- •Министерство образования и науки Российской Федерации
- •Тобольск – 2012
- •Глава I. Великая теорема ферма и алгебраические числа
- •§ 1. Предварительные сведения
- •§ 2. Диофантовы уравнения, пифагоровы тройки и Великая теорема Ферма
- •§ 3. Метод бесконечного спуска и доказательство
- •§ 4. Сводка результатов: от Эйлера до Куммера
- •Великой теоремы Ферма
- •Глава II. Великая теорема ферма и abc-гипотеза
- •§ 1. Гипотеза Таниямы и доказательство Вайлса
- •§ 2. Abc-гипотеза и “Великая теорема Ферма” для многочленов
- •§ 3. Abc-гипотеза для натуральных чисел
- •§ 4. Некоторые следствия abc- и (abc)2- гипотез
Глава II. Великая теорема ферма и abc-гипотеза
§ 1. Гипотеза Таниямы и доказательство Вайлса
Великой теоремы Ферма
Удивительно, но, как это часто бывает в математике, решение проблемы Ферма пришло совсем с другой стороны, нежели ожидалось. Как уже отмечалось, Э. Вайлс и Р. Тейлор доказали гипотезу Таниямы, относящуюся к теории эллиптических кривых, но из неё К. Рибет, основываясь на гениальной догадке Г. Фрея, вывел Великую теорему Ферма.
К сожалению, объём работы не позволяет подробно остановиться на исследованиях Вайлса-Тейлора. Поэтому лишь наметим путь, ведущий к доказательству Проблемы Ферма.
1. Эллиптические кривые. Эллиптической кривой называется кривая на плоскости, заданная уравнением y2 = x3 + ax2 + bx + c, где a, b, c Q .
По аналогии с
дискриминантом
общего кубического уравнения x3
+ ax2
+ bx
+ c
= 0 вводится
дискриминант
D
эллиптической кривой y2
= x3
+ ax2
+ bx
+ c
(a,
b,
c
Q),
равный по определению D
= –16(4a3c
– a2b2
– 18abc
+ 27c2
+ 4b3).
Отличие в числовом множителе от
дискриминанта
здесь не
принципиально, но удобно тем, что при
целых a
и b
дискриминант тоже будет целым числом.


На рис. 2, 3 приведены некоторые графики эллиптических кривых: неособые с ненулевым дискриминантом, и особые – с нулевым.
Эллиптическая кривая y2 = x3 + ax2 + bx + c (a, b, c Z) называется полустабильной, если сравнение x3 + ax2 + bx + c 0 (mod p) не имеет трёхкратных корней для любого простого p | (4a3c – a2b2 – 18abc + 27c2 + 4b3).
Примеры: 1. Кривая y2 = x3 не полустабильна: её дискриминант нулевой, т.к. a = b = c = 0, а правая часть имеет трёхкратный корень x = 0 по любому простому модулю.
2. Пусть A, B – взаимно простые целые числа, С = A + B. Тогда эллиптическая кривая y2 = x(x – A)(x – C) полустабильна.
Действительно, уравнение кривой имеет вид y2 = x3 – (A + C)x2 + ACx, а её дискриминант вычисляется так:
D = –16(– (A + C)2(AC)2 + 4(AC)3) = –16(AC)2(A – C)2 = –16A2B2C2.
Поэтому, если p | A2B2C2, то p делит одно из чисел A, B, C, причём два из этих чисел не могут делиться на p ввиду взаимной простоты A и B: например, если A p, C p, то B = (C – A) p – противоречие. Таким образом, корни x 0, x A, x C (mod p) правой части уравнения кривой не могут все быть одинаковыми.
Определим для
эллиптической кривой y2
= x3
+ ax2
+ bx
+ c
понятие кондуктора,
ограничившись только важным для
дальнейшего случаем, т.к. общее его
определение требует далеко выходящих
за рамки данного изложения понятий.
Грубо говоря, кондуктор
собирает в одно произведение все простые
числа, участвующие в каноническом
разложении дискриминанта эллиптической
кривой. При этом степень p
, с которой
простое число p
входит в кондуктор, равна 1,
если a2
3b
(mod
p).
Эта степень p
равна 2,
если p
> 3 и a2
3b
(mod
p).
В случае,
когда сравнение x3
+ ax2
+ bx
+ c
0 (mod
p)
не имеет
решений,
степень p
совпадает
с показателем, с которым p
входит в
каноническое разложение дискриминанта
D.
Остальные возможности p
= 2, 3
для кривой с условием a2
3b
(mod
p)
исследуются более сложно, но они не
встретятся в дальнейшем, так что оставим
их без комментариев.
Примеры: 1. Для кривой y2 = x3 – x + 1 имеем
D = –16(4a3c–a2b2–18abc+27c2+4b3) = – 16(2712 + 4(–1)3) = –2423.
Таким образом, N = 223. Остаётся вычислить степени , .
Поскольку многочлен
x3
– x
+ 1 не имеет
корней по модулю 2,
то
= 4. По модулю
23
имеем a2
3b
02
3(–1)
(mod
23). Поэтому
= 1.
Итак, кондуктор эллиптической кривой y2 = x3 – x + 1 равен N = 2423.
2. Пусть
A,
B
– взаимно
простые целые числа, С
= A
+ B.
Вычислим кондуктор эллиптической
кривой y2
= x(x
– A)(x
– C),
дискриминант которой вычислен ранее:
D
= –16A2B2C2
. Следовательно,
в кондуктор N
войдут
двойка, а также нечётные простые числа,
делящие A2B2C2,
т.е. делящие одно из чисел A,
B,
C:
N
=
. Вычислим показатели, с которыми эти
простые числа входят в кондуктор. При
этом 2
|
ABC,
т.к. в равенстве A
+ B
= C
все три
числа не могут быть нечётными.
Ясно, что x(x – A)(x – C) = x3 – (A + C)x2 + ACx, т.е. a = A + C, b = AC и a2 – 3b = A2 – AC + C2 . Это выражение не сравнимо с нулём по модулю p, если p | A или p | C : если A2 – AC + C2 0 (mod p), то A 0 C (mod p), что противоречит взаимной простоте чисел A, B, C. Если же p | B, то A C (mod p) и A2 – AC + C2 A2 0 (mod p) – противоречие.
Таким образом, a2
3b
(mod
p),
т.е. p
= 1 для всех
p
| ABC.
Итак, кондуктор
эллиптической кривой y2
= x(x
– A)(x
– C),
где C
= A
+ B,
НОД(A,
B)
= 1, является
произведением всех простых чисел из
канонического произведения дискриминанта
D
= 16A2B2C2,
т.е. N
=
.
2. Модулярные формы и модулярные эллиптические кривые. Пусть H – верхняя комплексная полуплоскость n N, k Z. Модулярной параболической формой веса k и уровня n называется заданная и дифференцируемая на H (аналитическая в H) функция f : H C со следующими свойствами:
,
где a, b, c, d – любые такие целые числа, что ad – bcn = 1, а r Q .
Нетрудно заметить,
что для любого z
H
элемент
при условии ad
– bcn
= 1 тоже
принадлежит H,
так что данное определение корректно.
В самом деле,
, где в знаменателе дроби стоит
положительное число |ncz
+ d|2
, а числитель имеет мнимую часть, равную
adIm(z)
– bncIm(z)
= Im(z)
> 0. Таким
образом, рассматриваемая дробь принадлежит
H.
Множество всех модулярных параболических форм веса k и уровня n обозначим через Sk(n).
Примеры: 1. Нулевая функция 0 : H C является, очевидно, модулярной параболической формой веса k и уровня n.
Если константа является модулярной параболической формой веса k и уровня n, то эта константа равна нулю.
Действительно,
если f(z)
= c,
то из условия
получаем, что
,
т.е. c
= 0.
Если k – нечётно, то Sk(n) = {0}.
В самом деле, ввиду
(–1)(–1)
– 00
= 1, то из
получаем f(z)
= –f(z),
т.е. f(z)
= 0.
В дальнейшем важную роль сыграют модулярные параболические формы веса 2 и уровня n. Оказывается, что множества S2(n) состоят только из одной нулевой функции при n 10: S2(n) = {0} (0 n 10).
Л
юбая
модулярная параболическая форма
f
Sk(n)
удовлетворяет
условию
при любых целых a,
b,
c,
d
со свойством ad
– bcn
= 1. В частности,
при a
= 1, d
= 1,
с = 0 получаем
f(z
+ b)
= f(z)
при любом b
Z.
Это показывает, что функция f
однозначно
определяется своим заданием в полуполосе
,
т.е. является периодической с периодомT
= 1 (рис. 4).
Например, f(–7+2i)
= = f((0
+ 2i)
– 7) = f(0
+ 2i).
Можно доказать, что такую периодическую
аналитическую функцию можно представить
в виде
,
где дляz
= x
+ iy
величина ez
= ex(cos
y
+ isin
y)
– обычная
экспонента в комплексной плоскости.
Как известно,
экспонента периодична с периодом 2πi:
ez+2πi = ex+i(y+2π) = ex(cos(y+2π) + isin(y + 2π)) = ex(cos y + isin y) = ez.
Поэтому функция q(z) = e2πiz и её любые степени q(z)k = e2πikz, периодичны с периодом 1:
q(z + 1)k = e2πi(z+1)k = e –2πyk+2πi(x+1)k = e –2πyk+2πixk+2πik =
= e –2πyk+2πixk = e (–2πy+2πix)k = e2πizk = q(z)k.
По сути дела, такое разложение функции f по степеням qk (k N) – это её разложение в ряд Фурье.
Модулярная
параболическая форма f
S2(n)
называется
собственной
(по аналогии с собственными числами
линейных операторов: она является
собственной функцией для некоторого
семейства операторов – всех операторов
Гекке), если все коэффициенты ak
в ряде
являются целыми числами, удовлетворяющими
условиям:
– a1 = 1;
– amk = amak , если НОД(m, k) = 1;
–
для любого
простого p
| n;
–
для любого
простого p
n.
Наконец, эллиптическая
кривая y2
= x3
+ ax2
+ bx
+ c
с кондуктором N
называется
модулярной,
если существует такая собственная
модулярная параболическая форма
S2(N),
что ap
= p
– np
для всех простых чисел p,
за исключением конечного их числа, где
np
– это число
решений сравнения y2
x3
+ ax2
+ bx
+ c
(mod
p).
3. Гипотеза Таниямы. На первый взгляд, кажется невероятным существование хотя бы одной модулярной эллиптической кривой, ибо вышеприведённые условия модулярности и собственности формы слишком сложны, а числа np практически не вычислимы. Однако обширный эмпирический материал и развитая математическая сверхинтуиция позволили экстравагантному японскому математику Ютака Танияме (1927-1958) в 1955 г. сформулировать следующую смелую гипотезу: всякая эллиптическая кривая с рациональными коэффициентами модулярна.
В течение долгого времени эта гипотеза не привлекала внимания математиков из-за своей неправдоподобности. Но в 1970-е годы, благодаря работам Г. Шимуры и А. Вейля она стала популярной, но не на много более понятной, чем раньше. Особенно усилилась её популярность в математической среде после того как в 1985 г. немецкий математик Г. Фрей предположил, а американец К. Рибет доказал, что из гипотезы Таниямы следует Великая теорема Ферма.
Наконец, в 1993 г. математик и Принстона Э. Вайлс объявил о доказательстве той части гипотезы Таниямы, которой хватает для вывода Великой теоремы Ферма. В его рассуждениях были обнаружены пробелы, которые удалось залатать спустя почти два года вместе со своим учеником Р. Тейлором. С тех пор Великая теорема Ферма считается полностью доказанной. Полная версия гипотезы Таниямы была доказана позже усилиями целой группы специалистов, среди которых был и Р. Тейлор.
4. Вывод теоремы Ферма из гипотезы Таниямы. Пусть Великая теорема Ферма не верна, т.е. для какого-то простого числа s > 3 верно равенство a s + b s = c s, т.е. A + B = C, где A = as , B = bs , C = cs , НОД(A, B) = 1.
Рассмотрим эллиптическую кривую Фрея, в модулярности которой он усомнился первым, что и подтвердил доказательством К. Рибет:
y2 = x(x – A)(x – C) = x3 – (A + C)x2 + ACx.
Эта кривая уже
встречалась ранее: она полустабильна,
вычислен её дискриминант D
= 16A2B2C2
и кондуктор
.
Теорема (Рибета).
Пусть
: y2
= x3
+ ax2
+ bx
+ c
– модулярная
эллиптическая кривая с дискриминантом
,
кондуктором
и собственной модулярной параболической
формой
S2(N)
веса 2 и
уровня N.
Тогда для любого простого числа r
и
существует такая модулярная параболическая
форма
S2(Nr)
с целыми коэффициентами, что при любом
натуральном k
верно (bk
– ak)
r.
Если применить
эту теорему к рассматриваемой кривой
Фрея, то
.
Действительно, каждое нечётное простое
число p,
участвующее в разложении дискриминанта,
встречается ровно один раз (либо в A,
либо в B,
либо в C
ввиду попарной взаимной простоты этих
чисел) с показателем, делящимся на s,
и поэтому сократится в Ns
. Число 2
участвует в дискриминанте в степени
вида sk
+ 4 < s(k
+ 1) и не
делится на s
> 3, так что
2
участвует в числителе, но не участвует
в знаменателе, т.е. будет значением Ns
.
По теореме Рибета
найдётся форма
S2(2)
со свойством: при
любом натуральном k
верно (bk
– ak)
s.
Однако, как отмечалось выше, S2(2)
= {0}, поэтому
bk
= 0 (k
N),
а значит, ak
s
при любом
k
N,
вопреки условию a1
= 1.
Великая теорема Ферма доказана.
Изложенное доказательство теоремы Ферма снова подчёркивает всеединство математики. Для того чтобы понять рассуждения Вайлса, нужно быть специалистом экстра класса не только в современной (алгебраической) теории чисел, но понимать, как весьма тонкие аналитические методы теории модулярных форм, так и причудливую геометрию алгебраических кривых. Это не под силу ни узким специалистам в одной области математики, ни широко, но не глубоко образованным дилетантам. Такая ситуация обостряет проблемы математического образования: как нужно готовить студентов, чтобы они были способны воспринимать новейшие методы науки ?
