- 主题:“狄青猜想”——费马定理与卡塔兰猜想的高级延伸
x的a次方+y的b次方=z的c次方
x,y,z 均不为0,正负1 正负2
a,b,c 均不为0,正负1 正负2
且x的a次方不等于y的b次方
狄青猜想,以上方程没有x不等于y,且6个数均为自然数的解。
※ 修改:·druidps 于 Jun 16 12:54:26 2024 修改本文·[FROM: 114.217.210.*]
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FROM 49.75.96.*
我找到了一个解,但数值太大,这里写不下。
【 在 druidps 的大作中提到: 】
: x的a次方+y的b次方=z的c次方
:
: x,y,z 均不为0,正负1
: ...................
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FROM 39.184.39.*
这好像是一个著名的猜想,一个学数学的银行家悬赏一百万美金
【 在 druidps 的大作中提到: 】
: x的a次方+y的b次方=z的c次方
:
:
: ...................
--来自微微水木3.5.14
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修改:spioner007 FROM 27.29.204.*
FROM 27.29.204.*
这次聊一个数论里的著名猜想——“卡塔兰猜想”(Catalan's Conjecture)。其实它已经被证明了,它的名字现在应该叫做“米哈伊列斯库定理”才对。但无奈“卡塔兰猜想”的名字太著名了,用了太久了,所以没有人会用“米哈伊列斯库定理”这个名字。就像人们只知道“费马大定理”,而不会叫它“怀尔斯定理”。
卡塔兰猜想是比利时数学家欧仁·查理·卡塔兰在1844年提出的一个猜想:
方程:?
其中x, y, p, q都是正整数,p, q大于1,
只有?
这样一组非平凡解。
这个猜想用一种直观的描述就是:请你把自然数中幂次形式的数,也就是可以表示成?形式的数都列出来,其中a, b都是自然数,且指数b>1。那么自然数中符合这个条件的有:
1, 4, 8,9, 16, 25, 27, 32, 64......
现在问所有这些数字中,有没有连续的两个整数?以上已经列出来一对:8和9,但后面还有没有这样连续的两个幂次数呢?卡塔兰猜想就是说:除了8和9这一对之外,再也没有连续的都是幂次形式的自然数了。
这个命题的内容简单到小学生都可以理解。但一般来说,数论里这种小学生都可以理解的命题都是特别难的。
那来看一下这个问题被解决的历史过程吧。其实早在卡塔兰提出这个猜想的500年前,法国中世纪的犹太哲学家,吉尔松尼德(Levi ben Gerson,1288 - 1344)就证明了卡塔兰猜想的一个最简单的特例:两个完全平方数和完全立方数之间,只有8和9是相差1的,再也没有其他的了。
但是吉尔松尼德的证明当时并不为人知,所以后来欧拉又证明了同样的结论。欧拉的证明是比较复杂的,后来人们找到了相对简单的证明。我简单说说这个证明的思路。
还是回到原来的不定方程,现在我们只考虑完全立方数和完全平方数之间的情况,那么方程就便成为:
?
其中最简单的情况是右边等于1的情况,也就是:
?
这个方程,我们要证明它没有正整数解。证明第一步,我们把它改写成:
?
然后我们要对右边进行因式分解。虽然右边的?,在中学数学课本里是无法因式分解的,但是如果你听过大老李的节目,知道有“高斯整数”这个东西,那么?就可以分解为:
?
其实,这是最关键的一步!虽然我们是在通常的整数范围内提出的问题,但是证明过程中,我们要跳入到“高斯整数”这个更大的“宇宙”中去。因为我们知道,如果原方程有正整数解,那么那些解也同样满足高斯整数条件下的命题。因为高斯整数包含所有整数,所以我们把?分解成?是没有任何问题。
一旦右边进行了因式分解,那么问题就迎刃而解。你所需要分析的是?和?两个数的最大公约数。你会发现,这个最大公约数必须是2的因子,也就是它只可能是2或者1。
但另一方面,因为?,?。
对任何偶数,其3次方必然整除4,所以?只能是奇数,则?和?的最大公约数只是1,也就是?和?互质。
但要注意的是,在高斯整数中,“互质”表示这两个数的公因子为?和?,这四种情况之一。还要注意,以上分析中用到一个重要前提是:“高斯整数”具有“唯一因子分解定理”。如果没有这个性质,那么很多讨论就进行不下去的。
既然?和?互质,意味着?和?本身必须是一个完全立方数,即:
?
其中a、b是整数,?是?、?之一。因为?总是高斯整数下的一个单位元(unit),所以?基本可以忽略, 于是:
?
展开后,比较等式左右两边的实部和虚部。可以解得唯一解y=0(x=1),于是方程?
没有正整数解。
对另一种情况:?,需要证明它除了?和?以外,没有其他正整数解。第一步还是如法炮制,因式分解:
?
这次同样可以确定?和?的最大公因子不是2就是1。虽然到这里的步骤,是大家应该很习惯的,但后面的讨论过程其实要比之前的高斯整数下的分析麻烦些,用到的准备知识会多一些,所以这里就不详述了。
以上就是现代数学中,对证明?这个方程,仅有?和?基本过程。以上就是卡塔兰猜想最简单的一个特例。
下一个突破是1850年,勒贝格证明了?这个方程无整数解(要注意,他不是发明“勒贝格积分”的那个勒贝格,只是同一个姓)。勒贝格的证明第一步其实与之前还是一样,把方程分解为:?。
再下一个突破要经过的时间就很长了。过了111年,到1961年,中国数学家柯召(1910年4月12日~2002年11月8日)证明了,如果?有解,那么?要大于?,这样一个非常大的数字。
再到1976年,美国的Joseph E.Z. Chein去掉了这个下界,最终证明了?这个方程在?的时候无解。
但以上只是固定了一个幂次为完全平方数的情况,距离卡塔兰猜想还有相当大的距离。1999年, M. Mignotte 证明如果还有其他解,那么两个指数都有上界:
??
但两个指数还是太大,远超计算机可以枚举的范围。
终于到2002年,罗马尼亚数学家普雷达·米哈伊列斯库(Preda Mihailescu, 1955 - )最终完成了卡塔兰猜想的证明,从而解决了这个有150多年历史的猜想。他的证明的核心技术是环理论的“零化子”(annihilator),当然也是基于前人的成果。因为之前有人证明,如果卡塔兰猜想还有其他解,那么两个指数必须是某种特殊形式的质数对(Double Wieferich Prime Pair)。米哈伊列斯库证明,即使指数是这种形式的质数对,也无解,所以完成了证明。
以上介绍了“卡坦兰猜想”的历史,我知道你很想看看它的扩展。你能想到的第一个扩展大概是,两个幂次相差2的情况,之前列举过程中我们就看到了一组解是25和27。那有没有其他解?我是没找到。
但一个直观感觉是幂次数之间的距离总体上是逐渐增加的,所以现在数学家猜想:?,?是任何正整数,这个方程只有有限多的整数解。这是目前的一个猜想。而如果“ABC猜想”为真,这个猜想也为真。
卡塔兰猜想的另一个更有意思的扩展叫“费马--卡塔兰猜想”。它有点像费马大定理和卡塔兰猜想的结合体。费马大定理说?,指数大于等于3的情况下无解。那么允许指数不同的情况下,解的情况为何?或者说,更一般的情况下,对方程:
?
非平凡正整数解的情况如何?
数学家注意到一个情况是,如果三个指数都比较小的情况下,解是很多的。比如三个指数都是2,那就是勾股定理嘛。而如果三个指数要求比较大,解就少很多。特别是,如果要求三个指数的倒数和小于1的话,解的情况非常有意思。
目前已知,在?的情况下,对以上方程,现在找到以下10组解:
?
其中p>6;
?
那么费马——卡塔兰猜想就是说,除了以上10组解,这个方程没有其他解。这是一个神奇的现象,对我来说这10组解看上去都是些奇奇怪怪的数字。数学里这种出现若干特别数字特例的情况是非常少的。我不太清楚数学家如何找到这10组解的,反正对我来说这10组解太有神秘感了。
而观察上面的10组解的话,你会发现,任何一组解里都有一个指数为2的数,也就是会出现完全平方数。由此出现一个“Beal猜想”,称:
以上方程在指数都大于2的情况下,无(非平凡)解。
Beal是美国的银行家,也是数学爱好者。他出资悬赏100万美元,证明这个猜想。当然,这个猜想与费马——卡塔兰猜想谁更难,是见仁见智了。如果你要找反例的话,那么Beal猜想更难,因为它要求反例中的指数都大于2。如果是证明猜想为真的话,那么“Beal猜想”稍微简单点。因为如果“费马——卡塔兰猜想”为真,就蕴含了Beal猜想为真,反之不然。
以上猜想还能扩展到高斯整数范围内,还有一些神奇数字。比如,对原版“卡塔兰猜想”,高斯整数中有一组解:
?
对,“费马——卡坦兰猜想”,高斯整数内也有若干解,比如:
?
对,“Beal猜想”,高斯整数中找到一个反例:
?
当然这些解怎么找,是不是全部解,这些问题就太难了。
好了,今天关于卡塔兰猜想的问题就聊到这里,最大感想还是数论的深不可测。而高斯整数在这些问题中非常有用,更加验证了“虚数不虚”。
【 在 druidps 的大作中提到: 】
: x的a次方+y的b次方=z的c次方
:
:
: ...................
--来自微微水木3.5.14
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FROM 27.29.204.*
2^3 + 2^3 = 2^4
2^5 + 2^5 = 4^3
2^8 + 2^8 = 8^3
这样的解要多少有多少
【 在 druidps 的大作中提到: 】
: x的a次方+y的b次方=z的c次方
: x,y,z 均不为0,正负1
: a,b,c 均不为0,正负1 正负2
: 狄青猜想,以上方程没有6个数均为自然数的解。
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FROM 202.196.71.*
【 在 nwn 的大作中提到: 】
: 2^3 + 2^3 = 2^4
: 2^5 + 2^5 = 4^3
: 2^8 + 2^8 = 8^3
: ...................
在你的指点下,我修改了题设,现在x,y,z也不能是正负2了
你还能找出来吗
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FROM 58.209.46.*
【 在 spioner007 的大作中提到: 】
: 这次聊一个数论里的著名猜想——“卡塔兰猜想”(Catalan's Conjecture)。其实它已经被证明了,它的名字现在应该叫做“米哈伊列斯库定理”才对。但无奈“卡塔兰猜想”的名字太著名了,用了太久了,所以没有人会用“米哈伊列斯库定理”这个名字。就像人们只知道“费马大定理”,而不会叫它“怀尔斯定理”。
: 卡塔兰猜想是比利时数学家欧仁·查理·卡塔兰在1844年提出的一个猜想:
: 方程:?
: ...................
修改了一下,现在费马定理和卡塔兰定理,都是狄青猜想的一个低级特殊形式了。
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FROM 58.209.46.*
4^4+4^4=8^3
【 在 druidps 的大作中提到: 】
: x的a次方+y的b次方=z的c次方
:
: x,y,z 均不为0,正负1 正负2
: ...................
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FROM 123.153.3.*
【 在 gtgtjing 的大作中提到: 】
: 4^4+4^4=8^3
好吧,你又赢了。不过你这个属于钻空子,4的4次方等于2的8次方。
我特地为你立了第三条规矩。
估计这次把你难倒20年
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FROM 114.217.210.*
(27*4)^4+(27*4)^4=(81*8)^3
【 在 druidps 的大作中提到: 】
: x的a次方+y的b次方=z的c次方
:
: x,y,z 均不为0,正负1 正负2
: ...................
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FROM 211.90.235.*