[TOP]

フェルマー予想と直角三角形

2017年3月1日作成

フェルマーは「算術」の写本の、上記の問題のページの余白に

立方数は2つの立方数に分割することはできず、4乗数は2つの4乗数に分割することはできず、 それより高次のいかなる次数の累乗数も、2つの、同じ次数の累乗数に分割することはできない。私はこのことの真に驚くべき証明を発見したが、 この余白はそれを記すには狭すぎる
と記した。すなわち \[ X^n+Y^n=Z^n, n\geq 3, XYZ\neq 0 \] に解がないことを証明したと主張したのである。しかし、フェルマーによる証明は現在のところ存在が確認されていない。

フェルマーは「算術」の写本の別の箇所に「辺の長さが全て有理数で面積が1の直角三角形は存在しない、言い換えれば 辺の長さがすべて整数で、かつ面積が平方数となる直角三角形は存在しない」ことの証明を記している。 これは上記の解の公式から不定方程式 \[ mn(m^2-n^2)=l^2 \] の自然数解 $m, n, l$ を発見する問題と考えることができる。ここで $k=\gcd(m, n) > 1$ とすると $\gcd(m_0, n_0)= 1$ かつ $m_0=m/k, n_0=n/k, z_0=z/k^2$ もこの方程式の自然数解となる。したがって $\gcd(m, n)=1$ の場合を考えることに帰着する。

このとき $\gcd(m, m^2-n^2)=\gcd(n, m^2-n^2)= 1$ となる。 というのは、例えばある素数 $p$ が $m, m^2-n^2$ を共に割り切るならば $p$ は $m^2-(m^2- n^2)=n^2$ を、ということは $n$ をも割り切ってしまい、 $\gcd(m, n)= 1$ の場合に限定したことに反するからである。

そうなると、 $m, n, m^2-n^2$ はすべて平方数である。したがって \[ m=X^2, n=Y^2, m^2-n^2= Z^2 \] とおくと $X, Y, Z$ は不定方程式 \begin{equation} X^4-Y^4=Z^2 \end{equation} の自然数解となる。この方程式に非自明な自然数解が存在しなければ、 先のフェルマーの方程式は $n=4$ のとき、確かに非自明な自然数解は存在しない。つまり フェルマーは $n=4$ のときには自身の「定理」を証明していたことになる。 なお、辺の長さが全て整数の直角三角形の面積は平方数とはなり得ないことは それ以前にフィボナッチが主張していたが、その証明は完全ではなかった。

フェルマーは数多くの定理を証明したと主張したが、その証明の殆どは現在では存在が確認できない。 しかし、この直角三角形の定理は存在が確認できる非常に数少ないものの一つである。

一方、後年フェルマーの主張した定理や予想を研究したオイラーは \begin{equation} X^4+Y^4=Z^2 \end{equation} には非自明な自然数解は存在しないことを証明した。これはやはりフェルマーの方程式の $n=4$ の場合を含んでいる。

フェルマーの主張した、他の定理や予想はすべて後年に真偽が決着したが、フェルマー予想は最後まで 真偽が判明しないまま残ったため、フェルマーの最終定理と呼ばれるに至った。

オイラーは、最も次数の低い場合、つまり \[ X^3+Y^3=Z^3 \] に非自明な解が存在しないことを証明したと主張したが、その証明には不完全な点があった。オイラーは 複素数の範囲で因数分解したが、オイラーの考えた範囲では素因数分解の一意性が成り立たないのである。 しかし、範囲を変えることで素因数分解の一意性が成り立つようにでき、結局 $n=3$ のときには 整数解が存在しないことがわかる。

なお、 $n=3, 4$ の場合に非自明な解が存在しないことから、 $n$ が $3, 4$ の倍数であるときにも 非自明な解が存在しないことがわかる。例えば \[ X^{3m}+Y^{3m}=Z^{3m} \] ならば、 \[ (X^m)^3+(Y^m)^3=(Z^m)^3 \] となるが、これには非自明な解が存在しないのだから、 $n=3m$ のときにも解は存在しないのである。

フェルマー予想は最終的に1995年に解決されるが、その後の研究についての通史的な解説は他に譲るとして、 ここでは、実際に $n=4$ のときに非自明な解が存在しないことを示してみよう。実はこの場合は、 ピタゴラス方程式の解の公式を用いて、非自明な解が存在しないことを 比較的簡単に証明できるのである。


$X^4-Y^4=Z^2$ は非自明な解を持たない

まず、前に書いたように、フェルマーが非自明な解が存在しないことを証明した方程式 (1) について考える。この方程式が正の整数解を持つと仮定し、その中で $x$ が最小となるものを $(x, y, z)$ とおく。

$x, y$ が共に $d$ で割り切れるとき $x^4-y^4$ は $d^4$ で割り切れるので $z$ は $d^2$ で割り切れる。 ここで $d > 1$ ならば $(X, Y, Z)=(x/d, y/d, z/d^2)$ が上記の方程式の正の整数解となるが、これは $(x, y, z)$ が最小の正の整数解であることに矛盾するから $d=1$ でなければならない。つまり $\gcd(x, y)=1$ である。

よって $x^2, y^2$ も互いに素であるから、ピタゴラス方程式の解の公式より \begin{equation} x^2=m^2+n^2, y^2=m^2-n^2, z=2mn \end{equation} または \begin{equation} x^2=m^2+n^2, y^2=2mn, z=m^2-n^2 \end{equation} となる。ただし $m > n$ は互いに素な、正の整数である。

(3) の場合、 \[m^4-n^4=(xy)^2\] となるので $(X, Y, Z)=(m, n, xy)$ も (1) の解となるが、 $m \lt x$ だから $X=x$ が (1) を満たす最小の正の $X$ であることに矛盾してしまう。よって (3) はありえない。

(4) の場合 $m, n$ は互いに素であるから $x^2=m^2+n^2$ に ピタゴラス方程式の解の公式を用いて \[ m=r^2-s^2, n=2rs \] または \[ m=2rs, n=r^2-s^2 \] を得る。ただし $r > s$ はやはり互いに素な、正の整数である。いずれの場合も \[ y^2=4rs(r^2-s^2) \] が成り立つ。ここで $r, s, r^2-s^2$ はどの2つも互いに素でなければならない。というのは、 たとえば $r, r^2-s^2$ が共にある素数 $p$ で割り切れるならば $s^2=r^2-(r^2-s^2)$ も $p$ で割り切れるから $r, s$ が共に $p$ で割り切れなければならないが、 $r, s$ は互いに素なので そのようなことは起こり得ないからである。よって3つの数 \[ r, s, r^2-s^2 \] は共に平方数である。そこで $r=t^2, s=u^2, r^2-s^2=v^2$ とおくと \[ v^2=r^2-s^2=t^4-u^4 \] より $(X, Y, Z)=(t, u, v)$ も $t \lt r \lt y \lt x$ より、やはり $x$ の最小性に矛盾する。したがって (4) もありえない。

これらのことから (1) は非自明な解を持たないことが分かるのである。


$X^4+Y^4=Z^2$ は非自明な解を持たない

オイラーは (2) も非自明な解を持たないことを示した。こちらの証明はさらに簡単である。 (2) の正の整数解で $Z$ が最小となるものを $(x, y, z)$ とおく。

やはり $x^2, y^2$ は互いに素であるから、ピタゴラス方程式の解の公式より \begin{equation} x^2=m^2+n^2, y^2=2mn, z=m^2+n^2 \end{equation} または \begin{equation} x^2=2mn, y^2=m^2-n^2, z=m^2+n^2 \end{equation} となる、互いに素な正の整数 $m, n$ がとれる。

いずれの場合も $m^2-n^2, 2mn$ は共に平方数であり、 かつ互いに素である。したがって $m^2-n^2$ は奇数の平方数である。よってピタゴラス方程式の解の公式より \[ m=r^2+s^2, n=2rs \] となる、互いに素な正の整数 $r, s$ がとれる。ここで $2mn$ が平方数であることを思い出すと \[ rs(r^2+s^2)=mn/2 \] も平方数である。

ところで $r, s, r^2+s^2$ はどの2つも互いに素でなければならない。というのは、 たとえば $r$ と $r^2+s^2$ が共に素数 $p$ で割り切れたとすると $s^2=(r^2+s^2)-r^2$ も $p$ で割り切れ、よって $s$ も $p$ で割り切れなければならないが、 $r, s$ は互いに素であることに 矛盾してしまうからである。

よって $r, s, r^2+s^2$ はいずれも平方数である。そこで $r=t^2, s=u^2, r^2+s^2=v^2$ とおくと \[ t^4+u^4=r^2+s^2=v^2 \] となる。よって $(X, Y, Z)=(t, u, v)$ も (2) の正の整数解である。しかし、これは $v\lt v^2=r^2+s^2=m\lt z$ より $z$ の最小性に反する。

こうして (2) も正の整数解を持たないことが示されたのである。

タイトル
名前
URL
E-mail address
本文中ではLaTeXコマンドが使用可能です。
イメージ色
[admin]


[BACK][NEXT]

#507:[ How To Costume If You Finish Up The Mom Of The Bride Or Groom ] Home Mail Irish_____Date: 07/07 19:41 GMT
https://digi571sa.z44.web.core.windows.net/research/digi571sa-(26).html
The gown is figure-hugging and presents a easy silhouette.

#506:[ Mother Bride Dresses Formal ] Home Mail Suzanna_____Date: 07/07 19:18 GMT
https://digi605sa.netlify.app/research/digi605sa-(336)
Consider selecting a glance that may remodel from the ceremony to the reception.

#505:[ Designer Mom Of The Bride & Groom Attire ] Home Mail Linnie_____Date: 07/07 18:46 GMT
https://digi605sa.netlify.app/research/digi605sa-(481)
With a gentle fit on the hips, this dress is designed to flatter you in all the right locations.

#504:[ Low-cost Mother Of The Bride Attire, Top Of The Range On Sale Now ] Home Mail Emily_____Date: 07/07 17:29 GMT
https://digi601sa.netlify.app/research/digi601sa-(52)
Next, think about what silhouettes work greatest for your physique type and what features you want to spotlight.

#503:[ Mom Of The Bride & Groom Clothes ] Home Mail Xavier_____Date: 07/07 16:03 GMT
https://digi620sa.netlify.app/research/digi620sa-(206)
While you don’t wish to look like a bridesmaid , it is savvy to tie in your look with the texture and colour palette of the marriage.

#502:[ Mom Of The Bride Dresses & Robes 2021 ] Home Mail Blair_____Date: 07/07 14:56 GMT
https://digi609sa.netlify.app/research/digi609sa-(283)
Florals can generally be tricky to put on as a result of they can look old-fashioned.

#501:[ Mom Of The Bride Dresses ] Home Mail Warren_____Date: 07/07 14:50 GMT
https://digi610sa.netlify.app/research/digi610sa-(82)
With over 1,868 5 star reviews and coming in properly under $100, this Gatsby fashion Maxi robe is sure to impress.

#500:[ The Most Effective Mom Of The Bride Outfits ] Home Mail Melisa_____Date: 07/07 14:49 GMT
https://digi571sa.z44.web.core.windows.net/research/digi571sa-(493).html
The large florals with the black background are particularly on development and the ruching provides a flattering element.

#499:[ Mother Of The Bride Attire & Outfits ] Home Mail Willie_____Date: 07/07 11:29 GMT
https://digi565sa.z45.web.core.windows.net/research/digi565sa-(232).html
Beading in tones of blue, gray, and silver add dimension and complicated sparkle to this flattering mesh column gown.

#498:[ Mother Bride Dresses Formal ] Home Mail Lashay_____Date: 07/07 08:51 GMT
https://digi22sa.blr1.digitaloceanspaces.com/research/digi22sa-(73).html
This mixture is particularly nice for summer time weddings.

#497:[ Low-cost Mother Of The Bride Attire, Top Quality On Sale Now ] Home Mail Margareta_____Date: 07/07 07:21 GMT
https://digi566sa.z11.web.core.windows.net/research/digi566sa-(452).html
Beach weddings are extra laid-back and casual than other kinds of nuptials—and a proper dress would really feel misplaced.

#496:[ Mother Of The Bride Clothes & Gowns 2021 ] Home Mail Reda_____Date: 07/07 06:07 GMT
https://digi609sa.netlify.app/research/digi609sa-(159)
From the floor-sweeping A-line skirt to the on-trend off-the-shoulder sleeves, there's a lot to like.

#495:[ Mother Of The Bride Attire By Montage ] Home Mail Alecia_____Date: 07/07 00:23 GMT
https://digi619sa.netlify.app/research/digi619sa-(358)
Black can additionally be one other dangerous color, but can work perfectly nicely at more formal weddings.

#494:[ Designer Mother Of The Bride & Groom Dresses ] Home Mail Max_____Date: 07/06 23:59 GMT
https://digi607sa.netlify.app/research/digi607sa-(440)
Most important thing is that you’re comfy and not going to over heat.

#493:[ Mom Of The Bride Clothes ] Home Mail Donnie_____Date: 07/06 22:54 GMT
https://digi608sa.netlify.app/research/digi608sa-(44)
So before I even go into element mom of the bride outfit ideas, I want to emphasize one necessary thing.

#492:[ Mom Of The Bride Attire ] Home Mail Valorie_____Date: 07/06 22:23 GMT
https://digi23sa.syd1.digitaloceanspaces.com/research/digi23sa-(261).html
If full skirts and punchy prints aren't your mother's go-to, try a statement sleeve.

#491:[ Cheap Mom Of The Bride Attire, Top Quality On Sale Now ] Home Mail Angeles_____Date: 07/06 21:08 GMT
https://digi570sa.z31.web.core.windows.net/research/digi570sa-(53).html
Think oh-so-elegant bags and fascinators that’ll complete your Mother of the Bride outfit in serious type.

#490:[ Mother Of Bride Attire ] Home Mail Lynda_____Date: 07/06 20:35 GMT
https://digi19sa.ams3.digitaloceanspaces.com/research/digi19sa-(333).html
Her mom, who similarly sparkled in a gold silk dupioni floor-length skirt go well with.

#489:[ Mother Of Bride Dresses ] Home Mail Ana_____Date: 07/06 19:36 GMT
https://digi570sa.z31.web.core.windows.net/research/digi570sa-(426).html
Many girls are involved about exposing their upper arms.

#488:[ Mother Of The Bride Attire & Mother Of The Groom Clothes ] Home Mail Maybelle_____Date: 07/06 17:46 GMT
https://digi564sa.z29.web.core.windows.net/research/digi564sa-(115).html
We've obtained all the recommendation and inspiration you have to discover the perfect mom-of-the-bride outfit.

#487:[ The Way To Dress When You're The Mother Of The Bride Or Groom ] Home Mail Carin_____Date: 07/06 15:55 GMT
https://digi569sa.z48.web.core.windows.net/research/digi569sa-(170).html
Don’t be concerned with having everything match perfectly.

#486:[ Designer Mother Of The Bride & Groom Dresses ] Home Mail Nell_____Date: 07/06 15:54 GMT
https://digi18sa.lon1.digitaloceanspaces.com/research/digi18sa-(493).html
Use these as assertion pieces, perhaps in a brighter colour than the relaxation of the outfit.

#485:[ Low-cost Mom Of The Bride Attire, Top Of The Range On Sale Now ] Home Mail Rosemarie_____Date: 07/06 15:43 GMT
https://digi562sa.z1.web.core.windows.net/research/digi562sa-(29).html
Sweet and sophisticated, this gown wows with its bold tone and traditional silhouette.

#484:[ Mom Of The Bride Clothes & Outfits ] Home Mail Shawn_____Date: 07/06 12:45 GMT
https://digi619sa.netlify.app/research/digi619sa-(365)
Beading in tones of blue, gray, and silver add dimension and complex sparkle to this flattering mesh column gown.

#483:[ Mother Of The Bride Attire & Mother Of The Groom Dresses ] Home Mail Rae_____Date: 07/06 11:31 GMT
https://digi17sa.tor1.digitaloceanspaces.com/research/digi17sa-(407).html
For the mom who likes to look put collectively and fashionable, a jumpsuit in slate grey is certain to wow.

#482:[ Mother Of The Bride Attire & Mom Of The Groom Clothes ] Home Mail Desiree_____Date: 07/06 11:23 GMT
https://digi19sa.ams3.digitaloceanspaces.com/research/digi19sa-(57).html
If the Bridesmaids are in a cornflower blue, for example, a navy and cornflower outfit would look nice within the pictures.

#481:[ Mother Of The Bride Dresses & Gowns 2021 ] Home Mail Damien_____Date: 07/06 10:35 GMT
https://digi563sa.z8.web.core.windows.net/research/digi563sa-(136).html
Peach, crimson, and gold introduced punchy color to a conventional Indian sari.

#480:[ 25 Plus Measurement Mother Of The Bride Clothes Your Mother Will Rock ] Home Mail Lucia_____Date: 07/06 07:46 GMT
https://digi569sa.z48.web.core.windows.net/research/digi569sa-(298).html
I think each of the above might work with winery weddings.

#479:[ Mom Of The Bride Attire & Outfits ] Home Mail Brittny_____Date: 07/06 07:37 GMT
https://digi568sa.z12.web.core.windows.net/research/digi568sa-(320).html
There is no set do’s and don’ts in phrases of shade, solely to avoid white.

#478:[ Mom Of The Bride Clothes ] Home Mail Markus_____Date: 07/06 07:32 GMT
https://digi601sa.netlify.app/research/digi601sa-(454)
Think about jewelry, footwear and handbags – all things that may assist make your mother of the bride outfit distinctive.

#477:[ Mom Bride Attire Formal ] Home Mail Tami_____Date: 07/06 03:05 GMT
https://digi609sa.netlify.app/research/digi609sa-(465)
We even have tea-length attire and lengthy clothes to suit any season, venue or choice.

#476:[ Mom Of The Groom And Mother Of The Bride Clothes ] Home Mail Mammie_____Date: 07/06 01:38 GMT
https://digi20sa.fra1.digitaloceanspaces.com/research/digi20sa-(443).html
For the mother whose fashion is sleek and minimal, opt for a robe with an architectural silhouette in her favourite shade.

全てのコメントを HTML 化してダウンロードできます。
ダウンロード後、ファイルの拡張子をhtml に変更してご利用ください。


管理者 Tomohiro Yamada : JawaNote v1.41 [Shigeto Nakazawa], revised by Tomohiro Yamada