我用新自然數(shù)觀點(diǎn)證明費(fèi)馬方程

陸國(guó)勤

【摘要】本文是從方程最基本的要素——系數(shù)、指數(shù)、函數(shù)加以觀點(diǎn)創(chuàng)新來(lái)求得費(fèi)馬方程Xn+yn=Zn（n>2），若要X，Y，Z同為正整數(shù)，則只有Xn+0=Zn，則Y=0，故X，Y，Z無(wú)同自然數(shù)解.

我的新自然數(shù)觀點(diǎn)——即對(duì)應(yīng)變數(shù)，本文簡(jiǎn)稱(chēng)“變數(shù)”，那什么是對(duì)應(yīng)變數(shù)？即已知自然數(shù)的高指數(shù)等式與未知數(shù)高指數(shù)方程有相同的系數(shù)鏈、相同的冪指數(shù)一一對(duì)應(yīng)的自然數(shù)與自然數(shù)的關(guān)系被叫作對(duì)應(yīng)變數(shù)，這是什么意思呢？即把一個(gè)高指數(shù)等式分成三個(gè)部分，如，33+4×32+13=26與X3+4×X2+13=Y6，第一部分是所有的系數(shù)組成一個(gè)整體，叫作系數(shù)鏈，它的系數(shù)鏈為3-4-13-1，第二部分是冪指數(shù)，第三部分是它的自然數(shù)函數(shù).用“#”表示變數(shù)關(guān)系，即x#3，Y#2.變數(shù)關(guān)系是已知等式的自然數(shù)與未知自然數(shù)方程的數(shù)與數(shù)之間關(guān)系，已知等式把它叫“對(duì)應(yīng)變數(shù)等式”，未知數(shù)的方程把它叫作“對(duì)應(yīng)變數(shù)方程”，對(duì)應(yīng)變數(shù)分有理變數(shù)與無(wú)理變數(shù)兩種，相同的系數(shù)鏈，相同的冪指數(shù)的對(duì)應(yīng)變數(shù)是有理變數(shù)關(guān)系，相同的系數(shù)鏈，不同的冪指數(shù)的對(duì)應(yīng)變數(shù)為無(wú)理變數(shù)關(guān)系，無(wú)理變數(shù)并非就是無(wú)理數(shù)，無(wú)理數(shù)的冪指數(shù)一定是分?jǐn)?shù)，無(wú)理變數(shù)是不同方程的對(duì)應(yīng)變數(shù)的冪指數(shù)不同，但它們的冪指數(shù)是自然數(shù)而非分?jǐn)?shù).

變數(shù)關(guān)系的首要條件是系數(shù)鏈相同，系數(shù)鏈不同則變數(shù)關(guān)系不成立，當(dāng)函數(shù)是分?jǐn)?shù)與小數(shù)時(shí)，則對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系不成立，這是因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)使它對(duì)應(yīng)的系數(shù)鏈被改變?nèi)纾?3+3=26 [1]，X3+3=Y6 [2]，若X，Y是分?jǐn)?shù)值，則[2]的系數(shù)鏈被改變，如，X=52，則[2]為53+3×8=8×Y6，其系鏈為1-24-8，它與[1]對(duì)應(yīng)的系數(shù)鏈完全不同，故其對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系就不成立.若函數(shù)是無(wú)理數(shù)，其對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系同樣不成立，因?yàn)闊o(wú)理數(shù)的本質(zhì)是無(wú)限小數(shù)，所以它同樣會(huì)改變系數(shù)鏈而使變數(shù)關(guān)系消失.那么對(duì)于一個(gè)未知數(shù)函數(shù)又怎樣區(qū)分無(wú)理數(shù)與無(wú)理變數(shù)呢？如，53+3=26 （1），X4+3=Y6 （2），則只需把無(wú)理變數(shù)向有理變數(shù)轉(zhuǎn)化成X433+3=Y6，若自然數(shù)X不能使分?jǐn)?shù)指數(shù)消失，則該函數(shù)是無(wú)理數(shù)，若自然數(shù)X能使分?jǐn)?shù)指數(shù)消失，則（2）與（1）的無(wú)理變數(shù)關(guān)系成立.以上說(shuō)的是從函數(shù)的角度出發(fā)來(lái)判定變數(shù)關(guān)系是否成立，判定變數(shù)關(guān)系是否成立，還要先從指數(shù)出發(fā)，從指數(shù)出發(fā)又有幾種情形.

首先，一次函數(shù)無(wú)變數(shù)關(guān)系，如，3a+23=53 （1），3K+X3=Y3 （2），由于方程（2）中的K是獨(dú)立的一次函數(shù)，而一次函數(shù)本身可以是任意高指數(shù)方程，如，K=p4+e，那么（2）的系數(shù)鏈及指數(shù)都被改變，所以它與（1）的變數(shù)關(guān)系不成立.

二次函數(shù)是不確定的變數(shù)關(guān)系，如，32+24=52 [1]，a2+b4=c2 [2]，由于方程[2]中含獨(dú)立的二次函數(shù)，二次函數(shù)有可能使高指數(shù)函數(shù)消元而產(chǎn)生一次函數(shù)解，如[2]中c=a+K代入得b4=2aK+K2，則a為獨(dú)立的一次函數(shù)，a有無(wú)限個(gè)自然數(shù)解.它與[1]的變數(shù)關(guān)系就消失，故a與3是不確定的變數(shù)關(guān)系.所以含獨(dú)立的二次函數(shù)的高次冪方程與已知等式是不定性變數(shù)關(guān)系，表示為a～3，b～2，c～5.

而確定變數(shù)關(guān)系形成的高指數(shù)方程的所有函數(shù)最小指數(shù)為3.把最小指數(shù)為3的方程叫作高指數(shù)方程，>3的指數(shù)叫高指數(shù).高指數(shù)方程的高指數(shù)即使部分消元也不可能產(chǎn)生獨(dú)立的一次函數(shù)，如，33+3K32+p×3=e3+f3 （1），a3+3Ka2+pa=b3+C3 （2）.設(shè)b=a+t，則（2）為3Ka2+pa=C3+3a2×t+3t2×a+t3，若要a能產(chǎn)生一次函數(shù)，則只有K=t，而K，p是系數(shù)鏈，所以K，p，t都是已知數(shù)，則C3=fa+g，同樣f，g必定是已知數(shù)，故a只有唯一的一元恒等式解，所以高指數(shù)方程都不可能產(chǎn)生獨(dú)立的一次函數(shù)，故當(dāng)最小指數(shù)是3的高指數(shù)方程，就一定能與已知高指數(shù)等式建立變數(shù)關(guān)系.

若已知等式含獨(dú)立的二次函數(shù)，而它對(duì)應(yīng)的無(wú)理變數(shù)關(guān)系仍然成立，如，a2+b2=C2 [1]，X4+Y4=Z4 [2]，這組方程是無(wú)理變數(shù)關(guān)系，雖然[1]是二次函數(shù)與[2]不定性變數(shù)關(guān)系，即a～X2，但是反過(guò)來(lái)[1]變成a4+b4=C4，則對(duì)應(yīng)變數(shù)為a#X成立.

所以確定變數(shù)關(guān)系第一條件是系數(shù)鏈必須相同.第二條件是所有對(duì)應(yīng)方程的函數(shù)的最小指數(shù)是3，而對(duì)應(yīng)等式的最小指數(shù)為2.第三條件是函數(shù)不能是分?jǐn)?shù)，也不能是無(wú)理數(shù)，如果是無(wú)理變數(shù)就向有理變數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化時(shí)必然產(chǎn)生分?jǐn)?shù)指數(shù)，如果函數(shù)使分?jǐn)?shù)指數(shù)消失，表示無(wú)理變數(shù)關(guān)系成立；若函數(shù)無(wú)法使分?jǐn)?shù)指數(shù)消失，表明函數(shù)是無(wú)理數(shù)，其對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系不成立.

那么對(duì)應(yīng)變數(shù)有什么特殊的規(guī)律呢？首先要談?wù)剬?duì)應(yīng)變數(shù)的運(yùn)算規(guī)律，不等的兩個(gè)數(shù)也就是實(shí)際線(xiàn)段a#b，將它們同乘或同除同一個(gè)數(shù)是不會(huì)改變線(xiàn)段的比例尺，也就是不會(huì)改變它們數(shù)的一一對(duì)應(yīng)性，若同加或同減同一個(gè)數(shù)，則線(xiàn)段的比例尺就失去意義，也就是它們數(shù)的對(duì)應(yīng)性消失，所以對(duì)應(yīng)變數(shù)只有同比運(yùn)算，而無(wú)加減運(yùn)算.當(dāng)高指數(shù)方程的某一未知數(shù)X是1的對(duì)應(yīng)變數(shù)時(shí)，那么其他未知數(shù)與X的指數(shù)相同時(shí)所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系同方程時(shí)，則這組對(duì)應(yīng)變數(shù)就必定相等，這是對(duì)應(yīng)變數(shù)的一個(gè)基本原理，也是本文是核心之處.其證明為：如，33+t13=a4 （1），Y3+tX3=Z4 （2），則有1#X，同比運(yùn)算后為3#3X，又3#Y，得3X#Y，即同比運(yùn)算后的3X只有在方程（2）中與3一一對(duì)應(yīng)，而3是與方程（2）中的Y一一對(duì)應(yīng)，故3X與Y是同一個(gè)方程的同一個(gè)位置的同一個(gè)數(shù)，即3X=Y，這就是變數(shù)原理，或用代數(shù)設(shè)Y=3X+P，而3X與3是對(duì)應(yīng)變數(shù)，則P=0，故3X=Y.若Y的指數(shù)與X的指數(shù)不同，就會(huì)通過(guò)極數(shù)來(lái)遵守變數(shù)原理，那什么是極數(shù)呢？

一個(gè)高指數(shù)方程，如，X3+Y4=Z5若有自然數(shù)解，則AX3+AY4=AZ5必定成立，A為任意自然數(shù)，則（Xe）3+（Yf）4=（Zg）5必然有無(wú)數(shù)個(gè)自然數(shù)解，e，f，g為自然數(shù)，所以它們是矩陣同解方程，若e=Xn，則（Xe）（3+n）+（Yf）4=（Zg）5同樣一定有無(wú)數(shù)個(gè)超大自然數(shù)解，同理，必然有（Xeh）（3+n）+（YJ）4=（ZP）5的無(wú)數(shù)個(gè)超級(jí)自然數(shù)解的方程，（設(shè)Xeh=u）.反過(guò)來(lái)說(shuō)，若u（3+n）+（YJ）4=（ZP）5無(wú)自然數(shù)解，則X3+Y4=Z5也只能無(wú)自然數(shù)解，所以X3+Y4=Z5與u（3+n）+（YJ）4=（ZP）5必定要同時(shí)成立，這兩個(gè)方程在相同的系數(shù)鏈1-1-1的作用下，并且它們都是高指數(shù)方程，產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系，只不過(guò)它們是自然數(shù)的無(wú)理變數(shù)關(guān)系，把無(wú)理變數(shù)向有理變數(shù)關(guān)系為X33+n（3+n）+Y4=Z5 {1}，u（3+n）+（YJ）4=（ZP）5 {2}，在有理變數(shù)的作用下X的指數(shù)是一個(gè)分?jǐn)?shù)指數(shù)，它的分?jǐn)?shù)指數(shù)33+n可以無(wú)限擴(kuò)張，而X3+Y4=Z5的X是某一自然數(shù)而無(wú)法無(wú)限擴(kuò)張，那么X33+n必定產(chǎn)生無(wú)理數(shù)解，而無(wú)理數(shù)無(wú)對(duì)應(yīng)變數(shù)解，這同{2}與{1}是對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系互相矛盾，故若要兩個(gè)自然數(shù)方程同時(shí)成立，則X=1必定是其中一個(gè)解，也只有X=1才能解決這一矛盾，因?yàn)?的指數(shù)不論分?jǐn)?shù)指數(shù)還是自然數(shù)指數(shù)，將X=1代入方程{1}為13+a4=b5可以為已知等式，那么未知方程X3+Y4=Z5就與這個(gè)已知等式建立對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系為133+n（3+n）+a4=b5 {3}，X33+n（3+n）+Y4=Z5 {4}，則可用變數(shù)原理求得X的對(duì)應(yīng)變數(shù)解方程為X3+（Xa）4=（Xb）5.所以這個(gè)已知等式中的1是一個(gè)非常特殊的數(shù)，1的任何指數(shù)都是自然數(shù)1，那么這個(gè)1的高指數(shù)就是一個(gè)極數(shù)，用[1]表示1的極數(shù)，[1]=1，那了極數(shù)[1]的對(duì)應(yīng)變數(shù)X同樣也只能是極數(shù)，表示為極數(shù)[Ⅹ]，即極數(shù)[X]的任何分?jǐn)?shù)指數(shù)或者自然數(shù)指數(shù)都是自然數(shù)解，即[X]=X33+n都是自然數(shù)值，則極數(shù)[X]=e=f=g=….它有無(wú)限個(gè)不定性自然數(shù)解，并且[X]的指數(shù)是任意的，它總是與其他函數(shù)的指數(shù)相同，它必定遵守變數(shù)原理.所以1+a4=b5與方程X3+Y4=Z5的本質(zhì)是極數(shù)的對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系，這就產(chǎn)生了高指數(shù)方程的對(duì)應(yīng)變數(shù)的一個(gè)最重要的條件，即對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系若要成立必須要有極數(shù)，即X是1的對(duì)應(yīng)變數(shù)為[X]#[1]，所以變數(shù)原理是極數(shù)的條件下才能成立.總之，一個(gè)高指數(shù)方程若要所有函數(shù)都是自然數(shù)解，它必定與1的高數(shù)的已知等式是對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系.所以用變數(shù)原理求得X3+Y4=Z5與13+α4=b5的對(duì)應(yīng)變數(shù)的真正意義的解是極數(shù)的對(duì)應(yīng)變數(shù)解，為[X]#[1]，得a[X]#a，b[X]#b，又Y#a，Z#b，得a[X]#Y，b[X]#Z，又因?yàn)閍[X]與Y，b[X]與Z同方程，用變數(shù)原理得a[X]=Y，b[X]=Z代入原方程得[X]3+{a[X]}4={b[X]}5，而[X]=e=f=g=…代入得原方程為e3+（af）4=（bg）5是原方程的所有對(duì)應(yīng)變數(shù)解，這個(gè)解的特點(diǎn)是各函數(shù)都是已知等式函數(shù)的同比，即X=1e，Y=af，Z=bg，而1+a4=b5的矩陣方程為A+Aa4=Ab5得A+（af）4=（bg）5與對(duì)應(yīng)變數(shù)解是同一方程，所以高指數(shù)的對(duì)應(yīng)變數(shù)解又屬于矩陣同解方程，同理u（n+3）+（YJ）4=（ZP）5與1+a4=b5的對(duì)應(yīng)變數(shù)解屬于矩陣同解方程.它的對(duì)應(yīng)變數(shù)解為e（n+3）+（fa）4=（gb）5.

那么無(wú)理變數(shù)呢？如，19×1n+23=33 （1），19X6+Y6=Z6 （2），則極數(shù)[X]#1，得2[X]#2，3[X]#3，又2#Y2，3#Z2得2[X]#Y2，3[X]#Z2，而[X]=g=h=…用變數(shù)原理得2g=Y2，3h=Z2，又因?yàn)間，h為自然數(shù)，則Y，Z的自然數(shù)為Y=2e，Z=3f，所以無(wú)理變數(shù)關(guān)系產(chǎn)生同樣是（1）的同比對(duì)應(yīng)變數(shù)解.又因?yàn)椋?）的對(duì)應(yīng)等式為19×16+a6=b6（3），而16=極數(shù)[1]，則用變數(shù)原理可求得（3）與（1）是同一等式，而（3）與（2）是矩陣同解等式，則（1）與（2）同樣是矩陣同解方程，所以當(dāng)對(duì)應(yīng)等式是高指數(shù)等式時(shí)，則其對(duì)應(yīng)的無(wú)理變數(shù)方程是極數(shù)同元解，被改變指數(shù)的函數(shù)與極數(shù)同元與已知等式都要同元，則（2）為X=2m=Y=3p=Z無(wú)解，也就是（2）與（1）無(wú)對(duì)應(yīng)變數(shù)解.若Z的指數(shù)是3，則只有X=2n=Y是同元解時(shí)，（2）才可以產(chǎn)生自然數(shù)解.

若無(wú)理變數(shù)的對(duì)應(yīng)等式的指數(shù)是平方與高指數(shù)混合式，如，1+23=32 {1），X3+Y3=Z3 {2），則同樣用變數(shù)原理可求得{2）為X3+（2e）3=（3f）3，又因?yàn)閧2）的對(duì)應(yīng)等式為13+a3=b3 {3），由于等式{1）與{3）都含極數(shù)[1]，極數(shù)[1]使它們互為對(duì)應(yīng)變數(shù)，使得{1）對(duì)于{3）的無(wú)理變數(shù)關(guān)系都要成立，而23是高指數(shù)，則2#a成立，那么3#b32同樣成立，所以同樣用變數(shù)原理求得{3）與{1）是同一等式，同前面一樣{2）與{1）的矩陣同解方程成立，則{2）產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)的極數(shù)同元解為33n+（2e）3=（33n）2.若{1）是完全平方式卻又完全不同，如，1+a2=b2 {4），X3+Y3=Z3 {2），同樣用變數(shù)原理求得{2）的對(duì)應(yīng)變數(shù)解為X3+（ae）3=（bf）3，但是它的對(duì)應(yīng)等式是{3），由于{4）都是平方指數(shù)，而{3）與{4）都含極數(shù)[1]，則使得{4）對(duì)于{3）的變數(shù)關(guān)系都要成立，但{4）都是平方指數(shù)，故{3）與{4）不是對(duì)應(yīng)的同一等式，而{3）是{2）的對(duì)應(yīng)變數(shù)等式，則{2）對(duì)于{4）就沒(méi)有產(chǎn)生矩陣同解方程，就不會(huì)產(chǎn)生極數(shù)同元解而只有對(duì)應(yīng)的同比解.若{1）是1+a=b2，則a為一次函數(shù)無(wú)對(duì)應(yīng)變數(shù)解，a與[1]就會(huì)相加成同一個(gè)數(shù)就改變了原系數(shù)鏈，故一次函數(shù)的無(wú)理變數(shù)關(guān)系同樣不成立.

再來(lái)看費(fèi)馬方程Xn+Yn=Zn（n>2）（A），這是一個(gè)高指方程，它必然與極數(shù)[1]的已知等式形成對(duì)應(yīng)變數(shù)關(guān)系，而[1]的對(duì)應(yīng)等式一共只有兩個(gè)，一個(gè)為1+23=32，由于這個(gè)等式有高指數(shù)，產(chǎn)生極數(shù)同元解，則（A）的X與Y與Z必定有同元，則方程不成立且與題意不符.另一個(gè)為1+a2=b2，[則a=0，b=1]它與方程（A）形成的無(wú)理變數(shù)關(guān)系向有理變數(shù)轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生了同比解，則（A）為X4+（0e）4=（1f）4，則Y=0，故X，Y，Z無(wú)同自然數(shù)解.

那么X4+Y4+Z4=P4（B）卻被發(fā)現(xiàn)有同自然數(shù)解呢？哈佛大學(xué)發(fā)現(xiàn)：15 365 6394+2 682 4404+18 796 7604=20 615 6734是自然數(shù)等式，它與費(fèi)馬方程相反，用變數(shù)證明為1+e2+f2=g2 （1），X4+Y4+Z4=P4 （2），當(dāng)它們向有理變數(shù)關(guān)系時(shí)，用變數(shù)原理求得同比解為：X4+（eT）4+（fH）4=（gR）4，而Y=2×20×67 061=eT，Z=2×20×469 919=fH，P=3×6 871 891=gR，把e=f=2，g=3代入（1）為1+22+22=32，符合原方程的解.

所以，對(duì)應(yīng)變數(shù)的同比解正是線(xiàn)性代數(shù).