3)=1,则有(2,2+3)=1能成立,等等。)  z6 P8 I& }( w3 r# Q% {
        引理2:设a,b,c和k为正整数。若c│a,且有(a,b)=1 , 则(c,b)=1。
    $ r1 z# p8 ]% @3 b证明:因为c│a,这时存在一个正整数k,使得a=kc能成立。将a=kc代入(a,b)=1中,得(kc,b)=1。由(kc,b)=1,表示正整数k和c的乘积与正整数b之间无公因数,由此,必有(c,b)=(k,b)=1。(对于因理2 ,通俗地说,当a,b之间无公因数时,那么a的子集c与b也无公因数。)  
    8 X0 [$ i8 V5 ~) d5 L     ( 注:引理2的应用,例如2│6,且有(6,7)=1 , 则有(2,7)=1成立,等等。)! y2 e4 ^8 e8 W8 X; Z2 O# ]& p
         引理3:设a,b,c和为正整数,若(a,b)=(a,c)=1,则(a,bc)=1。4 A) F  c, p* {8 J! M, a
    证明:因为(a,b)=(a,c)=1时,表明a和b、c之间都无公因数,则a和bc之间也一定无公因数。不然的话由(a,bc)=d>1,就有(a,b)=d'>1或(a,c)=d">1能成立,但这与已知(a,b)=(a,c)=1相矛盾。因此,必有(a,bc)=1。  
    2 p8 ]! K" C( z+ ~/ o* A) n    ( 注:引理3的应用,例如(3,5)=1和(3,7)=1,则有(3,35)=1,等等。)# r# d/ ^& A& Z( L
           引理4:设a,b和n为正整数若(a,b)=1,则(a ,( b)n)=1。(其中( b)n表示b的n次方)
    ( y4 W. {: z( W9 w证明:因为(a,b)=1,表明a和b之间无公因数,则a和bn之间也一定无公因数。不然的话(a ,bn)=d>1,就要得到(a,b)=d'>1,这与已知(a,b)=1发生矛盾。故必有(a , bn)=1。
    7 e( p$ }  f7 |1 f; I) r* F     (注:引理4的应用,例如(3,2)=1,则有(3,(2)5 )=(3,32)=1成立,等等。)  
    8 ?: f: v6 v; t( ]$ z0 K     
    2 I  b& y; N9 X8 J       接着,还需作一点准备,把z7=x7+y7式化为z7 =(x+y)(x6-x5y+x4y2-x3y3+x2y4-xy5+y6),再将其两边同除以
    ; O6 l) O9 P6 ]: ]5 D+ U5 l1 ~( x+y),可以得到(x+y)│z7,, 从而必有
    # J" M9 l) @: q( g- ~4 \. r                                          (x+y,  z)=d1>1                           (15)3 d. Q% X$ e) n! R" G/ d( z
    这是因为如果(x+y,  z)=1 ,可以得到 (x+y, z7)=1(引理4) , 即有(x+y) ┥ z7(此式表示(x+y) 不能被 z7整除)。这与已证得的(x+y)│z7发生矛盾,因而有(15)式成立。8 P6 _0 V: u* h+ e1 N
    同理,由x7=z7-y7和y7=z7-x7还可以证得有: O' F9 K4 \& h9 a! A5 @* H
                                (x,   z-y)=d2   和 (y, z -x)=d3                         (16)/ k0 @% }6 Y, Y+ Q
    能成立。由(15)和(16)式知有) b+ y; H5 {( d: d# ]& ]5 N2 [
          (xy(x+y), zy(z -y),  zx( z-x))=d1d2d3>1                (17)                  ) K  |; d/ {  R, C6 h
    5 S: j5 I/ X5 e9 Q- w* Q
    能成立。现在已和本文的开头联系上了。由(17)式知(10),(11)和(12)这三个式子的右边的单项式有最大公因数* N7 Y; o; ^/ f# B
    d1d2d3。(其中d1d2d3表示3个不同字母d1,d2和d3的连乘积。),以下我们将证明有8 d5 _+ f0 }0 l3 ?4 _3 n# S' ^
                                             7│d1d2d3                                                            (18)
    . W7 \, Q* Z& G0 Y0 V' s0 ]: d# u6 E能成立。先证明(10)式右边中括号外的单项式与中括号内的多项式无公因数,也即去证明
    ! A9 [9 q8 c% e% r5 H5 F                       (xy(x+y ),((x+y)4 - 2xy(x+y)2  + x2y2)  )=1                     (19)         2 Q2 F7 r5 V# s0 z/ B# R# k
    为了证明上式能成立,分两步进行。第一步,去证(xy,(x+y)4 - 2xy(x+y)2  + x2y2 )=1 。 由于xy│(2xy(x+y)2  + x2y2 )的成立,接下来去证(xy,(x+y)4)=1。由(13)式(x,y)=1,可以证得(x , x+y)=(y, x+y)=1(引理1)。由(x,x+y)=(y,x+y)=1,可以证得(x, (x+y)4)=(y, (x+y)4)=1(引理4) 。再由(x, (x+y)4)=(y, (x+y)4)=1就可以证得(xy,(x+y)4)=1(引理3)。此时,由(xy,(x+y)4 )=1,和xy│((2xy(x+y)2  + x2y2 )就能证得(xy,(x+y)4 - 2xy(x+y)2  + x2y2 )=1(引理2),第二步,同理可以证得(x+y,(x+y)4 - 2xy(x+y)2  + x2y2 )=1。由以上两个证得的式子,就能证得
    5 z6 f: C, `% s" g  K(xy(x+y),(x+y)4 - 2xy(x+y)2  + x2y2 )=1 (引理3),也即(19)式被证明成立。 由(11)和(12)式右边括号外的单项式与括号内的多项式,同理可以分别证得
    5 O  C6 K, b. e8 e5 V0 J8 H                     (zy(z-y),(z-y)4 +2zy(z-y)2  + z2y2)  =1                                    (20)  u7 d5 p$ U7 F& q
                                      和(zx(z-x),(z-x)4 +2zx(z-x)2  +z2 x2)  =1                                 (21) 7 m% g' u  }1 g
    成立。由(19),(20)和(21)式的成立,得知(10),(11)和(12)式右边各单项式和同一个式子中的多项式无公因数。由于(17)式已得知以10),(11)和(12)的单项式的公因数是d1d2d3,这就告诉我们以上3个多项式中的任何一个都不含有单项式的公因数d1d2d3。接着,我们再来了解这3个多项式之间的关系。它们分别是
    - u) t$ A! K9 }" T. b% [                            (x+y)4 - 2xy(x+y)2  + x2y2                          (22)
    - k- i0 R) \: ~* {& K/ i) o                            (z- y)4   + 2zy(z-y)2  + z2y2)                                             (23)9 j4 s) y6 m6 z5 G
                                                     (z- x)4  +  2zx(z-x)2  +z2 x2)                                             (24)   
    7 L, K, d, j7 N% l' u/ T+ u3 k: l     仔细观察后就会发现,这3个式子是对称关系。将(22)式中的x换成-z就得到(23)式,若再将(22)式中的y换成-z 就得到 (24)  式。以下,我们去证明以上这三个式子无公因式,
    ' \) ^6 M' q3 r% f- n   设(22)式为- H0 T( y/ b5 E7 {6 c8 }0 |
                              f(x)=(x+y)4 - 2xy(x+y)2  +x2y2                           
    " p, B' ]# m( z+ h6 H5 t& }     则(23)式为% _. o6 `2 ^* }$ H8 h' z. f! o5 z, m
                              f(-z )=(z- y)4   + 2zy(z-y)2  + z2y2)                        
    0 P/ }/ ]7 l( W$ Y/ L/ ~      我们假设 f(x)和f(-z )都通过因式分解并提取了它们的公因式。若使f(x)所指的公因式中的x改变为-z,而使y保持不变。这样就成了f(-z )中所指的公因式。由于这两个公因式中所含的x和-z的不同,因此它们实际上不是f(x)和f(-z )的公因式,也即证得(22)和(23)式无公因式成立。同理可以证得(22)和(24)式,(2,3)和(24)式之间均无公因式。也即证得(10),(11)和(12)式的多项式之间无公因式。
    7 |, l# N4 W1 G9 @+ Q     由于(10),(11)和(12)式的右边单项式有相同的公因数d1d2d3,,多项式相互之间无公因式而且也不含d1d2d3  。因此,由(10),(11)和(12)式的3个式子同时被7整除,得知7只能是被这3个式子的公因数d1d2d3整除。也即有  7 M  C7 D  p, A) S* j
                                                 7│ d1d2d3                                                                        (25)' c3 y) R7 K, Q0 `5 W
    成立。; Q* d3 G% ?3 q( {4 w9 ?  ~0 T

    ( H, k( G& |: V' E+ i                              下文,由导读8:证明费尔玛大定理最关键之处分析4连接/ v2 m# I$ {4 d) Y& l9 ?9 p

    ! k! w; O& O$ `- h% Y- Y
    5 @3 ^. H& e0 j+ e+ D( s
    zan
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