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解開「費馬最後定理」的懷爾斯—《科學月刊》

作者|李武炎/曾任教於淡江大學數學系,現為《科學月刊》編輯委員。

今年素有「數學諾貝爾獎」的阿貝爾獎由美國牛津大學皇家協會講座教授懷爾斯(Andrew Wiles)獲得,推薦文中指出,為了表彰他利用半穩定橢圓曲線的模猜想推出「費馬最後定理」的震憾證明,對數論的發展開啟一個新的世代,獎項已於今(2016)年 5 月 24 日在挪威首都奧斯陸頒發。

懷爾斯

懷爾斯。圖/wiki

英年早逝的天才數學家阿貝爾

阿貝爾(Niels Henrik Abel,1802~1829)是挪威歷史上一位非常著名的數學家,他在很年輕的時候就已經研習大數學家歐拉、拉格朗治、拉普拉斯及高斯等人的著作。19 歲時,他解決了困惑數學界 200 年的老問題:一般 5 次方程式根的公式解是不存在的,如此非凡的表現奠定他在歷史上的地位。另外他在超越函數上的研究,對橢圓函數理論起了革命性的影響。阿貝爾生前非常貧困,18 歲時就肩負起照顧家中 6 個弟妹的重責,後來不幸罹患肺結核,因為無法得到良好的調養, 很可惜在 1829 年 4 月 6 日以 26 歲的年紀辭世,實在是英年早逝,死後兩天,數學家克雷勒(August Leopold Crelle) 攜來柏林欲聘請他擔任教授的聘書,但已經來不及了。後來數學界為了紀念他,特別將抽象代數學中的一個結構交換群命名為「阿貝爾群(abelian group)」,以他為名的專有名詞已經被普通化了,是為了更能彰顯他的偉大。

挪威政府一直有設立紀念阿貝爾的獎項的念頭,這是要彌補諾貝爾獎沒有數學項目的遺憾,但這個獎項的成立一直要等到西元 2002 年阿貝爾 200 歲誕辰方才實現。2002 年阿貝爾獎開始頒發,而第一屆的得主便是法國數學家,同時是數學界大老的謝爾(Jean-Pierre Serre)。去年 2015 年的得主是電影《美麗境界》戲中的主人翁約翰納許,但去年 5 月 19 日納許夫婦領取阿貝爾獎返家途中不幸發生車禍遇難,曾造成新聞界一陣報導。觀察阿貝爾獎的歷屆得主,都是當代數學的翹楚, 而且大都是年高德劭著作等身的數學圈耆老,懷爾斯雖屬壯年,但因為他解決「費馬最後定理」這個世紀難題, 名氣實在太大了,因此阿貝爾獎的評審委員會決定頒授 2016 年的獎給他。有人說這是遲來的獎項,因為自從 20 幾年前懷爾斯證出這個劃時代的問題後,已經得獎無數,幾乎全世界所有的數學獎都被他囊括,其中包括著名的沃爾夫數學獎(1995 年)、沃爾夫斯克爾獎(1997 年)以及邵逸夫獎(2005 年)等,今年添上阿貝爾獎無疑是在懷爾斯的功勛簿上貼滿最後一塊拼圖。值得一提的是,當年懷爾斯解決費馬最後定理時已經年過 40, 無緣獲得數學界的費爾茲獎章(Fields Medal)。

 費馬最後定理

「費馬最後定理」是個一般人都可以明瞭的題目, 並不需要具備很深的數學背景才能理解──探討方程式: xn+yn=zn 的正整數解。當 n = 2 時, 讓我們想到熟知的畢氏定理(又稱勾股弦定理),此處 z 代表一個直角三角形的斜邊長,x 與 y 則為此三角形之兩股的長,也就是說一個直角三角形的斜邊長的平方等於它的兩股長之平方和。 這個方程式當然有許多正整數解,例如:x = 3,y = 4,z = 5;x = 6,y = 8,z = 10;x = 5,y = 12, z = 13 ⋯⋯等等。費馬聲稱當 n ≥ 3 為正整數時, 就不存在非零的整數解

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費馬最後定理中 n=2 時的 a2+b2=c也就是一般所熟知的畢氏定理。圖/wiki

數學業餘王子─費馬

費馬(Pierre de Fermat,1601~1665)是一位留著長髮,穿著中古世紀歐洲袍的法國數學家。他是 17 世紀最卓越的數學家之一,在許多數學領域都有極大的貢獻,例如:他在笛卡兒之前發明解析幾何,也在微積分的發展有所建樹,他與巴斯卡被公認是機率論的先驅, 然而他在數論上的研究成果最為後人所記得。他的本行是專業的律師,數學只是他的愛好,而他所作的數學作品都是第一等的工作,為了表彰他的數學造詣,世人冠以「業餘王子」的美譽。在 1637 年的某一天,費馬正在閱讀一本古希臘時代數學家丟番圖(Diophantus) 的數論書《算術學》(Arithmetica)時,突然心血來潮在書頁的空白處寫下這個看似簡單的定理:當 n ≥ 3 為正整數時, 沒有非零的整數解。

Pierre_de_Fermat

費馬。

當時費馬並沒有說明原因,不過他留下這一段話:「我已經發現一個非常美妙的證明,只是書頁的空白處太小無法寫下來。」,始作俑者的費馬也因此留下了這個千古的難題,300 多年來無數的數學家嘗試要求解決這個難題都徒勞無功,這個號稱「世紀難題」的「費馬最後定理」也就成了數學界的心頭大患,極欲解之而後快。19 世紀時法國的法蘭西學院曾二度懸賞金質獎章及 300 法郎給任何解決此一難題之人,可惜都沒有人能夠領到獎賞。德國的一位工業家沃爾夫斯克爾(Paul Wolfskehl,1856~1906)對「費馬最後定理」情有獨鍾,他死後,根據其遺囑遺贈 10 萬馬克(約合 5000 萬新臺幣),頒給能夠證明「費馬最後定理」是正確的人。

Diophantus-II-8-Fermat

在戴奧弗多斯(Diophantus)的《算數》(Arithmetica)1680年的版本中,出現了費馬最後定理。

這個獎在 1908 年設立,有效期間為 100 年,懷爾斯在 1997 年領到這個獎時,獎金只有約 150 萬新臺幣, 原因是這段期間世界曾發生經濟大蕭條,此筆獎額已大幅貶值了。當年沃爾夫斯克爾獎一宣布時,確實吸引不少「數學癡」去從事這個問題,而社會上也掀起了一股瘋「FLT(Fermat’s Last theorem)熱」。20 世紀電腦發展以後,許多數學家利用電腦計算可以證明這個定理當 n 很大時是成立的,1983 年電腦專家斯洛文斯基借助電腦運行 5782 秒證明當 n 為286243-1 時「費馬最後定理」是正確的,286243-1是一個天文數字, 大約有 25960 位數。雖然如此,數學家還是沒有找到一個普遍性的證明。不過這個三百多年的數學懸案終於解決了,由當時在美國普林斯頓大學數學系任教的英國數學家懷爾斯教授提出證明,其實他是利用 20 世紀過去 30 年來代數幾何發展的結果加以運用並解決的。

追求數學聖杯的懷爾斯

1993 年的 6 月 21~23 日,懷爾斯在英國劍橋大學所舉辦的研討會發表這個結果,這個報告馬上震驚了數學界甚至於一般社會大眾,懷爾斯證出費馬最後定理的消息在 1993 年的 6 月 24 日登上了《紐約時報》、《美國國家廣播公司》等重要媒體的頭條。一個數學證明能讓新聞媒體如此青睞,可謂空前絕後,原因正如前面所言,這是一個能被一般民眾所能明白的數學問題,並不需具備很強的數學專業知識。其實數論中有很多問題都與費馬最後定理一樣,敘述都很淺顯易懂,內容也很吸引人去思考,可是證明起來都很難。懷爾斯在 1993 年發表的論文報告經過數學界審慎檢查後,卻發現了極大的瑕疵,後來懷爾斯與他的學生嘗試加以補救,終於在 1994 年 9 月修正成功,並且在 1995 年將修正後的論文發表在《數學年刊》(Annals of Mathematics)上。

偉大的集體成就

「費馬最後定理」的最終解決其實要歸功於無數數學家的努力,最早在 1950 年代,日本數學家谷山豐首先提出一個有關橢圓曲線的猜想,即二元三次方程式 y2=x3+ax2+bx+c 定義的圖形,其中 abc 為有理數,它不是橢圓,而是因為當初數學家想計算橢圓的周長而產生的名詞。後來由另一位日本數學家志村五郎加以發揚光大,提出谷山 – 志村猜想:每一個橢圓曲線都具有一種模形式(modularity pattern), 這個名詞與高等數學複變函數論有關,在此就不擬加以解釋。當時沒有人認為這個猜想與「費馬最後定理」有任何關聯,直到 1980 年代,德國數學家佛列(Gerhard Frey)才將這個猜想與「費馬最後定理」掛勾。若對奇質數p而言, ap+bp+c有異於零的整數解,則佛列建議考慮橢圓曲線 y2=x(x+ap)(x-bp),此曲線後來被稱為佛列曲線, 因為他覺得此橢圓曲線的判別式 a2pb2p(ap+bp)2=(abc)2p 呈現出一點不太尋常,因此他懷疑這個橢圓曲線不具模形式,所以只要能證明谷山 – 志村猜想就等於證明了「費馬最後定理」。

佛列的猜想後來被法國數學家謝爾加以改良,並且在 1986 年由數學家里貝特(Ken Ribet)證明從 ap+bp=cp 所得的佛列曲線違反模形式。根據里貝特的這個啟發,懷爾斯就全力去從事谷山 志村猜想的證明,至少要證明絕大部分的橢圓曲線都具有模形式。最後他證明了任何半穩定(semistable)橢圓曲線都具有模形式,而佛列曲線就是一個半穩定橢圓曲線,因此證明 ap+bp=cp 之非零整數解是不存在,從而證明了「費馬最後定理」。這裡要提一點,「費馬最後定理」是說對任何大於 2 的整數 n 而言,an+bn=cn 沒有非零的整數解,其實就是要證明對 n = 4 及任意奇質數(3、5、7⋯)均成立即可,因為對任何大於 2 的整數 nn 必有 4 或奇質數的因數,而當 n = 4 時,費馬曾經給予證明(用數論的技巧就可以證出),因此只需考慮 而 p 為奇質數即可。

「費馬最後定理」的證明成功並非僅靠一人之力便能解決,雖然懷爾斯完成了封頂之作,但如同前面所提到的谷山豐、志村五郎、佛列及里貝特都是功臣;自古以來,很多數學理論的形成都是從一些猜想或假設開始,激發數學家的興趣,為了尋求問題的解決,不斷努力發展新的數學技巧,也豐富了數學的內涵,而這些建樹都是歷史上的數學家前仆後繼研究所得的成果,我們可以說:數學演進就是團隊合作的結晶


科學月刊

 

 

〈本文選自《科學月刊》2016 年 7月號〉

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