Fermatov zadnji stavek: definicija, zgodovina in dokaz (1995)

Fermatov zadnji stavek je ena najbolj znanih trditev v matematiki. Pravi, da:

Če je n celo število, večje od 2 (npr. 3, 4, 5, 6 ...), potem: enačba

x n + y n = z n {\displaystyle x^{n}+y^{n}=z^{n}}

nima rešitve, če so x, y in z naravna števila (pozitivna cela števila, razen 0, npr. 1, 2, 3 ...). To pomeni, da ne obstajajo pozitivna cela števila x, y in z, za katera bi bila enačba resnična, kadar je n celo število večje od 2.

Kratek primer in opozorilo

Za n = 2 poznamo brezštevilne rešitve (Pitagorovi trojčki), na primer 3^2 + 4^2 = 5^2. Fermatov zadnji stavek pa pravi, da za višje eksponente (n ≥ 3) takega primera ni.

Zgodovina in poskusi dokaza

Pierre de Fermat je leta 1637 v marginah knjige Arithmetica zapisal znano opombo: "Imam dokaz tega izreka, vendar na tem robu ni dovolj prostora." Ta kratka pripomba je spodbudila stoletja prizadevanj matematikov za popoln dokaz. Verjetno Fermat ni imel pravilnega dokaza za splošni primer; vendar je znano, da je sam dokazal primer n = 4 z metodo neskončne spustitve (infinite descent).

V nadaljnjih stoletjih so posamezne primere dokazovali drugi matematični velikani:

• Euler je v 18. stoletju dal dokaz za n = 3.
• 19. in začetek 20. stoletja: Sophie Germain, Legendre, Dirichlet in drugi so obravnavali številne posamezne primere in razvili pomembne metode.
• Ernst Kummer je v 19. stoletju napredoval s teorijo idealov in s tem obravnaval vse primske eksponente, za katere v ustreznem krogu števil velja lastnost edinstvene faktorizacije (to je odprlo pot razumevanju problema v smislu algebrskih številskih teles).

Pot do popolnega dokaza (Frey, Ribet, Wiles, Taylor)

Ključni preobrat se je zgodil v 1980-ih: Jean-Pierre Serre in Gerhard Frey sta predlagala povezavo med morebitnim rešitvenim trojcem (x, y, z) za Fermatovo enačbo in posebno eliptično krivuljo (danes imenovano Freyjeva krivulja). Ken Ribet je dokazal, da bi obstoj takšne rešitve pomenil kršitev določene oblike modularnosti — to je znano kot Ribetov izrek. Tako se je vprašanje Fermatovega zadnjega stavka preoblikovalo v vprašanje o modularnosti eliptičnih krivulj.

Andrew Wiles je v začetku 1990-ih delal na dokazovanju modularnosti za posebno razred eliptičnih krivulj, imenovanih semistabilne krivulje. Leta 1993 je Wiles predstavil dokaz, pri katerem je bil najden manjši tehnični manko. Wiles je skupaj z Richardom Taylorm odpravil to težavo, in končna, popravljena različica dokaza je bila objavljena leta 1995. Ta dokaz, ki temelji na Taniyama–Shimura–Weilovi (modularnosti) domnevi za semistabilne eliptične krivulje in na delu Freyja in Ribeta, je dokončno potrdil Fermatov zadnji stavek.

Kaj pomeni "dokaz" Wilesa v kratkem

Navadno poenostavljeno razlago sestavljajo naslednji koraki:

• Frey je pokazal, da bi morebitna ne-trivialna rešitev enačbe x^n + y^n = z^n vodila do posebne eliptične krivulje z nenavadnimi lastnostmi.
• Ribet je dokazal, da taka Freyjeva krivulja ne bi bila modularna, če bi rešitev obstajala.
• Wiles je (za semistabilne eliptične krivulje) dokazal modularnost; to pomeni, da Freyjeva krivulja mora biti modularna, kar je v nasprotju z Ribetovim rezultatom. Protislovje dokazuje, da začetna rešitev ne more obstajati.

Zaključek in pomen

Fermatov zadnji stavek je s tem postal dokazan in velja kot eden najbolj znanih rezultatov matematične zgodovine. Dokaz Andrewa Wilesa ni kratek ali elementaren; povezuje globoke veje moderne matematike — teorijo eliptičnih krivulj, modularne oblike in aritmetične lastnosti številskih polj. Večina zgodovinarjev matematike se strinja, da Fermat verjetno ni imel pravilnega dokaza za splošni primer, čeprav je morda verjel, da ga ima.

Za lažje razumevanje: Fermatova opažanja in poskusi dokazov so spodbudili razvoj novih matematičnih področij in številnih pomembnih teorij, ki imajo danes koristi onkraj samega izreka.

Dokaz

Dokaz je bil narejen za nekatere vrednosti n (npr. n=3, n=4, n=5 in n=7). Fermat, Euler, Sophie Germain in drugi so to naredili.

Vendar pa je treba v popolnem dokazu pokazati, da enačba nima rešitve za vse vrednosti n (kadar je n celo število, večje od 2). Dokaz je bilo zelo težko najti, za rešitev Fermatovega zadnjega stavka pa smo potrebovali veliko časa.

Angleški matematik Andrew Wiles je rešitev našel leta 1995, 358 let po tem, ko je o njej pisal Fermat. Pri iskanju rešitve mu je pomagal Richard Taylor^[]. Dokaz je bil potreben osem let raziskovanja. Izrek je dokazal tako, da je najprej dokazal izrek o modularnosti, ki se je takrat imenoval Taniyama-Shimurova domneva. S pomočjo Ribetovega izreka je lahko podal dokaz za Fermatov zadnji izrek. Junija 1997 je prejel Wolfskehlovo nagrado Akademije v Göttingenu: znašala je približno 50.000 ameriških dolarjev.

Po nekaj letih razprav so se ljudje strinjali, da je Andrew Wiles rešil težavo. Andrew Wiles je pri iskanju rešitve uporabil veliko sodobne matematike in celo ustvaril novo matematiko. Ko je Fermat napisal svoj slavni zapis, te matematike niso poznali, zato je Fermat ni mogel uporabiti. Zato lahko domnevamo, da Fermat v resnici ni imel popolne rešitve problema.

Britanski matematik Andrew Wiles

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Fermatov zadnji teorem?

V: Kdaj je bil napisan FLT?

V: Kaj je Fermat povedal o izreku?

V: Koliko časa je trajalo, da je bil dokazan FLT?

V: Ali matematiki menijo, da je imel Fermat dejanski dokaz izreka?

V: Kaj navaja izvirni problem?

Išči po črki