选修课之费马大定理课件.ppt
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1、业业余余数学家之王数学家之王 费马费马(FermatFermat,16011665),16011665),法国数学家,法国数学家,他非常喜欢数他非常喜欢数学,常常利用学,常常利用业余业余时间研究时间研究高深的数学问题,结果取得高深的数学问题,结果取得了很大的成就,被人称為了很大的成就,被人称為“业余业余数学家之王数学家之王”费马费马凭借凭借丰富的想像力和深丰富的想像力和深刻的洞察力,提出一系列重刻的洞察力,提出一系列重要的数学猜想要的数学猜想费马小猜想费马小猜想 16401640年,年,费尔马在费尔马在研究质数性质研究质数性质时,时,发现了一发现了一个有趣的现象:个有趣的现象:当当n=1时时,
2、22n+1=221+1=5;当当n=2时时,22n+1=222+1=17;当当n=3时时,22n+1=223+1=257;当当n=4时时,22n+1=224+1=65537;猜测:只要猜测:只要n n是自然数,是自然数,22n+1一定是质数一定是质数 17321732年,欧拉进行了否定年,欧拉进行了否定 费马小定理费马小定理 如果如果P P是一个质数,那么对于任何自然数是一个质数,那么对于任何自然数n n,n nP P-n-n一定能够被一定能够被P P整除整除 这个猜想已证明是正确的,这个猜想被这个猜想已证明是正确的,这个猜想被称为称为“费马小定理费马小定理”利用费马小定理,是目前最有效的鉴定
3、利用费马小定理,是目前最有效的鉴定质数的方法质数的方法 费马大定理费马大定理 16371637年前后,费马在年前后,费马在算术算术这本书的这本书的靠近问题靠近问题8 8的页边处记下这样一个结论的页边处记下这样一个结论(现在的写法):(现在的写法):同时又写下一个附加的评注:同时又写下一个附加的评注:“对于该对于该命题,我确信已发现一种奇妙的证明,命题,我确信已发现一种奇妙的证明,可惜这里的空白太小,写不下可惜这里的空白太小,写不下”因因为为费马曾经提出过的命题,都已经被证费马曾经提出过的命题,都已经被证实或否定,实或否定,只只剩下这一题,未能获证。剩下这一题,未能获证。费马提出这命题后三十年才
4、去世,费马提出这命题后三十年才去世,为什么为什么会会把把这这个个命题做命题做“费马费马最后定理最后定理”呢?呢?一个问题一个问题 Pierre de Fermat1601-1665Cubem autem in duos cubos,aut quadratoquadratum in duos quadratoquadratos,et generaliter nullam in infinitum ultra quadratum potestatem in duos eiusdem nominis fas est dividere;Cuius rei demonstrationem mirabil
5、em sane detex hanc marginis exiguitas non caparet.对于该命题,我确信已发现一种奇妙的证对于该命题,我确信已发现一种奇妙的证明,可惜这里的空白太小,写不下。明,可惜这里的空白太小,写不下。不可能将一个立方数写成两个立方数之和;或者不可能将一个立方数写成两个立方数之和;或者将一个四次幂与成两个四次幂之和;或者,一般将一个四次幂与成两个四次幂之和;或者,一般地,不可能将一个高于地,不可能将一个高于2 2次的幂写成两个同样次次的幂写成两个同样次幂的和。幂的和。xn+yn=zn,(n 2)无整数解无整数解(1637年)年)这是真的这是真的(1995年)年
6、)古希腊古希腊,丢番图丢番图算术算术第第IIII卷第八命题:卷第八命题:“将一个平方数分为两个平方数将一个平方数分为两个平方数”即即求方程求方程x x2 2+y+y2 2=z=z2 2 的正整数解的正整数解 上帝恩赐他生命的上帝恩赐他生命的1/61/6为童年;再过生命的为童年;再过生命的1/121/12,他双颊长出了胡子;再过他双颊长出了胡子;再过1/71/7后他举行了婚礼;后他举行了婚礼;婚后婚后5 5年他有了一个儿子。不幸的孩子只活到父年他有了一个儿子。不幸的孩子只活到父亲生命的一半年龄;他以研究数论寄托自己的哀亲生命的一半年龄;他以研究数论寄托自己的哀思,思,4 4年之后亦撒手人寰。年之
7、后亦撒手人寰。丢番图的墓志铭丢番图的墓志铭42157112161 LLLLLL=84Diophantus of Alexandria B.C150-A.D.364不定方程不定方程:是指末知数个数多于方程个数的代数是指末知数个数多于方程个数的代数方程或代数方程组。方程或代数方程组。Pythagoras of SamosB.C.572 B.C.497毕毕达哥拉斯定理:达哥拉斯定理:在直角三角形中,斜边的平方等于两直角边的在直角三角形中,斜边的平方等于两直角边的平方之和。平方之和。x2+y2=z2 万物皆数万物皆数附加的评注:附加的评注:“我有一个对这个命题的十分美妙的证明,这里我有一个对这个命题的
8、十分美妙的证明,这里空白太小,写不下。空白太小,写不下。”不可能将一个立方数写成两个立方数之和;或者不可能将一个立方数写成两个立方数之和;或者将一个四次幂与成两个四次幂之和;或者,一般将一个四次幂与成两个四次幂之和;或者,一般地,不可能将一个高于地,不可能将一个高于2 2次的幂写成两个同样次次的幂写成两个同样次幂的和。幂的和。费马猜想及其证明费马猜想及其证明 n=4=4的证明的证明v费马在给朋友的信中,曾经提及他已证费马在给朋友的信中,曾经提及他已证明了明了 n=4 的情况。但没有写出详细的证的情况。但没有写出详细的证明步骤明步骤v1674 年,贝西在少量提示下,给出这个年,贝西在少量提示下,
9、给出这个情形的证明情形的证明v证明步骤主要使用了证明步骤主要使用了“无穷递降法无穷递降法”无穷递降法:无穷递降法:假设某结论对于某正整数成立,那么,可假设某结论对于某正整数成立,那么,可以求出或构造出更小的正整数使得该结论以求出或构造出更小的正整数使得该结论对于该更小整数也成立。对于该更小整数也成立。,无限地进,无限地进行下去,就可得到一个无穷正整数列,而行下去,就可得到一个无穷正整数列,而正整数是有限数,故假设不成立。正整数是有限数,故假设不成立。无穷递降法的精神一直到现在都在用,无穷递降法的精神一直到现在都在用,这就是这就是高度理论高度理论,或称,或称高度有限性理论高度有限性理论。(X1,
10、Y1,Z1)(X2,Y2,Z2)(Xk,Yk,Zk)再进一步再进一步欧拉欧拉17701770年提年提出出n=3n=3的的证证明明xn+yn=zn,当当n=3,4时无整数解时无整数解Leonhard Euler,1707-1783欧拉的策略:欧拉的策略:证明某结论证明某结论对于简单情对于简单情形成立,再形成立,再证明任何使证明任何使情形复杂化情形复杂化的操作都将的操作都将继续保持该继续保持该结论的正确结论的正确性。性。若若xk+yk=zk 无正整数解,无正整数解,则则xmk+ymk=zmk 也无正整数解。也无正整数解。为证明费马大定理对为证明费马大定理对n 的一切值成立,的一切值成立,我们仅仅需
11、要证明它在我们仅仅需要证明它在n 取素数值时成立。取素数值时成立。数学家们认为素数是最重要的数,因数学家们认为素数是最重要的数,因为它们是数学中的为它们是数学中的“原子原子”。素数是数的。素数是数的建筑材料,因为所有别的数都可以由若干建筑材料,因为所有别的数都可以由若干个素数相乘而得。个素数相乘而得。n n=5 =5 的的证明证明勒让德勒让德 Legendre(1752-1833)狄利克雷狄利克雷 Dirichlet(1805-1859)8法国人法国人81823 年,年,证明了证明了 n=58德国人德国人81828 年,年,独立证明了独立证明了 n=581832 年,年,解决了解决了 n=14
12、 的的情况情况索非索非 热尔曼热尔曼,法国数学法国数学家家热尔曼素数:热尔曼素数:使使2p+1 为为素数的那些素数素数的那些素数p 热尔曼定理:热尔曼定理:当当p和和2p+1皆为素数时皆为素数时xp+yp=zp无无整数解整数解热尔曼初步完成了热尔曼初步完成了 n=5的的证明证明新的方向新的方向Sophie Germain1770-1831n n=7 =7 的的证明证明拉梅拉梅 Gabriel Lam Gabriel Lam(1795(1795-1870)1870)8法国人法国人818391839年,年,证证明了明了n n=7=73月月1日,拉梅宣布他已证明了日,拉梅宣布他已证明了“费马最后定理
13、费马最后定理”:拉梅将拉梅将x n+y n分解成分解成(x+y)(x+y)(x+2y)(x+n-1y)其中其中=cos(2/n)+isin(2/n),即方程即方程 r n=1的复根的复根如果如果x n+y n=z n,那么拉梅认为每一个那么拉梅认为每一个(x+k y)都都会是会是n次幂乘以次幂乘以一个单位,从而可导出矛盾一个单位,从而可导出矛盾但是,拉梅的好友刘维尔但是,拉梅的好友刘维尔Liouville指出,拉梅的证明中有很大的漏洞指出,拉梅的证明中有很大的漏洞拉梅拉梅忽略了忽略了“唯一分解定理唯一分解定理”的考的考虑虑同时,柯西(同时,柯西(CauchyCauchy)亦宣布他早亦宣布他早已
14、取得已取得“费马最后定理费马最后定理”的初步证的初步证明明3 3月月2222日日,两人同时向巴黎科学院提出自己的证两人同时向巴黎科学院提出自己的证明。不过,对明。不过,对于于“唯一分解定理唯一分解定理”的问题,二的问题,二人都未能成功地解决。人都未能成功地解决。5 5月月2424日,德国数学家库麦尔发表了一封信,指日,德国数学家库麦尔发表了一封信,指出出“唯一分解定理唯一分解定理”的必要性,亦清楚地显示,的必要性,亦清楚地显示,拉梅和柯西的方法是行不通的,从而平息了二拉梅和柯西的方法是行不通的,从而平息了二人的争论。人的争论。“唯一分解定理唯一分解定理”在一般的整数中,每一个合成数都在一般的整
15、数中,每一个合成数都只只可能被分可能被分解成一种解成一种“质因数连乘式质因数连乘式”但在某些但在某些“复整数复整数”中,情况未必相同中,情况未必相同例如:例如:)51)(51(326-为互不相同的质数的复数中而在)51(),51(,3,2,5-ba唯一分解定理”的复整数,并不符合“换句话说,形如5-baErnst Kummer1810-1893 德国数学家德国数学家EE库莫尔库莫尔18471847年他证明了对于小于年他证明了对于小于100100的除了的除了3737,5959和和6767这这三个所谓非正规素数以外,三个所谓非正规素数以外,费尔玛大定理成立。费尔玛大定理成立。为了为了重建唯一分解定
16、理,库默重建唯一分解定理,库默尔在尔在1844-1847年间创立了年间创立了理想数理论。理想数理论。1857 年,库年,库麦尔获巴黎科学院颁发奖麦尔获巴黎科学院颁发奖金三千法郎金三千法郎突破性的进展突破性的进展分圆整数及理想数分圆整数及理想数 已知已知n n为一为一质数,假设质数,假设 =cos(2/n)+i sin(2/n),即即方程方程 r n=1 的的复数复数根,根,则称则称下面的数为下面的数为“分分圆圆整数整数”:a0+a1 +a2 2+an-1 n-1,其中其中 ai 为为整数整数。并非每一个分圆整数集合都满足并非每一个分圆整数集合都满足“唯一分解唯一分解定理定理”,但如果能够加入一
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