Math Labs

解法:怀尔斯利用泰勒–怀尔斯方法给出的模性证明(1994年)

第 1/11 步:费马大定理的陈述与向素数指数 p≥5p \ge 5 的归约
通俗地说

对于平方情形,32+42=523^2 + 4^2 = 5^2 有无穷多组整数解,即熟悉的毕达哥拉斯三元组。费马在1637年断言,一旦指数升至 3,4,53, 4, 5 或更高,就不再存在任何正整数解。

与其逐个检验无穷多个指数,只需一个简单的幂次重组就能看出:复合指数的任何反例都会自动给出 n=4n = 4 或某个奇素数 pp 的反例。由于费马本人解决了 n=4n = 4,莱昂哈德·欧拉解决了 p=3p = 3,这个跨越350年的难题就完全归约为奇素数 p≥5p \ge 5 的情形。

xn+yn=zn  (n≥3)  ⟺  ap+bp=cp  (p≥5 prime, gcd⁡(a,b,c)=1)x^n + y^n = z^n \; (n \ge 3) \iff a^p + b^p = c^p \; (p \ge 5 \text{ prime},\, \gcd(a,b,c)=1)
指数归约树把四次幂情形与奇素数指数分开。
详细分析

费马大定理断言:当 n≥3n \ge 3 时,方程 xn+yn=znx^n + y^n = z^n 没有非零整数解。反证法证明从一个纯初等的规范化开始:只需排除指数 n=4n = 4 和奇素数 p≥5p \ge 5,且可以取解为两两互素(Wiles 1995,第443页)。

事实上,每个整数 n>2n > 2 都能被 44 或某个奇素数 pp 整除。写成 n=4mn = 4m 或 n=pmn = pm,一个假想的解 xn+yn=znx^n + y^n = z^n 可改写为 (xm)4+(ym)4=(zm)4(x^m)^4 + (y^m)^4 = (z^m)^4 或 (xm)p+(ym)p=(zm)p(x^m)^p + (y^m)^p = (z^m)^p,因此任何反例都能转移到这些指数之一。费马在1660年前后以无穷递降法解决了 n=4n = 4 —— 假想解会产生一个严格更小的解,与正整数的良序性矛盾 —— 欧拉在1770年前以 Z[−3]\mathbb{Z}[\sqrt{-3}] 中的递降法解决了 p=3p = 3(其中一处缺口后来由勒让德补上)。互素条件不费分文:任何整除 a,b,ca, b, c 中两个数的素数 qq 必整除第三个,因此将三元组除以 gcd⁡(a,b,c)p\gcd(a,b,c)^p 即得同一方程的一个两两互素解。

剩下的数据 —— 一个素数 p≥5p \ge 5 和满足 ap+bp=cpa^p + b^p = c^p 的两两互素非零整数 a,b,ca, b, c —— 正是第2步弗雷构造所需的输入:条件 p≥5p \ge 5 在引用关于 ρ‾E,p\overline{\rho}_{E,p} 的塞尔不可约定理时至关重要,而互素性正是把第3步的判别式计算逼入其刚性 2p2p 次幂形态的因素。

本步骤中的术语
两两互素的整数
如果整数 a,b,ca, b, c 中任意两个都没有公共素因子(gcd⁡(a,b)=gcd⁡(b,c)=gcd⁡(a,c)=1\gcd(a,b) = \gcd(b,c) = \gcd(a,c) = 1),则称它们两两互素。在 ap+bp=cpa^p + b^p = c^p 中,任意两项共有的素因子必然整除第三项,因此约去公因子后总能得到两两互素的三元组。
无穷递降法
费马发明的一种证明方法:从假想存在的正整数解出发,构造出一个严格更小的正整数解。由于正整数不可能无限递减,最初的解根本不可能存在。
本步骤用到的知识