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费马大定理:一部关于痴迷与胜利的数学史诗
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《费马大定理》一书讲述了数学家们历时358年,围绕一个看似简单的数学谜团所做的艰苦探索。书中生动地描绘了皮埃尔·德·费马、欧拉、索菲·热尔曼、沃尔夫斯凯尔、谷山丰、志村五郎、伽罗瓦以及最终证明该定理的安德鲁·怀尔斯等众多数学家的故事。作者西蒙·辛格不仅展现了这些数学家鲜活的个性和非凡的智力挑战,更巧妙地梳理了数学发展的脉络,从古希腊到现代,揭示了数学证明的独特性以及不同时代数学研究的演变。这本书以史诗般的叙事,展现了人类智慧的坚持、对未知的狂热追求以及最终的胜利。

📜 **费马大定理的提出与挑战:** 皮埃尔·德·费马在《算术》一书的空白处提出了著名的费马大定理——当n>2时,方程x^n + y^n = z^n 无整数解。这一看似简单的猜想,因费马声称有精妙证明却不详述,激发了后世数学家358年的不懈探索,成为数学史上著名的“猜想”之一。

🧠 **数学家的群像与贡献:** 书中塑造了一系列令人印象深刻的数学家形象,如“业余数学家之王”费马,他以智力挑战著称;“数学巨人”欧拉,即使失明仍坚持计算,证明了n=3的情况;冒充男性学习数学的索菲·热尔曼;因爱情纠葛而英年早逝但创立了群论的伽罗瓦;以及最终证明了费马大定理的安德鲁·怀尔斯。他们的个人经历与科学探索交织,展现了数学研究的艰辛与魅力。

💡 **“谷山-志村猜想”的桥梁作用:** 谷山丰和志村五郎提出的“谷山-志村猜想”,即每一个模形式都与一个椭圆方程对应,为最终证明费马大定理提供了关键的理论支撑。这一猜想将数论和代数几何两个看似不相关的领域联系起来,展示了数学内部的深刻统一性。

✨ **怀尔斯证明的艰辛与胜利:** 安德鲁·怀尔斯在10岁时得知费马大定理,并将其作为毕生追求。他隐居八年,克服了严格审查中的漏洞,最终运用现代数学工具优雅地证明了费马大定理。他的故事是关于坚持、耐心和人类智慧最终战胜复杂难题的当代童话。

📚 **数学发展脉络的呈现:** 作者西蒙·辛格不仅讲述了引人入胜的故事,还巧妙地梳理了数学的发展脉络,从早期社团式的研究到个人隐士式的探索,再到现代的交流协作,以及数学证明与实验科学的区别。他以举重若轻的方式,将复杂的数学概念和历史演变融于叙事之中,使得本书既是科学史,也是一部关于人类痴迷与探索的史诗。

“得数学者得天下”,高中的时候,两任班主任一个教语文一个教数学,但这是他们共同的口头禅。看完《费马大定理》的时候,我又想起了这句话。

这本书讲了很不同的故事,是一群真正的数学能力者,在长达358年的时间里,围绕一个数学谜团所做的努力。和被150分卷子的最后一道解析几何虐得死去活来的曾经的我没有任何共通性。

但很神奇的是,这本涉及了许多我不理解的名词的书,却特别引人入胜。

他成功地使我认识了一些数学家。不是知道名字和成就的那种认识,而是被其人格吸引的那种认识。我觉得他们每个人的故事都可以是一部精彩绝伦的传记电影,以下是我印象深刻的几位。


| 皮埃尔·德·费马先生

生于1601年,被称为“业余数学家之王”,正职是一位法国地方法律官员。数论研究是他的爱好,也是他的天赋。但他特别不在意这种天赋。他一系列的成就散见于与同时代一些其他数学家的书信(挑衅)中——他常常声称自己解决了某个问题,又不给出详尽说明,借此发出智力挑战。

在一本古老的由古希腊数学家丢翻图所著的《算术》的留白处,费马提出了著名的“费马大定理”:


Google 用 Doodle表达过“费马大定理”

x的n次方 + y的n次方=z的n次方 n> 2 时方程无解

(不会用mac写方程式)

它的形式是如此简单,聪明点的小学生都可以理解,但它的回答却最终需要358年后的130页论文来详尽说明。

“我已经找到一个精妙的证明,但这里空白太小了,我写不下。”这可能是费马流传最广的名言,绝好地反映了他挥霍天赋的本性和作弄他人的爱好。也为后世各种数学家的打油诗和新闻报道标题提供了灵感与素材。


| 欧拉

少有的我之前听说过的数学家,不过具体成就不清楚。现在我知道,这位俄国女皇叶卡捷琳娜二世的“数学巨人”解决过一系列和实用相关的数学问题。其中包括牵涉航海中月相计算的一种不精确的“三体运动”的算法(对于航海足够了)。

在证明费马大定理的征途上,欧拉通过引入虚数的概念,证明了费马大定理适用于n=3的情况。

而他最让我震惊的地方是,这是位“独眼巨人”。28岁时,他在一个问题上连续工作了3天后一只眼睛失明。到60多岁,另一只眼得了白内障。生命的最后17年欧拉全瞎了,但他继续进行着计算。关于月相位置的计算就是在失明期间完成的。(多么好的中学作文素材,又感人又小众,不怕重。)


| 热尔曼

一个法国大革命时期的富商千金,在《数学的历史》中看到了阿基米德临死前的故事:当罗马军队攻到叙拉古时,他正在专心研究一个几何图形,没理士兵的问话,被长矛戳死。这让索菲·热尔曼觉得数学一定是无比有趣的事。

因为这个对当时的妇女来说“不体面”的爱好,父亲没收了她的蜡烛、衣服,她仍然在寒冷里裹着被子坚持学习数学(21世纪的少年们在打魔兽上也有这样的大无畏精神)。

最传奇的部分是,她冒充了一个退学的男性“勒布朗先生”,远程在巴黎综合工科上课(设法取得了教材,每周寄一次作业)。直到导师拉格朗日因为该学生成绩突飞猛进要求见面,才暴露了真实身份。她与高斯长期通信,用的也是“勒布朗先生”的化名。数学史的《第十二夜》!

她贡献了一种证明n为质数时是否适用费马大定理的普遍思路。后来又转向物理学的研究,为现代弹性理论的发展做了早期工作。

直到死前,她没有获得学位,更不用说教职和科学家的名分。


| 沃尔夫斯凯尔

一位德国商人,一个业余数学家。因为一段失败的罗曼史,他决定自杀,这不像德国人。在自杀前,他井井有条地安排了各项事宜,包括时间地点、方式,处理重要的业务,给亲朋写信,这很像德国人。

一个意外是,午夜——自杀的原定时间前,他就办完了所有事,为了消磨这几个小时,他开始看数学书。不久被一篇解释之前两位数学家为什么没能证明费马大定理的论文吸引。总之他发现了一个漏洞,开始证明,一直证到黎明,自杀的时间就过了。

这和阿基米德的故事结局相反,但物我两忘的痴迷是一样的。

1908年他死的时候,设立了一个奖项,将财产中的10万马克奖给能证明费马大定理的人。由格丁根皇家科学协会负责审定。奖项的最后一条说明是这样的:“如果到2007年9月13日尚未颁布此奖,将不再继续接受申请。”(费马大定理最后被证明的时间是1994年)


| 谷山丰 和 志村五郎

因为在图书馆抢同一本《数学年刊》而相识的年轻数学家。可能放在现在能脑补几万字的同人小说。他们在二战及战后的艰难环境中成长,年轻时期并没有接受很系统的教育,在战后的日本靠同辈帮助,研究一些“过时的数学问题”。

其中之一是“模形式”(和空间有关,不知道算不算几何?)。总之每个模形式都有一个M序列而在数学的完全不相干的另一个领域——“椭圆方程”中,每一个方程都有一个E序列(此处省略几千字)。偶然中,谷山发现某个模形式的M序列和某个椭圆方程的E序列完全相同。他又研究了几个模形式,也能对应到椭圆方程。这就有了“谷山-志村”猜想:每一个模形式都与一个椭圆方程对应。

后来谷山自杀了,毫无预兆。死前5天,他刚满31岁,有一个未婚妻,正在筹备婚礼。“至于我自杀的原因,我自己都不十分清楚,但它绝不是由某件小事引起的,也不是出于特别的原因。”谷山的遗书写在做研究时用的那种笔记本上。


| 伽罗瓦

他大概是真正的天才,16岁才上第一门数学课,20岁就死了。1830年法国7月革命(《悲惨世界》讲的是两年后的6月暴动,法国人真是革命激情过剩)的时候他19岁,研究数学的时间已经如此短暂,5年里,他花了很多精力搞革命和蹲监狱。但即使如此,他仍找到了在当时十分困难的五次方程的解法,其核心思想是“群论”,这启发了最终的桂冠摘得者安德鲁·怀尔斯。

伽罗瓦的死和普希金很像,因为爱情纠葛卷入了决斗。对方是一个著名神枪手,为了尊严他不得不赴约。决斗前,他连夜写下了自己的数学思想,杂乱、潦草、竭尽全力。

事后,他的朋友认为这场爱情纠葛本身可能是当局的政治阴谋。


迦罗瓦决斗前的手稿


| 安德鲁·怀尔斯 最终的桂冠获得者

10岁时,他在图书馆里读到了《大问题》,第一次知道了费马大定理。这个题面看起来如此简单,使小怀尔斯也跃跃欲试。有多少人幸运和强大到实现了儿时的天真愿望,这一点上怀尔斯的故事简直像当代童话。

在他认为攻克这个问题的时机成熟时(当谷山-志村猜想和费马大定理的关系被证明后,怀尔斯认为探索费马大定理即使最终没有结果,沿途也有会有重要的数学发现),他一反现代数学家在茶话会上交流的惯例,而是隐秘地向费马大定理发起挑战。他做好了长期战斗的准备,最终花了8年。

在8年隐士般的生活中,怀尔斯形容自己像在一个黑暗的大厦里摸索,一个一个房间的摸索。起初一切都是晦暗不明,然后是第一个房间的电灯开关,然后下一个房间,重头再来。

过程挺一波三折,在7年的努力后,怀尔斯认为自己已经完成了挑战。1993年,他在剑桥发表了演讲,一夜成名,可能是公众唯一认识的数学家。被《人物》杂志评为当年25位最具魅力者。

“值得解决的问题会以反击来证明它自己的价值。”

在史无前例的严格复查后,一个漏洞被发现了,而且变得越来越不可弥补。

在经过近一年的艰苦补救后,怀尔斯已经要放弃,他开始回顾8年来的努力,猛然发现,之前被自己放弃的一种方法和现有方法的结合,可以解决问题。

在最后的反复较量中,人类的智慧终于取得了胜利。而且这是一种纯粹数学思维的胜利,怀尔斯并未借助计算机来进行“力迫式”的计算,而是采用了古典的优雅的证明思路。

在这个优雅的探索过程中,他寻便数学深邃的山谷和孤岛,把相距甚远的方法、领域联系到一起,比起最终的胜利,这个长途跋涉、充满凶险的过程更具有数学意义和真正的震撼性。


数学本身大概是不证自明的。毕达哥拉斯也会被人遗忘,但3、4、5构成的“三元组”却可以在宇宙里永恒存在,以不同的形式。

让数学或任何事情既美丽、又优雅、又险恶的是人对它的痴迷。痴迷到欲生欲死。


一些炎热的晚上又浮现在眼前,在飞蛾时常乱入的教室里,十几岁的少男少女埋头于解析几何、抛物线或垂直证明,在算不出的选择题上纠结C和B。

白花花的卷子铺在桌上,看到一半的漫画或小说掩在抽屉里,随身听的磁带刚好转到一个无人在意、无法复盘的位置。

生活当然不是“豪气干云”的口号,得数学者从来不会得天下,他们也得不到爱人,也被动乱纠缠,也在疾病面前倒下。

真正的幸运和能力,是找到自己的“费马大定理”。怀尔斯在10岁的时候碰到了,更多的人可能一辈子都寻而不得,或根本不做寻找的努力。

但只是想到有人曾经拥有过这种纯粹的入迷,想到世界上存在过这种真正美丽的秘密,这就是一个幸福的瞬间。

看完的时候,我不因为自己还茫然无为感到沮丧或嫉妒,单纯很高兴,真是一本不错的书啊~


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PS:

说到这本书的写作的话,写出故事和人物可能不是最难的,围绕这个经年的谜团,冒险、痴迷、献身、竞争、拯救、遗憾、悲剧层出不穷。而且这是个一环扣一环的过程,缺少了任何一个发现,就难以以现在的方式到达问题的终点。虽然数学是这样一件理性的事,但把时间尺度放到3个半世纪,它便呈现出宿命。这本身是个有史诗要素的故事。

但故事和人物之外,作者西蒙·辛格特别厉害的地方,是同时呈现了数学的发展脉络,而且做得举重若轻,丝毫不让人觉得费力,像一个优雅简洁的证明。

这本书里写了特别多数学家的事,还介绍了很多定理和概念,没看之前,想想会有点头大。但作者不是把这些东西直接抛给你,像甩出一堆拼图,而是围绕费马大定理,为每个要讲的人和事安排了合理的位置。顺序符合逻辑而精妙,大致是线性的,但不完全是。

他说明了数学证明是如何不同于其他自然科学的“试验思想”。他展现了不同时代数学家的生活和研究状况,早期毕达哥拉斯兄弟会那种宗教社团般的研究氛围,到中世纪文艺复兴时期隐士的研究,再到19世纪开始,数学家们转而研究公理、数学逻辑以捍卫数学基石的努力,到20世纪的互相交流的研究方式的形成,“朗兰兹纲领”建立大一统数学的抱负,以及同时期开始,“计算机”的力迫方法对数学的帮助和破坏。好奇啊,这是怎么写的呢?


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本来想都配图,但太懒了,数学家的颜值也不是重点,但我觉得伽罗瓦的手稿应该展示一下头图是怀尔斯。

这本书真的安利,重温下一些定理(然而大部分是前所未闻的)也挺好玩。

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