Filosofa.net

В последствии Ферма объяснит свое увлечение числами в письме английским математикам Дигби и Броункеру. Это письмо имеет специальный подзаголовок: “Второй вызов Ферма математикам”. Ферма пишет: “Едва ли кто-нибудь может предложить или даже понять чисто арифметические задачи. Ибо разве Арифметика не толковалась скорее геометрически, чем арифметически. Это подтверждает большинство трудов древних и новых авторов; подтверждают это и труды самого Диофанта. Он несколько более других отдалился от геометрии, когда начал излагать Аналитику в рациональных числах; однако и эта часть не совсем лишена геометрии, что вполне доказали книги Виета “Зететика”, где метод Диофанта переносится на непрерывные величины, а значит, и на геометрию. . Лишь я, словно идущий впереди факелоносец, предлагаю вам для доказательства или построения следующую теорему или задачу. Если вы ее решите, то поймете, что задачи такого рода ни тонкостью, ни трудностью, ни способом доказательства не уступают знаменитейшим проблемам геометрии”.

Что же искал и что открыл Пьер Ферма, занимаясь числами? Рискнем предположить, что более всего Ферма интересовали способы построения простых чисел. Он мечтал найти явную формулу, которая позволяет быстро вычислять сколь угодно большие простые числа. На полях “Арифметики” он высказал предположение, что таким “генератором” простых чисел будет формула

, n = 0,1,2, .

Действительно, при n = 0, 1, 2, 3, 4 получаем простые числа 3, 5, 17, 257, 65537. Ферма полагал, что при всех прочих n числа F(n) - простые, и неоднократно предлагал своим корреспондентам доказать этот результат .

Понадобилось сто лет, чтобы Леонард Эйлер в 1733 г. опроверг утверждение Ферма. Это произошло с подачи Христиана Гольдбаха, который в 1729 г. писал находившемуся в Петербурге Эйлеру: “Известно ли тебе замечание Ферма о том, что все числа вида именно 3, 5, 17 и т.д суть простые, причем сам он, по его признанию, не смог этого доказать и, насколько я знаю, после него никто не доказал”. Эйлер пару лет подумал и показал, что уже при n = 5 число F(5) делится на 641:

.

Для получения этого результата Эйлеру пришлось испытать 160 делителей. Составными оказались и многие другие числа Ферма (при n =6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, 16, 18, 23, 36, 38, 73). Наибольшее из известных в настоящий момент составных чисел Ферма F(452) состоит из 10135 цифр и делится на 27×2455+1 ( показано с помощью ЭВМ). Справедливости ради следует подчеркнуть, что Ферма, считая числа F(n) простыми, никогда не утверждал, что располагает доказательством этого факта. С другой стороны к настоящему времени известно столько же простых чисел Ферма, сколько из знали во времена Ферма, а именно: 3, 5, 17, 257, 65537.

Итак, Ферма ошибался. Его формула производила в основном составные, а не простые числа. Однако, идея “генерирования” простых чисел была воспринята с энтузиазмом. Все тот же отнюдь не легкомысленный Эйлер предложил многочлен x2-x+41, который при всех целых x от 0 до 40 дает только простые числа. Эйлер не поленился проделать эти вычисления, хотя прекрасно знал, что многочлен с целыми коэффициентами не может при всех натуральных значениях аргумента принимать только простые значения. Сегодня, несмотря на усилия сотен профессионалов и тысяч дилетантов, мы по-прежнему не умеем вычислять сколь угодно большие простые числа, хотя знаем массу нюансов об их распределении. Один из самых ярких результатов этой области принадлежит академику Пафнутию Львовичу Чебышеву (1850) : число простых чисел не превосходящих n приблизительно равно при n ® ¥ .

Ферма ошибся, но Ферма был бы не Ферма, если бы позволил хоть одной своей теореме бесславно кануть в лету. “Проклятые числа как оборотни” вылезали в самых далеких от теории чисел исследованиях. В 1796 г. 19-летний студент Геттингенского университета Карл Фридрих Гаусс произвел сенсацию, доказав теорему: правильный многоугольник может быть построен с помощью циркуля и линейки тогда и только тогда, когда число его сторон равно 2ap1p2 .pb , где все простые числа pi являются числами Ферма, т. е. имеют вид . То была месть Ферма спесивым геометрам. Теорема Гаусса подвела черту под многовековыми спорами относительно возможности построения правильных многоугольников и сэкономила массу времени любителям математики. Из этой теоремы следует, что можно построить правильные 3-, 5-, 17-, 257-, 65537- и другие многоугольники и нельзя построить, например, правильные 7-, 11-, 13- угольники. Для неверующих Гаусс не поленился построить правильный 17-угольник.

Занимаясь тайнами простых чисел Ферма сформулировал много положений о представимости чисел квадратичными формами. Например, он обнаружил следующие удивительно простые и глубокие закономерности:

1. Формой x2+y2 представимы все простые числа, которые лежат в прогрессии 4n+1 , причем каждое из них представимо этой формой единственным образом. Ни одно простое число из прогрессии 4n+3 не представимо суммою двух квадратов.

2. Формой x2+2y2 представимы все простые числа, лежащие в прогрессиях 8n+1 и 8n+3. Ни одно простое число из прогрессий 8n+5 и 8n+7 не представимо в виде x2+2y2 .

3. Формой x2-2y2 представимы все простые числа, лежащие в прогрессиях 8n+1 и 8n+7. Ни одно простое число из прогрессий 8n+5 и 8n+3 не представимо в виде x2-2y2 .

4. Формами x2+3y2 и x2+xy+y2 представимы все простые числа, лежащие в прогрессии 3n+1. Ни одно простое число из прогрессии 3n+2 не представимо указанными формами.

Ферма оставил крайне мало пояснений, дающих возможность установить, как ему удалось получить эти в высшей степени общие результаты. Лишь перед смертью в письме к де Каркави Ферма частично обосновал положение (1) с помощью своего метода бесконечного спуска. Можно лишь пожалеть современников Ферма, которые регулярно получали вариации на тему утверждений (1) - (4) в качестве задач. Первые полные доказательства этих утверждений удалось получить лишь Эйлеру. Попутно он сформулировал очень важную теорему о делимости - так называемой квадратичный закон взаимности, доказательство которого дал Гаусс. Через увлечение квадратичными формами прошли Лагранж, Лежандр, Чебышев, а в наше век - Вейль, Артин и многие другие блестящие математики. Как всегда идеи Ферма оказались чрезвычайно плодотворны в смысле построения далеко идущих обобщений и формирования новых понятий. Добрая половина терминов современной абстрактной алгебры возникла из попыток доказать утверждения Ферма.

Один из важнейших результатов Ферма получил специальное название “Малая теорема Ферма”. Это фундаментальный факт теории делимости на простые числа: для любого простого p и любого a³1, которое не делится на p, разность ap -1-1 делится на p. Например, пусть a=5,

p=2, 3, 7, 11. Тогда 52-1-1=2×2, 53-1-1=3×8, 57-1-1=7×2232, 511-1-1=11×8878 . Ферма высказал эту теорему в письме Френиклю де Бесси в 1640 г. с обычным для него замечанием: “ . я бы Вам прислал доказательство, если бы не опасался быть слишком длинным”.

Первое доказательство “Малой теоремы Ферма” дал Лейбниц. Затем Эйлер, начиная с 1736 г., публикует сразу три различных доказательства, которые показывают, что Ферма вполне мог уметь доказывать свою теорему. Потомки часто искали элементарные доказательства утверждений Ферма, пытаясь понять насколько лукавил великий тулузец. Проблемы Ферма волновали Эйлера на протяжении всей жизни. В 1760 г. он получил существенное обобщение его “Малой теоремы”: пусть j(m) - число натуральных чисел, не превосходящих m и взаимно простых с m . Тогда для любого m и любого a³1, взаимно простого с m, разность aj(m)-1 делится на m. Эту терему Эйлер скромно опубликовал в качестве четвертого доказательства “Малой теоремы Ферма”