费马(Pierre de Fermat,公元1601 年- 公元1665 年)是一位多产的数学家,曾担任公务员。他被称为最伟大的业余数学家,但人们普遍认为,即使是顶尖的职业数学家也不一定如他。
他最大的贡献就是解决了困扰人类358年的大问题:
著名的费马-怀尔斯定理说道:
当n 大于2 时,不存在正整数解。
这个问题的解决相当困难(见《费马大定理―一个困惑了世间智者 358 年的谜》
费马大定理的简单应用:
我们不能用尺子和圆规在平面上画画
, p 是素数。
此外,费马的贡献众多且多种多样,几乎涵盖了当时数学的所有领域,例如:导数和切线、最小值和极值点、方程和曲线、概率和统计。对了,还有著名的费马小定理:
其中p 是素数,a 是正整数。
也可以写成可整除的形式:
事实上,它是欧拉定理的一个特例。欧拉定理说:
a和n都是正整数,(n)是欧拉函数,表示与n互质的小于n的正整数的个数。
你可能不喜欢欧拉函数,但你喜欢欧拉复数!
不仅男生喜欢,女生也喜欢!
费马小定理之所以在数论中重要,是因为它是数论中仅有的两个素性决定定理之一,另一个是威尔逊定理,即:
当且仅当p 是质数:( p -1 )! -1 ( mod p ),
事实上,这个定理最早出现在莱布茨的研究中。它为判断一个自然数是否为素数提供了充要条件。但由于阶乘呈爆发式增长,计算量并不是一般的大,甚至比古代的筛法还要大。那么谁会使用这种方法来确定素数呢?
现在最古老、最困难的问题之一是素数公式。如果不考虑时间,下面的“素数公式”可以计算出所有素数:
[ ]代表高斯函数。这样计算出来的结果都是素数。如果你不相信我,你试试?
证明费马小定理很难吗?如果你想使用同余理论,这并不太困难。它只需要一些引理,例如二次余数等。为了简单易懂,先说一下大概的思路吧!
例如:
选择任何素数,例如11。考虑一系列从1 到10、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 的整数。将这些数字乘以与11、如3,得到3、6、9、12、15、18、21、24、27、30。对11 求模,这些数字与3,6,9,1,4,7,10,2,5,8 相等。这些余数实际上就是原来的1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,只是顺序不同。
乘以1,2,3,…,10,结果就是10, 10 的阶乘!将所有3, 6, 9,30 相乘并提取公因数3。乘积为
对于模11,两个乘积都与级数1,2,3,…,10 一致,尽管顺序不是一一对应的,即31210!等于10! (模11)。
两边除以10!必须
如果我们用p 代替11,用a 代替3,我们就得到了费马小定理。
那么,这个证明非常简单,对吧?
如果你不知道一致性,那也没关系。你总是知道数字减少,这是多米诺骨牌效应的数学归纳法。
,下面通过数值约简的方法证明(这里a是数值约简,p不能数值约简,因为p不具有连续性),但是需要注意的是,使用数值约简的第一步是验证当a=1,2成立,然后假设a=k成立,最后推导出a=k+1时也成立。有时有人说当a=1时显然为真。在这里,显然a=1 成立,但是a=2 也成立吗?有一点很重要,这里a=1成立,并且有其特殊性(值为0)。那么从a=1到a=2的递归与从a=2到a=3的递归有本质的区别。
由于a=2不明显,我们来证明一下:
当a=2时,
由于P 是素数,显然
那么我们知道命题a=2为真;
假设a=k,则命题成立,即
那么有
由上述假设
而且很容易看到
那你就知道
这表明当a=k+1时命题也成立。根据归纳原理,该命题对于所有自然数a都成立。
应用组合理论,费马小定理还有如下证明。这个证明可以想象为项链证明:
有n种不同颜色的珠子,每种珠子的数量是足够的。我们首先将这些珠子串成所有可能的由p珠组成的直串。然后将这些直绳的两端连接起来,形成一条项链。通过这种方式获得了许多不同的项链。还有很多是一模一样的。现在数一下各种项链的数量。
首先,将一根直绳绕在上面,形成一条项链。从上到下、从下到上环绕。珠子的循环顺序正好相反(如图1)
如果旋转一条项链得到另一条项链,那么这两条项链显然是相同的。然而,如果一条项链必须翻转才能旋转成另一条项链,那么这两条项链(比如2条)就不一样了·
由于直绳项链的制作方法不同,得到的项链也不同,所以我们规定所有直绳项链的制作方法必须相同,例如从下到上或从上到下。因为直串中的每颗p 珠子都可以选择n 种不同的颜色。所以总共有
有n条由不同直绳和p珠组成的单色项链。每一条这样的项链在旋转后都不会改变,除了这n条单色项链。其余的
多种颜色的直绳。只有形成项链,才会出现同样的东西。
取任意一条项链N,在相邻两颗珠子之间的p个位置处剪断,则得到一条直串
(如图3,圆弧上的短线记录了切口)
现在,我们知道这些字符串彼此不同。如果没有的话,有两个
是一样的。与这些直线对应的切口
之间的数字为d(如图4)
如果将一条N 型项链放在另一条N 型项链上,则上下珠子的颜色将完全相同。然后将上项链翻到d珠上,使上切口与下切口重合。
那么由于
完全一样。所以上面和下面的珠子还是一模一样的。
可以看出,在项链N上,转动d珠子并不会改变珠子的配色。因此,项链N上,每颗珠子的颜色一定与从开始转动d珠子起的珠子颜色相同。珠子是一样的。如果d=1,则所有珠子颜色相同,不考虑这条单色项链。所以d1,并且由于d 是两个切口之间的珠子数量,dp。
由于p是素数,1dp,d不能整除p,所以p=qd+r,0rd。因为将项链N旋转一整圈的结果仍然是项链本身,而d颗珠子旋转的结果也是项链N,所以连续q次旋转d颗珠子,然后旋转r颗珠子被执行。结果A完整的旋转完成了,所以r个珠子旋转后,N依然变成了自己。
因此,项链N上每颗r-1珠子的颜色一定是相同的。由于N不是单色项链。所以r1,即1rdp,同样可以看出。有一个更小的整数
具有相同的性质,重复这个论证会得出这样的结论:1到p之间存在多个整数,这是不可能的。所以我们证明了p 直弦
彼此不同。
这样,直串和项链之间就存在p对1的对应关系。也就是说,p条不同的直绳组成的P条项链实际上是同一条项链。因此,不同的项链
由于这是一个整数,所以
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用户评论
小时候学过Fermat小定理,当时就觉得这个定理真神奇。
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数学的奥妙之处在于它能用简洁的公式概括复杂的现象,Fermat小定理就是一例。真是美妙!
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感觉很多看似简单的数学问题背后都隐藏着深邃的道理,就像Fermat的小定理一样。
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这个标题很吸引我,我一直很好奇Fermat小定理背后的故事。
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费马大定理是大家耳熟能详的,但我也想了解一下它的基础版-Fermat小定理!
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要理解更高深的问题,基础知识一定得打牢!比如Fermat小定理这种入门级数学题。
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对数论感兴趣的人应该都对Fermat小定理有一定了解吧?
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希望这个帖子能详细讲一讲Fermat小定理的推导过程,我是真的比较好奇!
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看完标题就想起高中学过的数学知识了,好怀念那时候...
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学习学习Fermat小定理,提升一下我的数学水平!
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费马的小定理这个数学原理太厉害啦,感觉能应用到很多地方
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一直想弄明白Fermat小定理的奥妙之处,有机会要好好读读相关文献
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数学果然很有趣啊!
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学习数学的过程真是充满挑战和乐趣。比如学习Fermat小定理的过程
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希望这个帖子能让我对Fermat小定理有更深入的理解
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Fermat小定理是基础,奠基知识最重要!
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数学博弈游戏太精彩了!
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学习数学,需要的是逻辑思维和耐心!
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