费马小定理-费马小定理内容

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原创，时间：2023-01-18 19:55:06

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• 1、费马小定理
• 2、费马小定理证明
• 3、费马小定理内容

1、费马小定理

设 为素数， 是任意整数且 ，则 。

先证明一个引理：设 为素数， 是任意整数且 ，则序列 与序列 在模 且忽略顺序的情况下相等。
从序列 中任取两个数 ，并假设有 ，即 。由 ，得到 。对 显然有 ，那么 。小于 且能被 整除的数只能是0，因此得到 ，也就是说，序列 中不存在两个元素在模 意义下相等，即序列 中所有元素在模 意义下都不相等。
序列 中各个元素模 只能获得序列 ，此时引理得证。
根据引理，有 。将方程两边分别累乘，得到：

与 互素，根据同余式的除法性质，费马小定理得证：

2、费马小定理证明

一、准传握诉析将备知识:
引理1.剩余系定理2
若a,b,c为任意3个整数，m为正整数，且(m,c)=1,则当ac≡bc(modm)时，有a≡b(modm)
证明:ac≡bc(mod m)可得ac–bc≡0(mod m)可得(a-b)c≡0(mod m)因为(m,c)=1即m,c互质，c可以约去，a–b≡0(mod m)可得a≡b(mod m)
引理2.剩余系定理5
若m为整数且m>1,a[1],a[2],a[3],a[4],…a[m]为m个整数，若在这m个数中任取2个整数对m不同余，则这m个整数对m课银入谁构成完全剩余系。
证明:构造m衡原造菜安线消的完全剩余系(0,1,2,…m-1)，所有的整数必善季然这些整数中的1个对模m同余。取r[1]=0,r[2]=1,r[3]弱举明己通空观土=2,r[4]=3,…r=i-1,1<i<=m。令(1):a[1]≡r[1输府步喜扬领袁力功](mod m),a[2]≡r[2](mod m),a≡r(mod m)(顺认乎游求善湖序可以不同),因为只有在这种情况下才能保证集合{a1,a2,a3,a4,…am}中的任意2个数不同余，否则必然有2个数同余。由式(1)自然得到集合{a1,a2,a3,a4,…am}对m构成完全剩余林厂货若急兵别急万行系。
引理3.剩余系定理7
设m是一个整数，且m>1，b是一个整数且(m,b)=1。如果a1,a2,a3,a4,…am是模m的一个完全剩余系，则ba[1],ba[2],ba[3],ba[4],…ba[m]也构成模m的一个完全剩余系。
证明:若存在2个整数ba和ba[j]同余即ba≡ba[j](mod m)，根据引理2则有a≡a[j](mod m)。根据完全剩余系的定义和引理4(完全剩余系中任意2个数之间不同余，易证明)可知这是不可能的，因此不存在2个整数ba和ba[j]同余。由引理5可知ba[1],ba[2],ba[3],ba[4],…ba[m]构成模m的一个完全剩余系械。
引理4.同余定理6
如果a成财本划新历,b,c,d是四个整数，且a≡b(mod m),c≡d(mod m),则有ac≡bd(mod m)
证明:由题设得ac≡bc(mod m),bc≡bd(mod m)，由模运算的传递性可得ac≡bc(mod m)
二、证明过程:
构造素数p的完全剩余系P={1,2,3,4…(p-1)}，因为(a,p)=1西减般换，由引理3可得A钢燃雨={a,2a,3a,4a,态极乱影旧宗众…(p-1)a}也是p的一个完全剩余系。令W=1*2*3*4…*(p-1)，显然W≡W(mod p)。令Y=a*2a*3a*4a*…(p-室衣1)a,因为{a,2a,帝同论3a,4a,…(p-1)a}是p的完全剩余系，由引理2以及引理4可得a*2a*3a*…(p-1)a≡1*2*3*…(p-1课输说)(mod p)即W*a^(p-1)≡W(modp)。易知(W,p)=1，由引理1可知a^(p-1)≡1(modp)

3、费马小定理内容

费马

费马（Pierre de Fermat，公元1601年—公元1665年）是十七世纪最伟大的数学家之一。

他对数学的贡献是多方面的，包括了微分学的概念，解析几何（他和笛卡儿可说是独立地发明解析几何，不过他是第一位把它应用到三维空间的人）和数论。尤其在数论方面，最为世人熟识的当然是费马最后定理（Fermat's Last Theorem），但其实还有很重要的费马小定理（Fermat's Little Theorem，加上“小”是用来分别费马大定理的），以及费马二平方数定理（Fermat's Two Squares Theorem），无限下降法和费马数等等，实在是多不胜数。

费马大定理 ，即：不可能有满足 xn＋yn＝zn ，n ＞2的正整数x、y、z、n存在。这命题他写在丢番图《算术》（ 拉丁文译本，1621）第 2卷的空白处：“……将一个高于二次的幂分成两个同次幂之和，这是不可能的。

费马小定理是数论中的一个定理。定理:(费马小定理) 当p是素数时,对於任意一个整数a不是p的倍数时,有以下的等式 ap-1≡1 (mod p)。
费马最后定理
当整数 n > 2 时,
方程 x n + y n = z n 无正整数解.
勾股定理及勾股数组
勾股定理 在 ABC 中,若 C 为直角,则 a2 + b2 = c2.
留意:32 + 42 = 52; 52 + 122 = 132;
82 + 152 = 172; 72 + 242 = 252; ……等等
即 (3 , 4 , 5),(5 , 12 , 13) … 等等为方程
x 2 + y 2 = z 2 的正整数解.
我们称以上的整数解为「勾股数组」.


费马大定理（fermat's last theorem）
现代表述为：当n＞2时，方程

xn＋yn＝zn

没有正整数解。

费马大定理的提出涉及到两位相隔1400年的数学家，一位是古希腊的丢番图，一位是法国的费马。

丢番图活动于公元250年左右，他以著作《算术》闻名于世，不定方程研究是他的主要成就之一。他求解了他这样表述的不定方程（《算术》第2卷第8题）：

将一个已知的平方数分为两个平方数。 （1）

现在人们常把这一表述视为求出不定方程

x2＋y2＝z2 （2）

的正整数解。因而，现在一般地，对于整系数的不定方程，如果只要求整数解，就把这类方程称为丢番图方程。有时把不定方程称为丢番图方程。

关于二次不定方程（1）的求解问题解决后，一个自然的想法是问未知数指数增大时会怎么样。费马提出了这一数学问题。

费马生前很少发表作品，一些数学成果常写在他给朋友的信中，有的见解就写在所读的书页的空白处。他去世后，才由后人收集整理出版。

1637年前后，费马在读巴歇校订注释的丢番图的《算术》第2卷第8题，即前引表述（1）时，在书的空白处写道：“另一方面，将一个立方数分成两个立方数，一个四次幂分为两个四次幂，或者一般地将一个高于二次的幂分为两个同次的幂，这是不可能的。关于此，我已发现一种美妙的证法，可惜这里空白的地方太小，写不下。” （3）

费马去世后，人们在整理他的遗物时发现了这一段话，却没有找到证明，这更引起了数学界的兴趣。

后来，表述（3）被理解为：当整数n＞2时，方程

xn＋yn＝zn （4）

没有正整数解。

欧拉、勒让德、高斯等大数学家都试证过这一命题，但都没有证明出来，问题表述的简单和证明的困难，吸引了更多的人投入证明工作。

这一命题就被称为费马猜想，又叫做费马问题，但更多地被叫做“费马最后定理”，在我国，则一般称之为费马大定理。

“费马最后定理”的来历可能是：费马一生提出过许多数论命题，后来经过数学界的不懈努力，到1840年前后，除了一个被反驳以外，大多数都被证明，只剩下这个费马猜想没有被证明，因此称之为“最后定理”。

称之为费马大定理是为了和“费马小定理”相区别，后者也是数论中的一个著名定理：设p为素数，而a与p互素，则ap -a必为p的倍数。

从费马的时代起，人们就不断进行费马大定理的试证工作。巴黎科学院曾先后两次提供奖章和奖金，奖励证明费马大定理的人，布鲁塞尔科学院也悬赏重金，但都无结果。1908年，德国数学家佛尔夫斯克尔（f．wolfskehl）将10万马克赠给格丁根皇家科学会，用以奖励证明费马大定理的人，悬赏期100年。

人们先对费马大定理作了一些探讨，得出只要证明n＝4时以及n是任一奇素数p时定理成立，定理就得证。这为后来的证明指出了方向。

最初的证明是一个数一个数地进行的。

n＝3的情形在公元972年已为阿拉伯人胡坚迪（al-khujandi）所知，但他的证明有缺陷。1770年欧拉给出一个证明，但也不完善。后来，高斯给出完善的证明。

n＝4的情形，费马本人已接近得出证明（见无穷递降法），后来欧拉等人给出了新证。

n＝5的情形，1823年和1826年勒让德和狄利克雷各自独立地给出证明。1832年后者还证明了n＝14的情形。

n＝7的情形，1839年为拉梅（lame）所证明。

后来，人们为研究的方便，对费马大定理作了进一步的分析。对于素数p，当p不能整除xyz之积时，不定方程

xp＋yp＝zp （5）

无正整数解（p＞2），称之为费马大定理的第一种情形，这种情形似乎容易证一些。

法国数学家热尔曼证明：如果p是一个奇素数，使得2p＋1也是素数，那么对于p，费马大定理的第一种情形成立；勒让德推广了热尔曼的结果，证明：如果p是素数，使4p＋1，8p＋1，l0p＋1，14p＋1，16p＋1之一也是素数，则对于p，费马大定理的第一种情形成立。这实际上已经证明了对于所有素数p＜l00，费马大定理的第一种情形成立。

德国数学家库默尔则从另一个角度分析了费马大定理，他引入理想数和分圆数，开创理想数论，他把素数分为正则素数和非正则素数两部分。他证明，对于正则素数，费马大定理成立。以100之内的奇素数为例，共有24个，除37，59，67外都是正则素数。1844年，库默尔证明了对于它们费马大定理成立。那么素数中到底有多少正则素数呢？这一问题却长期未得到解决。1915年，卡利茨证明非正则素数有无穷多，对于非正则素数怎么处理呢？还得回到一个一个证明的老路上来。1857年库默尔证明对于p＝59，67，费马大定理成立；1892年米里曼诺夫（d．mirimanoff）证明对p＝37费马大定理成立。电子计算机出现并广泛应用之后，对非正则素数情形的证明取得了新的进展：1978年证明，对125000以内的非正则素数，费马大定理成立；1987年这一上限推进到150000;1992年更推进到1000000。由于库默尔第一次“成批地”证明了定理的成立。人们视之为费马大定理证明的一次重大突破。1857年，他获得巴黎科学院的金质奖章。

对于第一种情形，进展更快一些。如1948年，日本的森岛太郎等证明对于p＜57×109，第一种情形成立。1983年，人们证明了对于当时已知的最大的素数p＝286243－1，第一种情形成立。1985年，英国的希斯－布朗（r．heath-brown）证明：存在无穷个素数p，使第一种情形成立。

前人直接证明费马大定理的努力取得了许多成果，并促进了一些数学分支的发展，但离定理的证明，无疑还有遥远的距离。怎么办呢？按数学家解决问题的传统，就是要作变换—把问题转化为已知的或易于解决的领域的“新”问题。

一个转化方向是把问题具体化，就是建立一个可由要证的命题推导出来的新命题（从逻辑的角度看，是要证命题的必要条件）。一般地，更具体的命题比原命题容易证明，如果证明了这个新命题，则把对原命题的证明推进了一大步。如果反驳了这个新命题，那就直接反驳了原命题：必要条件不成立的命题不成立。

具体化的方式取得了一批重要的成果。1909年，威费里希（a．wieferich）证明，如果对指数p，费马大定理的第一种情形不成立，则p2可以整除2p-1－1。经过寻找，在3×109以下只有p＝1093和p＝3511满足这一条件，但这两个素数均已直接验证满足费马大定理。这实际上就证明了，对30亿以内的所有素数，第一种情形都成立。20世纪80年代人们更证明了费马大定理若有反例，即存在正整数x，y，z，当n＞2时，使

xn＋yn＝zn

成立，则n＞101800000。

另一个转化方向是使问题抽象化，就是建立一个可由之推导出要证明的命题的“新”命题（从逻辑的角度看，是要证命题的充分条件）。一般地说，更抽象的命题更难证明，但是一旦证明了，就能立即推出要证的命题，并且还能得出许多别的结果来。

抽象化的一个结果就是求解丢番图方程，方程（5）不过是丢番图方程的一个特例。经过一种代数几何学的转化，人们把丢番图方程的解与代数曲线上的有理点（坐标都是有理数的点）联系起来了。

对于平面中的一条曲线，人们首先注意到的一个数值不变量是它的次数，即定义这条曲线的方程的次数。次数为一次、二次的曲线都是有理曲线（在代数几何中，它们与直线同构），它们主要是解析几何的研究对象。代数几何是从19世纪上半叶关于三次或更高次的平面曲线的研究开始的。

定义代数曲线的方程一般可表示为

f（u，v）＝0， （6）

左边为u，v的一个多项式。丢番图方程就是一种代数曲线的方程。人们发现，曲线上的有理点就是使等式成立的点，即定义曲线的方程的解。

对方程

xn＋yn＝zn

来说，两边除以zn，得

。

令u= ,v= ，则有

un＋vn＝1 （7）

（7）被称为费马方程，由它定义的曲线被称为费马曲线。于是，费马大定理转化为“在平面中，费马曲线在n＞2时没有坐标都是非零有理数的点”。

黎曼在1857年引入了代数函数，使代数几何有了较大的发展。他把代数函数定义在一些互相适当联结的覆叠的复平面上，它们后来被称为黎曼曲面，代数函数在其黎曼曲面上得以单值化。若把代数曲线视为由方程（6）确定的一个代数函数的图象，则每个代数曲线都有一个自己的（一一对应的）黎曼曲面。这种黎曼曲面有一大特点：它们恒可以经连续变换成为球面或带有n个洞（贯通的洞）的球面。洞的个数被称为黎曼曲面的从而也是与它对应的代数曲线的亏格—这是一个重要的代数几何不变量，它决定了黎曼曲面从而代数曲线的许多性质，亏格可以作为划分代数曲线的一个标准，例如按亏格g的不同，有：

g＝0：直线、圆、圆锥曲线；

g＝1：椭圆曲线；

g≥2：其他曲线，如费马曲线等。

1922年，英国数学家莫德尔提出一个猜想——亏格g≥2的代数曲线上的有理点只有有限多个。按前述转化分析，由它立即可得出丢番图方程（由方程定义的代数曲线亏格g≥2的）的解只有有限多个；进而可推出，n＞2时，方程（5）的正整数解（原始解）至多只有有限多个。

1983年，德国数学家法尔廷斯利用法国数学家格罗唐迪克所建立的概形理论证明了莫德尔猜想，从而证明了前述关于费马大定理的结论。人们认为这是费马大定理证明中的又一次重大突破，对许多数学分支都产生了重要的影响。为此，法尔廷斯获得1986年度菲尔兹奖。1985年，希斯－布朗利用法尔廷斯的结果，证明了对于几乎所有的素数p，费马大定理成立，即如果对某些素数p，定理不成立，那么这样的p的数目在整个素数中是微不足道的。

种种转化的方法既推进了所转化的领域的发展，也使费马大定理的证明取得进展。可以说，以上结论已十分接近费马大定理了，但它们毕竟不是原定理的证明，离原定理的证明尚有并非容易跨越的“一小步”。

1993年6月23日，星期三。英国剑桥大学新落成的牛顿数学研究所的大厅里正在进行例行的学术报告会。报告从上午8时整开始，报告人怀尔斯用了两个半小时就他关于“模形式、椭圆曲线和伽罗瓦表示”的研究结果作了一个冗长的发言。10时30分，在他的报告结束时，他平静地宣布：“因此，我证明了费马大定理。”很快，这一消息轰动了全世界，许多一流的大众传播媒介迅速地报道了这一消息，并一致称之为“世纪性的科学成就”。

那么，怀尔斯是怎样完成费马大定理的最后一步证明的呢？他继续使用转化的方法，采用的则是椭圆函数参数化。

20世纪50年代，一些数学家发现椭圆函数与模函数有联系。模函数也是一种人们早有研究的复变数函数，它是定义在单位圆（或上半平面）内部且以其周界为自然边界的一种特殊解析函数。人们发现，构成模函数的种种反演变换生成一个变换群g，模函数是关于群g的自守函数。这是它与椭圆函数的联系之一。一些数学家猜测，椭圆曲线可由特殊的模函数单值化，这种曲线被称为模曲线。1967年韦伊发表了这一猜想，称为谷山－志村－韦伊猜想：所有椭圆曲线都是模曲线。

1971年，一位法国数学家指出椭圆函数可与费马大定理联系起来。椭圆曲线可由模函数单值化，这与代数曲线由其黎曼曲面单值化十分相似。是否也可以类比于黎曼曲面方法，从模函数中找出椭圆曲线的分类标准对其分类，使其中与费马大定理对应的一类中无有理点呢？

1986年，德国数学家符莱（g．frey）真正把费马方程与椭圆曲线联系起来：如果u，v，w满足费马方程

up＋vp＝wp（p≥5，是素数），

则可构造椭圆函数

y2＝x（x一u p）（x＋v p） （8）

与之对应，他要求v为偶数，u为4m+3型的奇数。因而（8）只是一种所谓“半稳定性”椭圆曲线。符莱进而猜想，按他所作的对应，从谷山－志村－韦伊猜想可以推出费马大定理。1990年，李贝（k．ribet）证明了这一个猜想，即证明，如果谷山－志村－韦伊猜想真，那么费马大定理一定真（一个“抽象化”的转化）。

于是证明费马大定理的努力指向了谷山－志村－韦伊猜想。怀尔斯针对符莱引入的“半稳定性”椭圆曲线，他认为，只需对这一类椭圆曲线证明谷山－志村－韦伊猜想就行了（这又是一个“具体化”的转化）。当然这也是极困难的工作。为此，他写了200多页，1993年6月23日他的报告就是关于这一证明的。人们认为，怀尔斯取得费马大定理证明的第三次突破——最终证明了费马大定理。这一成就被列入1993年世界科学十大成就之一。

但怀尔斯的长达200多页的论文送交审查时，却被发现其证明有漏洞。许多传媒又迅速地报道了这一“爆炸性”新闻。

怀尔斯本人在挫折面前没有止步，从1993年7月起他就一直在修改论文，补正漏洞，这是一项十分困难的工作。1994年8月在瑞士苏黎世召开的国际数学家大会（icm）上特邀怀尔斯作报告，在报告中他只字未提费马大定理。人们认为，他一定是遇到了难以克服的困难。

1994年9月，怀尔斯终于解决了困难，重新写出了一篇108页的论文，于1994年10月14日寄往美国《数学年刊》，论文顺利通过审查，1995年5月，《数学年刊》第41卷第3期登载了他的这一篇论文！这使得怀尔斯获得1995－1996年度沃尔夫奖。这一成果被认为是“20世纪最重大的数学成就”。

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