В 1666 году, спустя несколько лет после смерти ее вдохновителя, Мерсенна, была основана Парижская академия наук. Жан Батист Кольбер, тогдашний министр финансов Франции, выделил значительные средства для этого престижного ныне учреждения. Постепенно в академию стали приглашать ведущих ученых со всего мира, и среди них были многие из тех, с кем переписывался Мерсенн. По сути, именно эта группа ученых дала толчок сему амбициозному проекту и воплотила его в жизнь.

Гран-при Ферма

В 1721 году Парижская академия наук учредила ряд премий, чтобы стимулировать развитие науки в определенных важных областях. Комитет, который выбирал задачи, состоял из общепризнанных экспертов мировой величины. Среди лауреатов этой премии были Колин Маклорен за работы по изучению падения тел (1724 год), Пьер Бугер и Шарль Этьенн Луи Камю за работы о корабельных мачтах (1727 год), Леонард Эйлер за изучение природы огня (1738 год), Шарль Огюстен де Кулон за исследования в теории трения (1781 год), Симеон Дени Пуассон за работы по электричеству и Жан Огюстен Френель за исследования дифракции (1812 год).

В то время задачи, которые оставил миру Ферма, отчаянно пытались решить многие математики, с переменным успехом постепенно доказывавшие сформулированные им утверждения. Теорема, которой посвящена эта книга, упорно сопротивлялась всем попыткам решения, за что получила название последней теоремы Ферма. Академия, с целью простимулировать исследования по этой теме, в 1816 году учредила премию тому, кто приведет доказательство последней теоремы Ферма. Многие ученые работали над этой проблемой и убеждали коллег заняться тем же.

Первые двести лет

Генрих Вильгельм Маттеус Ольберс был врачом и астрономом и проводил многие часы за наблюдениями звездного неба. В 1802 году, за год до Джузеппе Пьяцци, он обнаружил карликовую планету Цереру в том самом месте, где предсказал Гаусс, но затем потерял ее из вида. В 1807 году Ольберс открыл второй астероид и уступил Гауссу право назвать его. Гаусс предложил имя Веста в честь римской богини домашнего очага. Веста — самый яркий из всего пояса астероидов. Иногда его можно наблюдать с Земли невооруженным глазом наравне со звездами шестой величины.

Визит короля Людовика XIV в Парижскую академию наук в 1671 году. Гравюра Себастьяна Леклерка из книги «Мемуары по естественной истории животных».

Несколько миллиардов лет назад Веста потеряла 1 % массы вследствие удара, и множество осколков упали на Землю в виде метеоритов. Ольберс также размышлял над вопросом, почему ночное небо такое темное, несмотря на то что его освещает бесконечное множество звезд, от света которых должно быть светло как днем. Этот парадокс позднее получил название парадокса Ольберса. Когда он узнал о премии Парижской академии, то обратился к своему другу Карлу Фридриху Гауссу и предложил тому стать соискателем этой премии.

Немецкий астроном и врач Генрих Ольберс. Литография Рудольфа Зурландта.

21 марта 1816 года Гаусс ответил: «Признаюсь, что теорема Ферма сама по себе не представляет для меня большого интереса, так как я с легкостью могу сформулировать множество подобных теорем, которые нельзя будет ни доказать, ни опровергнуть». Несмотря на это, Гаусс тоже работал над решением, что следует из его личных записей, где приведены доказательства для n = 3 и n = 5. Неизвестно, пытался ли Гаусс доказать теорему до того, как Ольберс предложил ему заняться этой темой. Быть может, осознав трудность задачи, он предпочел отклонить приглашение и продолжить работу в одиночку, надеясь получить какой-то значимый результат, достойный публикации. Возможно, он действительно не уделил особого внимания этой задаче и предпочел обратиться к более интересным темам.

Несмотря на слова Гаусса, теорема не давала покоя великим математикам того времени, и они усердно занимались поисками доказательства. Теперь на кону стояла не только премия академии, но также известность и слава. Наступил срок подачи заявок, но доказательство не удалось найти никому! Неудивительно, что в академии совершенно не ожидали такого результата. До учреждения этой премии столь крупный ученый, как Эйлер, пытался найти доказательство, но ему удалось это сделать только для n = 3 примерно в 1760 году. Как уже говорилось в предыдущей главе, возможно, доказательство для этого случая нашел еще Ферма с помощью своего метода бесконечного спуска. Но теперь математическое сообщество могло бы спать спокойно, зная, что доказательство строго оформил и записал Эйлер. Было очевидно, что куб нельзя представить в виде суммы двух кубов, но что можно сказать о бесконечном множестве всех остальных степеней?

Привлекательность теоремы в научном сообществе неуклонно росла. Немецкий математик Иоганн Петер Густав Лежён-Дирихле (1805–1859) и француз Адриен Мари Лежандр (1752–1833) в 1825 году независимо друг от друга нашли доказательство для n = 5. В 1832 году Дирихле сделал еще один шаг и доказал теорему Ферма для n = 14. В 1839 году француз Габриель Ламе (1795–1870) вошел в историю, доказав теорему для n = 7. Восемь лет спустя он объявил, что ему удалось найти доказательство в общем виде, но он ошибался. Доказать теорему Ферма для нескольких частных случаев удавалось многим математикам. Учитывая, что простых показателей степени бесконечно много, получается, что доказательство теоремы должно было занять бесконечно много времени?

Портрет немецкого математика Иоганна Петера Густава Лежёна-Дирихле.

Неожиданное действующее лицо

Надежда на то, что несколько случаев можно объединить в рамках одного доказательства, появилась благодаря усилиям француженки Софи Жермен (1776–1831) — возможно, величайшей женщины-математика всех времен. В 1823 году она доказала, что если р и 2р + 1 — два простых числа, больших 2, то х^р + у^р  = z^p не имеет примитивных решений (то есть взаимно простых), в которых xyz не делилось бы на р. Согласно правилам академии, женщины не могли подавать свои работы лично, поэтому результаты Софи Жермен были переданы научному сообществу Лежандром и его коллегой Огюстеном Луи Коши.

Как уже говорилось в предыдущей главе, если бы теорему удалось доказать для всех показателей степени, являющихся простыми числами, то она была бы доказана для всех натуральных. Аналогично нетрудно видеть, что если целые решения х, у, z имеют общий множитель, то, поделив обе части на этот множитель, мы снова получим целое решение. Следовательно, доказательство теоремы для примитивных решений является ее общим доказательством для всех случаев. Начиная с работ Жермен стали различать два случая на множестве решений. Первый случай — ни х, ни у, ни z не делятся на р. Второй случай — либо х, либо у, либо z делится на р. Как говорил Лежандр, «одним росчерком пера» доказательство Жермен превращалось в доказательство теоремы Ферма для первого случая, то есть для огромного множества чисел. Для тех чисел, которых не хватало, чтобы доказать теорему для всех чисел меньше 100, доказательство привел сам Лежандр.

Письмо Софи Жермен математику Жозефу Луи Лагранжу. Благодаря этой французской женщине-математику в доказательстве последней теоремы Ферма был сделан большой шаг вперед.

* * *

РЕШЕНИЕ СОФИ

Софи Жермен родилась в Париже в 1776 году. Она была дочерью преуспевающего торговца шелком. В семье регулярно обсуждали политику и философию. В 13 лет Софи прочитала знаменитую историю о смерти Архимеда от рук римского солдата. Впечатленная девочка тоже решила стать математиком. В разгар французской революции родители держали ее взаперти почти восемь лет, чтобы защитить ее. Девушка воспользовалась случаем и начала изучать математику в родительской библиотеке. Софи днем и ночью украдкой читала книги Ньютона и Эйлера.

Решение Софи посвятить жизнь науке было совершенно неслыханным по тем временам. Но Софи твердо стояла на своем, и родным оставалось только смириться с ее выбором. В недавно основанную в Париже Политехническую школу, где преподавали ученые уровня Лагранжа, женщины не допускались. В 18 лет Софи выдала себя за бывшего ученика этой школы и друга ее семьи Антуана Огюста Леблана, чтобы обзавестись конспектами лекций. Под этим же псевдонимом она представила Лагранжу несколько своих работ. Потрясенный, он назначил ей встречу. Софи не оставалось другого выхода, кроме как раскрыть свое лицо, и Лагранж, очень удивившись, предложил ей заниматься у него, что, в свою очередь, позволило ей участвовать в научных собраниях.

Под тем же псевдонимом Жермен поддерживала переписку с Гауссом. Узнав настоящее имя Жермен, в 1806 году Гаусс пишет ей: «Вкус к абстрактным наукам и, прежде всего, к загадкам чисел сам по себе редок. <…> Но когда женщина из-за своего пола и наших предрассудков встречается со значительно более трудными препятствиями, чем мужчина… и преодолевает эти барьеры и проникает в тайны мироздания, она, несомненно, проявляет благородную смелость, исключительный талант и высшую гениальность». В 1811 году Жермен стала единственной участницей конкурса, который проводила академия наук с целью найти математические основы колебаний тонких пластинок. Ей отказывали дважды, и в 1816 году она наконец выиграла премию и стала первой женщиной, получившей право посещать заседания академии (не считая жен членов академии). В 1830 году Гёттингенский университет присуждает ей почетную степень, но через год Жермен умирает, так и не успев получить ее.

Софи Жермен.

* * *

Он показал, что если р — простое число, такое, что либо 4р + 1, либо 8р + 1, либо 10р + 1, либо 14р + 1, либо 16р + 1 — простое, то первый случай теоремы Ферма доказан для данного показателя степени р. Лишь в 1977 году Тержанян доказал первый случай для всех четных показателей степени 2р, где р — простое.

Если, например, мы рассмотрим показатель степени р = 5, то заметим, что 2р + 1 = 11 — также простое число. Следовательно, согласно результатам Жермен, первый случай теоремы Ферма для этого значения доказан. Напротив, для р = 7 получим 2р + 1 = 15, которое не является простым. Если руководствоваться только результатами Жермен, то для этого значения р теорема не доказана. Однако 4р + 1 = 29 — простое, следовательно, если учитывать результаты Лежандра, первый случай теоремы Ферма доказан.

Доказательство Ламе

1 марта 1847 Габриель Ламе сделал грандиозное заявление в Парижской академии наук. Он нашел долгожданное доказательство теоремы Ферма для всех случаев! Этот французский ученый представил научному сообществу рассуждения, которые привели к такому результату. Рассуждения были просты и основывались на результатах, ранее полученных другими математиками. Он рассматривал поле комплексных чисел, где квадратный корень из минус единицы, √-1 существует и обозначается буквой i. На этом множестве х² + у² превращается в произведение двух комплексных чисел (х + yi)(x — yi), таким образом, происходит переход от сложения к умножению. Теорема о прямоугольном треугольнике вместо традиционного вида

х² + у² = z²

записывается так:

(х + yi)(x — yi) = z².

Последнее уравнение можно решить на множестве комплексных чисел в виде х + yi, где х, у — целые (это подмножество комплексных чисел получило название гауссовых чисел). Здесь х — вещественная часть, у — мнимая часть. Это множество во многом похоже на множество целых чисел: на нем без проблем можно выполнять операции сложения, вычитания и умножения. Также на нем можно определить делимость и простые числа. Кроме того, на нем справедлива основная теорема арифметики: любое число можно единственным образом представить в виде произведения простых множителей. Интересным следствием этой теоремы является следующий факт: если произведение двух взаимно простых чисел является квадратом, то каждое из этих двух чисел также обязательно является квадратом. Согласно этим рассуждениям поиск пифагоровой тройки равносилен нахождению примитивных решений х, у, z уравнения х² + у² = z², то есть такого решения, где х, у, z не имеют общих делителей.

В подобном решении гауссовы числа х + yi, х — yi также не должны иметь общих делителей. Таким образом, необходимо найти два взаимно простых гауссовых числа, таких, что их произведение является квадратом.

В итоге если мы имеем примитивное решение для уравнения х² + у² = z², то получим произведение двух взаимно простых гауссовых чисел, которое является квадратом. Следовательно, каждое из этих чисел также должно являться квадратом. Имеем:

х + yi = (а + bi)² = а² + 2аbi + (bi)² = а² — Ь² + 2аbi.

Приравняв вещественные и мнимые части по отдельности, получим:

х = а² — Ь²,

у = 2аЬ.

Эта формула упоминается уже в «Началах» Евклида и служит для нахождения пифагоровых троек. Ламе в своем доказательстве использовал аналогичные рассуждения. Уравнение Ферма х^р + у^р = z^p с помощью комплексных чисел преобразуется в произведение. В этом случае множители должны содержать корни р-й степени из единицы. На множестве комплексных чисел аналогично тому, как 1 имеет два квадратных корня, +1 и —1, существует также р корней р-й степени, которые обозначаются 1, ζ, ζ², ζ³, …, ζ^р-1. Используя эти корни, мы можем записать следующее:

х^р + у^p = (x + у)(x + ζу)(х + ζ²у)(х + ζ³у)…(х + ζ^р-1y) = z^р.

Следовательно, первый шаг, на котором сумма преобразуется в произведение, выполним.

На следующем шаге мы рассмотрим числа вида

а₀ + а₁ζ + ζ²а₂ + ζ³а₃ + … + ζ^p-1а_р-1

Говорят, что эти числа принадлежат круговому полю. Их можно легко складывать, вычитать и перемножать. Также можно говорить о делимости и простых числах. Казалось, что рассуждения совершенно корректны.

Ламе привел для этого случая те же рассуждения, что и для гауссовых чисел, и, таким образом, доказал теорему! Блестящий математик Жозеф Лиувилль, который внимательно слушал выступление Ламе, попросил слова и задал вопрос. Доказано ли, что разложение на множители на круговом поле единственно? Если это не так, то доказательство оказывается ошибочным. Ламе признал, что это не доказано, но был уверен, что сможет быстро заполнить пробелы в своем доказательстве. Тем не менее сделать это так и не удалось.

Идеальные решения

Несколько месяцев спустя немецкий математик Эрнст Эдуард Куммер пишет письмо Лиувиллю. В нем он объясняет, что, к несчастью для Ламе, единственность разложения на множители на круговом поле в общем случае не подтверждается. Например, оно не выполняется для р = 23. Однако Куммер продолжал: «Теорему возможно доказать, введя новый тип комплексных чисел, которые я назвал идеальными комплексными числами». Идеальные числа, представленные Куммером, позволили обеспечить единственность разложения на множители и продолжить поиски доказательства.

Чтобы проиллюстрировать мысль Куммера, приведем два примера. Сначала рассмотрим следующее множество четных целых чисел:

2Z = {…, -4, -2, 0, 2, 4, 6, 8, 10…}.

На этом множестве можно свободно выполнять операции сложения, вычитания и умножения. На нем число 10 нельзя разложить на произведение двух четных чисел, следовательно, оно является «простым». «Простыми» также будут являться 2 и 50. Напротив, 100 можно разложить на произведение «простых» множителей двумя разными способами:

100 = 10·10 = 2·50.

Следовательно, на множестве простых чисел единственность разложения на множители не выполняется. Чтобы обеспечить это свойство, можно ввести «идеальное» число, 5, которое не принадлежит множеству четных чисел. Используя это число, мы сможем разложить на множители 10 и 50, и они перестанут быть «простыми»:

100 = 10·10 = 5·2·5·2,

100 = 2·50 = 2·2·5·5.

Оба разложения совпадают.

Во втором примере, который предложил Рихард Дедекинд в 1870 году, рассматривается множество чисел следующего вида:

На этом множестве числа 2, 3, (1 + √(5i)), (1 — √(5i)) являются простыми. Число 6 не является простым, и его можно разложить на простые множители двумя различными способами:

6 = 2·3 = (1 + √(5i))(1 — √(5i)).

Следовательно, единственность разложения на множители на этом множестве не обеспечивается. Мы сможем это обеспечить, если введем идеальные числа √2,(1 + √(5i))/√2, (1 — √(5i))/√2:

И вновь оба разложения совпадают.

Куммер интенсивно изучал это новое круговое поле и дополнял его все новыми идеальными числами. Ему удалось доказать, что для частного случая простых чисел, так называемых регулярных простых чисел, выполняются все рассуждения доказательства, значит, и последняя теорема Ферма доказана. Далее он занялся изучением регулярных простых чисел и доказал, что существует всего три нерегулярных простых числа, меньших 100: это 37, 59 и 67. Он также рассмотрел и эти случаи, доказав таким образом теорему для всех показателей степени, меньших 100.

Члены академии наук воодушевились этими успехами и решили закрыть тему: в 1850 году была снова предложена премия тому, кто окончательно докажет последнюю теорему Ферма в общем виде. Членами жюри были Огюстен Луи Коши, Жозеф Лиувилль, Габриель Ламе, Жозеф Луи Франсуа Бертран и Мишель Шаль. Прошли все сроки, и закончились все возможные отсрочки, и наконец Коши написал: «Секретариату было представлено одиннадцать записок. Но ни одна не содержит решения задачи. Тем не менее жюри отмечает, что работа под номером 2 содержит новое решение для частного случая, для которого привел доказательство сам Ферма, то есть для показателя степени, равного 4. Следовательно, несмотря на все усилия, вопрос не сдвинулся с точки, до которой дошел г-н Куммер. Тем не менее математическое сообщество с радостью встречает усилия геометров по решению этой задачи, особенно усилия господина Куммера.

Жюри считает, что академия примет достойное и уместное решение, если оставит в стороне вопрос о соревновательности и присудит медаль господину Куммеру за его потрясающие исследования целых комплексных чисел и комплексных чисел, образованных корнями единицы».

Таким образом, в 1857 году премия была присуждена Куммеру, который даже не участвовал в конкурсе! Так члены академии выразили ему глубокую признательность за его труд. Он внес масштабный вклад в науку, разработав многие идеи и концепции и создав новые обширные разделы математики: регулярные простые числа, теорию идеалов, круговые поля, классы идеалов кругового поля и многие другие.

Последняя теорема Ферма способствовала продвижению математики далеко вперед, но по-прежнему оставалась неприступной. После двухсот лет поисков баланс сил был таков. Первый случай был доказан для многих показателей степени, удовлетворявших условиям Жермен и Лежандра. Кроме этого, общий случай был доказан для четырех показателей степени n: 3, 4, 5 и 7. Но оставалось еще очень много недоказанных случаев. Последняя теорема, несмотря на все свое очарование, стала костью в горле для многих математиков.

Портрет немецкого математика Эрнста Эдуарда Куммера.

* * *

* * *