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全区高中数学教师学科专业研究共同体第四次研讨会上,上虞人民医院眼科医生方友法受邀作费马大定理初等证明的现场推导课,分享了他“做最真的自己 找最美的答案”的心路历程——

30年,他执着寻找费马大定理美妙证法

  7月5日下午,全区高中数学教师学科专业研究共同体第四次研讨活动如期举行。让与会数学教师没想到的是,首讲人居然是一名眼科医生,讲的还是被喻为数学界珠穆朗玛峰的费马大定理!

  “方友法是上虞人民医院眼科主任,但我今天要称呼他为‘方学者’,是因为他热爱数学,几十年如一日执着研究费马大定理,在费马大定理的证明上有着独到见解。”主持研讨活动的区教体局教研员陈尧明在介绍首讲人身份时,毫不吝啬地给予了学者的称呼。

  “方学者”演示美妙证法

  “费马大定理的题目看上去很高大上,但是我用的都是初等知识,只要仔细听都能听懂。”方友法操作电脑,大屏幕上显示出了《关于费马大定理的证明》电子文稿。

  对于费马大定理,在座高中数学教师都知道,这是人类数学史上流传最广、影响最大的世界难题之一。1637年,法国学者费马在阅读时,曾在第11卷第8命题旁写道:“将一个高于2次的幂分为两个同次的幂,这是不可能的。关于此,我确信已发现一种美妙的证法,可惜这里空白的地方太小,写不下。”

  费马当时提出的定理,后来被命名为费马大定理,即“不可能有满足xn+yn=zn,n≥3的正整数x、y、z、n”存在。为寻找这个定理的证明,后世数学家发起了一次又一次的冲锋。到了公元二十世纪九十年代,一位名叫安德鲁·怀尔斯的数学家用最新数学研究成果,以300多页的论文最终证明了费马大定理,但数学的理想主义者仍坚定认为,怀尔斯的证明肯定不会是费马当初所说的美妙证法。

  “我的初等证明具有普适性,不但当n=3时成立,而且n=5,7……时也成立。”方友法认为,初等范围内的等式、不等式,应该在初等范围内有个定论。就像量子力学,如果一个量子的纠缠对应的不是一个量子,而是无数个量子,那么这个纠缠就没有意义。如果一个答案,对应的是无数个难以理解的技巧,那么这个答案也没有普众价值。

  “当n≥3时,xn+yn=zn没有正整数解。通过命题等价转化,我们只需证明:当(x,y,z)=1,n为素数时,xn+yn=zn没有正整数解。”方友法一边推导演示,一边阐述观点,“我刚开始的证明,就是引用了巴罗——阿贝尔关系式。这个关系式是当你用反证法去证明费马猜想时,必须迈过去的一个坎。许多证明费马大定理的文章,都绕开了这部分数。其实不是所有的数都需要去证明,只有假设等式成立,在初等数学范围内,你有且只有巴罗——阿贝尔关系式下的这部分数,才是你需要重点处理的。”

  当天参加研讨会的,除了上虞最优秀的高中青年数学教师,还来了两位特邀嘉宾,他们是毕业于北大数学系、现为绍兴文理学院上虞分院教授的顾鹏尧,以及去年获得清华大学丘成桐数学竞赛全国第四名的胡湛尔同学。现场气氛热烈,大家从专业的角度,就方友法的“美妙证法”进行了探讨,提出了补充完善意见。

  30年执着寻找最美答案

  今年53岁的方友法是一个数学业余爱好者,从小他就对数学产生浓厚兴趣。读初中时,方友法路过教师办公室,看见数学老师正对着黑板上的一道数学题苦思闷想,他抄下题目回到教室,很快就给出了答案,让数学老师刮目相看,当场奖励了3套数学辅导书。

  考上春晖中学后,方友法对数学依然情有独钟,他甚至还经常编数学题目让同学和老师答题。而他第一次接触费马大定理还是在读高二时,为寻找那个“美妙的证法”,他一度到了废寝忘食的地步,为此还差点误了高考。

  大学毕业分配到上虞人民医院,方友法曾有过情绪低落的时期,使他在一个极度悲伤的时刻,把征服费马大定理作为生命中最高、最后的目标。1996年农历二月廿八晚上,西北风“呼呼”地从破碎的窗玻璃直窜室内,全身心投入证明的方友法早已浑然不觉寒冷,也感受不到饥饿难受。当他突然惊醒时,发现天已大亮。长长的寒夜里自己究竟干了什么,他至今无法回忆,只记得当时特别兴奋,因为他找到了证明费马大定理的可行思路。

  这个思路便是:如果找到一个费马大定理推导出来的新命题,即原命题的必要条件,只要证明了这个新命题,那么对原命题的证明就推进了一大步,而否定了这个新命题,也就直接反驳了原命题。问题是,如何找到这个新命题?

  春节回到老家,白天走亲访友,方友法总不忘在衣袋里放一支笔,一本簿子,方便随时演算。晚上则在书房里思考,证明到深夜。功夫不负有心人,这个新命题还真让他给找到了。但接下去的证明,还是让他感到一筹莫展。正月初四晚上,连续演算了6天6夜的方友法本已迷糊过去,晚上24时,他突然惊醒,何不用实际数字代入多项式进行验证?一代入数字,果真符合实际情况。

  证明费马大定理,仅仅用了10多页纸。自信找到费马大定理“美妙证法”的方友法将喜讯告诉医院同事,几乎没有一个人愿意相信他的证明结果,更多的还是讽刺与嘲笑。即便是方友法高中时的数学老师,当时上虞数学教学界的带头人袁宗钦也多少抱着几分的不信任。然而当他通览了方友法《费马大定理的初等证明》后,终于被自己学生独特的证明方式所折服。

  1997年6月,在虞籍同乡、浙江大学原副校长吴世明介绍下,方友法第一次来到杭州,见到了浙江大学应用数学系研究员刘祥官。起初,刘祥官为方友法审稿,多少冲着吴副校长的面子。然而,仔细审稿后,他慢慢有点信了,还专门召集了他所带的7个研究生,花了整整一天时间,对方友法的论文进行全面、仔细的审稿,除了一些需要补充说明外,并没有发现有何明显错误。

  为年轻医生折服的刘祥官研究员,将论文稿推荐给了浙大数学编辑部。但对于这样世界级难题,必须有两个以上数学界权威推荐方能发表。编辑部尽管热心地将方友法的论文寄给了不少权威数学家,但他们有的虽然找不出错误却又不敢轻言推荐,有的则以“年事已高,不再从事数论研究”为由推脱,有的干脆就没有任何回音。

  没有人能给他的证明一个说法,但方友法依然初心不改。30年来,他在工作之余,总会拿出当年的手稿,反复推导演算,“现在我已经找到了费马大定理的两种证法。”当天的研讨会上,方友法分别作了推导演示。

  希望有更多人爱上数学

  “数学是最真实的世界,可能终其一生,都没有任何成果。数学也是一种孤独的语言,很难找到志同道合的人去讨论。”30年过去,作为一名数学爱好者,方友法怀着满腔热爱,始终沉浸在数学的海洋里。他也期待有更多数学爱好者与他一起交流想法,共同进步。

  实际上本次研讨会,方友法讲解费马大定理还有另外一层意思,就是现场解答并探讨美国杜克大学数学教授的一些批注。去年,一直默默关心支持方友法的顾鹏尧教授,将他的论文稿寄给了北大同学、美国杜克大学数学教授,后者审稿后作出了需要进一步解释的批注。“如果方友法把其中一个步骤再解释得全面点,关于费马大定理的证明就堪称完美。”听了方友法的解答,胡湛尔同学如是点评。

  当然,最让方友法苦恼的是,由于从未专业系统地学习过数学,在证明过程中缺乏规范的书写格式,导致论证步骤有些许欠缺。“我是眼科医生,一上午做七八个手术完全没事,但要把证明写成规范的数学论文,实在太难了!”现场,方友法真诚求助顾鹏尧教授,顾教授微笑着点头,“等我空点的时候,帮你整理整理。”

  “方医生是一个特别有意思的人,我们暂且不论他论证是否正确,最主要还是汲取他热爱数学、执着研究的精神,激发年轻老师更深入研究数学。”陈尧明在坦露邀请方友法讲费马大定理的初衷时说:“特别是今年高考数学的最后一题,涉及到高深的数论,更需要我们数学老师调整思路,在数学教学上下更多功夫。”

  “大国崛起,不是靠网红,流量。是靠算法,数据。”在一篇日记里,方友法这样写道:数学从来与枯燥无关,解题的过程有痛苦有困惑,也有快乐和欣喜。希望有更多人喜欢数学,爱上数学,成为国家需要的栋梁之材。


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