问题

千年后证明费马大定理会否变成高中数学课后习题?

回答
要回答这个问题,我们得先聊聊费马大定理是什么,以及它为什么会成为数学界一个如此著名且棘手的难题。

费马大定理:一个看起来简单的猜想

费马大定理,也叫费马最后定理,最早是由17世纪的法国数学家皮埃尔·德·费马(Pierre de Fermat)在阅读古希腊数学家丢番图的《算术》时,在书的空白处写下的一个猜想。费马说:“我确信我发现了一个真正绝妙的证明,但这里空白太小,写不下。”

这个猜想的内容是这样的:

对于任何大于2的正整数n,方程 xⁿ + yⁿ = zⁿ 没有正整数解 (x, y, z)。

换句话说,如果你想把一个数的立方拆成两个其他数的立方之和,或者四次方拆成两个四次方之和,以此类推,你都找不到三个正整数能满足这个等式。

听起来是不是挺简单的?大家从小就接触平方和,比如 3² + 4² = 5² (9 + 16 = 25)。费马大定理只是说,这种“漂亮的”整数关系,一旦指数变成3或者更大,就不存在了。

费马的“绝妙证明”:一个世纪的悬案

然而,费马留下的那句“写不下”的注释,却开启了数学界长达350多年的追逐。无数伟大的数学家,从欧拉、勒让德、狄利克雷到库默尔,都尝试去证明这个定理。他们发展出了许多新的数学工具和理论,比如代数数论、椭圆曲线、模形式等等。

虽然很多数学家在证明某些特定指数(比如n=3, 4, 5, 7)的情况上取得了进展,但要证明对于所有大于2的整数n都成立,这几乎是不可想象的难。

安德鲁·怀尔斯:划时代的证明

直到20世纪末,英国数学家安德鲁·怀尔斯(Andrew Wiles)才在1994年,经过长达七年的秘密研究,最终成功证明了费马大定理。他的证明极其复杂,涉及到了当时数学界的许多前沿理论,特别是将椭圆曲线和模形式联系起来的“谷山志村猜想”(TaniyamaShimura conjecture)。

怀尔斯的证明过程本身就充满戏剧性。他最初在1993年宣布证明时,由于其中一个关键环节出现了一个小的错误,导致证明失效,引发了巨大的失望。但他没有放弃,和他的学生理查德·泰勒(Richard Taylor)一起,花了又一年时间,才最终修正了那个错误,完成了那个“绝妙的”证明。

千年后,费马大定理会变成高中习题吗?

现在我们来回到核心问题:千年后,费马大定理会不会变成高中数学的课后习题?

我的答案是:极有可能不会,至少在“证明”这个层面,不会成为高中数学的课后习题。

原因有很多,而且非常充分:

1. 证明的难度与深度: 怀尔斯的证明是现代数学的巅峰之作之一。它不是一个简单的代数技巧或几何构造就能解决的问题。它需要深入理解和运用非常抽象和复杂的数学概念,比如:
代数数论: 处理数域、理想、整环等概念,这远超高中代数的范畴。
椭圆曲线: 这是一个关于代数几何和数论交叉的领域,涉及方程 y² = x³ + ax + b 的性质,研究其上有理点和模形式的对应关系。
模形式: 具有高度对称性的复分析函数,与数论有着深刻的联系。
伽罗瓦表示: 将群论的概念应用到代数方程的根的置换上,以及与椭圆曲线的联系。
希策布鲁赫黎曼定理、岩泽理论等: 这些都是非常深奥的数学理论,是怀尔斯证明的基础。

随便拎出一个术语,比如“椭圆曲线”或“模形式”,在高中数学里是根本不会接触到的。即使是最简单的代数,比如处理多项式方程,也无法直接触及费马大定理证明的核心。

2. 证明的长度和复杂度: 怀尔斯的证明本身就包含了一百多页的高度技术性论文,而且这些论文是写给专业数学家看的,里面充满了符号、定义和定理,需要多年的训练才能完全理解。将其压缩成高中习题的尺寸,就像把一本厚厚的物理学百科全书压缩成一个只能写在便利贴上的公式一样,是不可能的。

3. 教育目标的不同: 高中数学的目的是为学生打下坚实的数学基础,培养逻辑思维和解决基本数学问题的能力。它关注的是代数、几何、三角、概率统计等相对基础和应用广泛的领域。而费马大定理的证明,则属于数学研究的最前沿,其目标是探索数学本身的奥秘,以及发展新的数学理论。

4. “习题”的定义: “习题”通常意味着一个相对清晰的输入(题目)和一个可以通过已知方法(在某个数学体系内)推导出的输出(答案)。费马大定理的证明不是一个“方法”问题,而是一个“证明存在性”或“证明不存在性”的问题,而且这个过程本身就是一部数学史。

那么,有没有什么相关内容会出现在高中数学里呢?

虽然证明本身不可能,但费马大定理可能会以其他形式间接影响高中数学:

作为数学史的例证: 在介绍数学发展史或者数学思想时,费马大定理可以作为一个非常生动的例子,展示一个看似简单的问题如何困扰了数学家几百年,以及数学家们是如何发展出强大的新工具来解决它。这能激发学生对数学的好奇心和探索欲。
引入一些基础概念: 在介绍数论的一些基础概念时,比如整除性、同余等,可能会提及一些与费马大定理相关的简单情况。例如,对于n=2的情况,大家知道有勾股数(如3,4,5)。可以对比n=3或n=4的情况,说明整数解的存在性问题。
启发式问题: 可能会设计一些启发式的问题,让学生尝试自己寻找一些小的情况下的解,然后引导他们思考“为什么找到解会越来越难?”。但这更偏向于引导思考,而非完整的证明。
介绍证明思想的简化版本(极少): 理论上,如果能找到某个极其简化的,但仍然能展示一些现代数学思想萌芽的版本,可能会被引入。但这非常困难,而且很可能仍然超出高中数学的范畴。

结论

总而言之,安德鲁·怀尔斯对费马大定理的证明,是现代数学智慧的结晶,它所依赖的工具和理论的深度和广度,远远超出了高中数学的教学大纲和学生的认知能力。因此,费马大定理的证明本身,几乎不可能在千年后变成一项高中数学的课后习题。

然而,费马大定理作为一个伟大的数学故事,它的存在、它的挑战以及它的最终被证明,无疑会在数学教育中扮演重要的角色,用它独特的魅力激励着一代又一代的数学爱好者和未来的数学家。它更多的是作为一种精神象征和历史印记,而不是一个具体的练习题。

网友意见

user avatar

现在在个别优秀高中生那里,费马大定理的一部分也可以当习题。

“一部分”可以指n=3,4的情况。n=4的情况可以用初等方法解决。n=3的情况需要引入复数。

最多可以包括全体的正规素数。正规素数是那些不整除相应的分圆域类数的素数。前100个自然数中有25个素数,其中只有3个不是正规的。对正规素数来说,费马大定理的证明相对简单,冯克勤《代数数论》的第三章和第九章就给出了一个完整的证明。

非正规素数的处理目前没有简单的方法。

user avatar

千年后人类是否还存在,现有的小学-中学-大学学制是否有大改动这是个问题


如果说相当于现在中学生阶段的学生学习费马大定理的证明,我觉得不太可能

题主大概是低估了古人的数学水平,低估了费马大定理的证明难度,低估了数学发展速度,唯独高估了人类智商的进化速度


我举个例子,一个数列问题:

数列 、 ,满足 , , , .

求数列 、 的通项公式.


此题是我从一本高中数学联赛辅导书上看到的


这两个数列的通项公式并不很难求,有兴趣的同学可以自己想办法去求,我就直接写答案了:

( )


实际上,如果你能注意到三角恒等式

那么这个数列的通项公式是非常好求解的


尽管如此,此题的难度作为数学联赛一试的大题,我觉得还是绰绰有余了

我说的这个换元不是大多数人能马上想到的,更多的人用的应该是其他方法,这里就不细说了……


问题是,此题出处是啥呢?

这实际上是2200多年前,古希腊数学家阿基米德使用的割圆术

他本质上是使用圆的外切正 边形的周长,以及内接正 边形的周长,去逼近圆周长


而 和 的几何意义,分别是圆的外切正 边形的周长与圆直径的比值,以及内接正 边形的周长与圆直径的比值

那么当然有


*实际上,这里的闭区间列 构成了一个非常典型的闭区间套,并且所有区间端点都是代数数,最后却构造出了一个超越数





我们令 为圆的外切正 边形的边长与直径的比值(半边长与半径的比值)

令 为圆的内接正 边形的边长与直径的比值(半边长与半径的比值)

那么很显然

为了简单起见,不如令半径为1


图中

过点 作圆切线交 于点 ,交 于点

那么

(因为 且 )


由几何关系

(相似三角形)

显然有


(勾股定理)


这就从几何意义解释了该差分方程组




既然2200多年前阿基米德的成果,仍然不能普及给当今所有中学生,仍然是数学竞赛的难度,那么证明费马大定理如何在千年后就变成高中数学习题?

user avatar

偏个题

1000年以后,应该没有高中了,也没有课后作业题,没有现在意义的数学课了。





不要太瞧不起搞生物的




也不要瞧不起搞计算机的




等等



脑机接口、人造器官肢体、设计生命、寿命延长、大脑延伸⋯希望那时怎么定义人类都是个问题吧

user avatar

谢邀。

不要太小看古人的数学哦。

“叙拉古的阿基米德一致被认为是古代最伟大的数学家[56],他使用了穷竭法求无穷级数的和,计算出了抛物线下的面积,这种方法在现代的微积分课堂上并不陌 生[57]。他还显示了通过穷竭法可以将pi的值计算到任何想要的精度,他还求得了在当时更精确的pi值,在 3 + 10/71 < pi < 3 + 10/70 之间[58]。他还讲解了后世以他的名字命名的阿基米德螺线,发现了旋转曲面的面积公式(抛物面,椭球面和双曲面)[57],以及一个可以灵活表示极大数字的系统[59]。尽管他在物理和 许多高级机械装置上的贡献也广为人知,但他本人更看中自己的数学原则和思想的价值。[60]。他认为自己最伟大的成就,是发现球形的表面 积和体积公式,也就是证明了球外接圆锥的表面积和体积是该圆锥的2/3。“

阿基米德可是公元前3世纪的人哦,旋转曲面的面积公式,这已经是微积分内容了吧——并不需要先完整建立微积分的理论才可以进行微积分的计算,古代聪明人也能粗略理解并应用极限的想法。


“中国唐朝数学家王孝通在武德九年(626年)前后所著的《缉古算经》中建立了25个三次多项式方程和提出三次方程实根的数值解法。[1]

波斯数学家欧玛尔·海亚姆(1048年-1123年)通过用圆锥截面与圆相交的方法构建了三次方程的解法。他说明了怎样用这种几何方法利用三角法表得到数字式的答案。

中国南宋的数学家秦九韶在他1247年编写的《数书九章》一书中提出了高次方程的数值解法秦九韶算法,提出“商常为正,实常为负,从常为正,益常为负”的原则。“

三次方程求根公式确实是16世纪出现,但不代表之前的人没有尝试过数值解。并不是“只能处理一次方程”。


从另一个方面讲,1000年以后,首先,人类还存不存在?其次,1000年后还有没有高中这么个教学阶段?我们其实都是很局限的动物,我们基本只能体会认识到所处时空中一个小邻域内发生的事情。1000年以前有没有现代的小学中学大学研究生的教育体系?教学内容又和现在有多大区别?不要说1000年前,就是50年前,有人能想到50年后某种叫“手机”的通讯设备,会大幅度改变人们的生活方式,和社会的产业结构,以及世界第一和第二的大国,会因为争夺一种叫“5G”的“无线通信技术”的主导权,而打起贸易战么?1969年的人脑子里根本就不会把“信息”“通信技术”当成一种战略资源嘛。未来50年又会有什么新的我们根本没听说过的东西来影响国际政治、人们的日常生活呢?1000年后?根本没法想。

类似的话题

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有