где A , B , C , x , y и z — положительные целые числа, причем x , y , z ≥ 3, тогда A , B и C имеют общий простой множитель .
Эквивалентно,
Уравнение не имеет решений в положительных целых числах и попарно взаимно простых целых числах A, B, C, если x, y, z ≥ 3.
Гипотеза была сформулирована в 1993 году Эндрю Билом , банкиром и математиком-любителем , во время исследования обобщений Великой теоремы Ферма . [1] [2] С 1997 года Бил предложил денежную премию за рецензируемое доказательство этой гипотезы или контрпример . [3] Стоимость премии увеличивалась в несколько раз и в настоящее время составляет 1 миллион долларов. [4]
В некоторых публикациях эта гипотеза иногда упоминается как обобщенное уравнение Ферма, [5] гипотеза Молдина, [6] и гипотеза Тейдемана-Загира. [7] [8] [9]
Похожие примеры
Для иллюстрации, решение имеет основания с общим множителем 3, решение имеет основания с общим множителем 7 и имеет основания с общим множителем 2. Действительно, уравнение имеет бесконечно много решений, где основания имеют общий множитель, включая обобщения трех приведенных выше примеров, соответственно.
и
Более того, для каждого решения (с взаимно простыми основаниями или без них) существует бесконечно много решений с тем же набором показателей и увеличивающимся набором невзаимно простых оснований. То есть для решения
у нас дополнительно есть
где
Любые решения гипотезы Била обязательно будут включать три члена, все из которых являются 3-степенными числами , т. е. числами, где показатель степени каждого простого множителя равен по крайней мере трем. Известно, что существует бесконечное количество таких сумм, включающих взаимно простые 3-степенные числа; [10] однако, такие суммы редки. Два наименьших примера:
Отличительной чертой гипотезы Била является то, что она требует, чтобы каждый из трех членов можно было выразить в виде одной степени.
Отношение к другим предположениям
Великая теорема Ферма установила, что не имеет решений при n > 2 для положительных целых чисел A , B и C . Если бы существовали какие-либо решения Великой теоремы Ферма, то, разделив все общие множители, мы бы также нашли решения с взаимно простыми числами A , B и C . Следовательно, Великую теорему Ферма можно рассматривать как частный случай гипотезы Била, ограниченной x = y = z .
Гипотеза Ферма –Каталана заключается в том, что имеет только конечное число решений, где A , B и C являются положительными целыми числами без общего простого множителя, а x , y и z являются положительными целыми числами, удовлетворяющими . Гипотеза Била может быть переформулирована как «Все решения гипотезы Ферма–Каталана будут использовать 2 в качестве показателя степени».
Гипотеза abc подразумевала бы, что существует не более конечного числа контрпримеров к гипотезе Била.
Частичные результаты
В приведенных ниже случаях, когда n является показателем степени, кратные n также доказаны, поскольку степень kn также является степенью n . Когда ниже упоминаются решения, включающие вторую степень, их можно найти в частности в Fermat–Catalan conjecture#Known solutions . Все случаи вида (2, 3, n ) или (2, n , 3) имеют решение 2 3 + 1 n = 3 2 , которое ниже называется решением Каталана .
В 2005 году Бьорн Пунен , Эдвард Ф. Шефер и Майкл Столл доказали, что случай ( x , y , z ) = (2, 3, 7) и все его перестановки имеют только четыре некаталонских решения, ни одно из которых не противоречит гипотезе Била. [12]
Случай ( x , y , z ) = (2, 3, 8) и все его перестановки, как было доказано Нильсом Бруином в 2003 году, имеет только два некаталонских решения, что не противоречит гипотезе Била. [13] [14]
Известно, что случай ( x , y , z ) = (2, 3, 9) и все его перестановки имеют только одно некаталонское решение, которое не противоречит гипотезе Била, выдвинутой Нильсом Бруином в 2003 году. [15] [16] [9]
Случай ( x , y , z ) = (2, 3, 10) и все его перестановки, как доказал Дэвид Зурейк-Браун в 2009 году, имеют только каталонское решение. [17]
Случай ( x , y , z ) = (2, 3, 11) и все его перестановки, как доказали Фрейтас, Наскрецкий и Столл, имеют только каталонское решение. [18]
В 2013 году Самир Сиксек и Майкл Столл доказали, что случай ( x , y , z ) = (2, 3, 15) и все его перестановки имеют только каталонское решение. [19]
Случай ( x , y , z ) = (2, 4, 4) и все его перестановки не имеют решений в результате совместной работы Пьера де Ферма в 1640-х годах и Эйлера в 1738 году. (См. одно доказательство здесь и другое здесь )
Известно, что случай ( x , y , z ) = (2, 4, 5) и все его перестановки имеют только два некаталонских решения, что не противоречит гипотезе Била, выдвинутой Нильсом Бруином в 2003 году. [13]
Случай ( x , y , z ) = (2, 4, n ) и все его перестановки были доказаны для n ≥ 6 Майклом Беннетом, Джорданом Элленбергом и Натаном Нг в 2009 году. [20]
Случай ( x , y , z ) = (2, 6, n ) и все его перестановки были доказаны для n ≥ 3 Майклом Беннеттом и Имином Ченом в 2011 году и Беннеттом, Ченом, Даменом и Яздани в 2014 году. [21] [5]
Случай ( x , y , z ) = (2, 2n , 3) был доказан для 3 ≤ n ≤ 107 , за исключением n = 7 и различных модульных сравнений, когда n является простым числом, не имеющих некаталонского решения, Беннетом, Ченом, Даменом и Яздани. [22] [5] [23]
Случаи ( x , y , z ) = (2, 2 n , 9), (2, 2 n , 10), (2, 2 n , 15) и все их перестановки были доказаны для n ≥ 2 Беннеттом, Ченом, Даменом и Яздани в 2014 году. [5]
Случай ( x , y , z ) = (3, 3, n ) и все его перестановки были доказаны для 3 ≤ n ≤ 10 9 и различных модульных сравнений, когда n является простым числом. [16]
Случай ( x , y , z ) = (3, 4, 5) и все его перестановки были доказаны Сиксеком и Столлом в 2011 году. [24]
Случай ( x , y , z ) = (3, 5, 5) и все его перестановки были доказаны Бьорном Пуненом в 1998 году. [25]
Случай ( x , y , z ) = (3, 6, n ) и все его перестановки были доказаны для n ≥ 3 Беннеттом, Ченом, Даменом и Яздани в 2014 году. [5]
Случай ( x , y , z ) = ( 2n , 3, 4) и все его перестановки были доказаны для n ≥ 2 Беннеттом, Ченом, Даменом и Яздани в 2014 году. [5]
Случаи (5, 5, 7), (5, 5, 19), (7, 7, 5) и все их перестановки были доказаны Сандером Р. Даменом и Самиром Сиксеком в 2013 году. [26]
Случаи ( x , y , z ) = ( n , n , 2) и все их перестановки были доказаны для n ≥ 4 Дармоном и Мерелем в 1995 году после работы Эйлера и Пунена. [27] [25]
Случай ( x , y , z ) = (2n , 2n , 5) и все его перестановки были доказаны для n ≥ 2 Беннетом в 2006 году. [28]
Случай ( x , y , z ) = ( 2l , 2m , n ) и все его перестановки были доказаны для l , m ≥ 5 простых чисел и n = 3, 5, 7, 11 Анни и Сиксек. [29]
Случай ( x , y , z ) = (2 l , 2 m , 13) и все его перестановки были доказаны для l , m ≥ 5 простых чисел Биллери, Ченом, Дембеле, Дьелефе, Фрейтасом. [30]
Случай ( x , y , z ) = ( 3l , 3m , n ) является прямым для l , m ≥ 2 и n ≥ 3 из работы Крауса. [31]
Теорема Дармона–Гренвилля использует теорему Фалтингса , чтобы показать, что для каждого конкретного выбора показателей степеней ( x , y , z ) существует не более конечного числа взаимно простых решений для ( A , B , C ). [32] [7] : стр. 64
Невозможность случая A = 1 или B = 1 следует из гипотезы Каталана , доказанной в 2002 году Предой Михайлеску . (Заметьте, C не может быть 1, или один из A и B должен быть 0, что не допускается.)
Потенциальный класс решений уравнения, а именно те, в которых A, B, C также образуют пифагорову тройку , рассматривал Л. Есманович в 1950-х годах. Дж. Йозефяк доказал, что существует бесконечное число примитивных пифагорових троек, которые не могут удовлетворить уравнению Била. Дальнейшие результаты принадлежат Чао Ко. [33]
Питер Норвиг , директор по исследованиям в Google , сообщил о проведении серии числовых поисков контрпримеров к гипотезе Била. Среди его результатов он исключил все возможные решения, имеющие каждое из x , y , z ≤ 7 и каждое из A , B , C ≤ 250 000, а также возможные решения, имеющие каждое из x , y , z ≤ 100 и каждое из A , B , C ≤ 10 000. [34]
Если A , B нечетные, а x , y четные, то гипотеза Била не имеет контрпримера. [35]
Предполагая справедливость гипотезы Била, существует верхняя граница для любого общего делителя x , y и z в выражении . [36]
Премия
За опубликованное доказательство или контрпример банкир Эндрю Бил первоначально предложил премию в размере 5000 долларов США в 1997 году, увеличив ее до 50 000 долларов США в течение десяти лет [3] , но с тех пор увеличил ее до 1 000 000 долларов США. [4]
Американское математическое общество (AMS) удерживает премию в размере 1 миллиона долларов в доверительном управлении до тех пор, пока гипотеза Била не будет решена. [37] Она контролируется Комитетом по премии Била (BPC), который назначается президентом AMS. [38]
Варианты
Контрпримеры , и показывают, что гипотеза была бы ложной, если бы одному из показателей степени было разрешено быть равным 2. Гипотеза Ферма–Каталана является открытой гипотезой, имеющей дело с такими случаями (условие этой гипотезы состоит в том, что сумма обратных величин меньше 1). Если мы позволим максимум одному из показателей степени быть равным 2, то может быть только конечное число решений (за исключением случая ).
Если A , B , C могут иметь общий простой множитель, то гипотеза неверна; классический контрпример: .
Разновидность гипотезы, утверждающая, что x , y , z (вместо A , B , C ) должны иметь общий простой множитель, не верна. Контрпримером является случай, когда 4, 3 и 7 не имеют общего простого множителя. (На самом деле, максимальный общий простой множитель показателей степеней, который является допустимым, равен 2; общий множитель больше 2 был бы контрпримером к Великой теореме Ферма.)
Гипотеза не верна в более широкой области гауссовых целых чисел . После того, как приз в $50 был предложен за контрпример, Фред В. Хелениус предоставил . [39]
^ ab Crandall, Richard; Pomerance, Carl (2000). Простые числа: вычислительная перспектива . Springer. стр. 417. ISBN978-0387-25282-7.
^ Нитадж, Абдеррахман (1995). «О гипотезе Эрдоша о 3-степенных числах». Бюллетень Лондонского математического общества . 27 (4): 317–318. CiteSeerX 10.1.1.24.563 . doi :10.1112/blms/27.4.317.
^ «Миллиардер предлагает 1 миллион долларов за решение математической задачи | Блоги новостей ABC – Yahoo». Gma.yahoo.com. 2013-06-06. Архивировано из оригинала 2013-06-13 . Получено 2014-03-06 .
^ Пунен, Бьорн; Шефер, Эдвард Ф.; Столл, Майкл (2005). «Повороты X (7) и примитивные решения для x 2 + y 3 = z 7 ». Duke Mathematical Journal . 137 : 103–158. arXiv : math/0508174 . Bibcode : 2005math......8174P. doi : 10.1215/S0012-7094-07-13714-1. S2CID 2326034.
^ Аб Брюин, Нильс (9 января 2003 г.). «Методы Шаботи с использованием эллиптических кривых». Журнал для королевы и математики . 2003 г. (562). дои : 10.1515/crll.2003.076. ISSN 0075-4102.
^ Брюин, Нильс (2005-03-01). "Примитивные решения для x^3 + y^9 = z^2". Журнал теории чисел . 111 (1): 179–189. arXiv : math/0311002 . doi :10.1016/j.jnt.2004.11.008. ISSN 0022-314X. S2CID 9704470.
^ ab Frits Beukers (20 января 2006 г.). "Обобщенное уравнение Ферма" (PDF) . Staff.science.uu.nl . Получено 2014-03-06 .
^ Браун, Дэвид (2009). «Примитивные интегральные решения для x 2 + y 3 = z 10 ». arXiv : 0911.2932 [math.NT].
^ Дамен, Сандер (2011). «Усовершенствованный модульный подход к уравнению Диофанта x^2 + y^{2n} = z^3». Международный журнал теории чисел . 7 (5): 1303–1316. arXiv : 1002.0020 . doi : 10.1142/S1793042111004472. ISSN 1793-7310.
^ Сиксек, Самир; Столл, Майкл (2012). «Частичный спуск по гиперэллиптическим кривым и обобщенное уравнение Ферма x^3 + y^4 + z^5 = 0». Бюллетень Лондонского математического общества . 44 (1): 151–166. arXiv : 1103.1979 . doi : 10.1112/blms/bdr086. ISSN 1469-2120. S2CID 12565749.
^ Аб Пунен, Бьорн (1998). «Некоторые диофантовы уравнения вида x^n + y^n = z^m». Acta Arithmetica (на польском языке). 86 (3): 193–205. дои : 10.4064/aa-86-3-193-205 . ISSN 0065-1036.
^ Дамен, Сандер Р.; Сиксек, Самир (2013). «Совершенные степени, выражаемые как суммы двух пятых или седьмых степеней». arXiv : 1309.4030 [math.NT].
^ ab H. Darmon и L. Merel. Коэффициенты вращения и некоторые варианты Великой теоремы Ферма, J. Reine Angew. Math. 490 (1997), 81–100.
^ Беннетт, Майкл А. (2006). «Уравнение x^{2n} + y^{2n} = z^5» (PDF) . Journal de Théorie des Nombres de Bordeaux . 18 (2): 315–321. дои : 10.5802/jtnb.546. ISSN 1246-7405.
^ Anni, Samuele; Siksek, Samir (2016-08-30). «Модулярные эллиптические кривые над вещественными абелевыми полями и обобщенное уравнение Ферма x^{2ℓ} + y^{2m} = z^p». Алгебра и теория чисел . 10 (6): 1147–1172. arXiv : 1506.02860 . doi :10.2140/ant.2016.10.1147. ISSN 1944-7833. S2CID 118935511.
^ Биллери, Николас; Чен, Имин; Дембеле, Лассина; Дьелефе, Луис; Фрейтас, Нуно (05 марта 2019 г.). «Некоторые расширения модульного метода и уравнения Ферма сигнатуры (13, 13, n)». arXiv : 1802.04330 [math.NT].
^ Краус, Ален (1 января 1998 г.). «По уравнению a^3 + b^3 = c^p». Экспериментальная математика . 7 (1): 1–13. дои : 10.1080/10586458.1998.10504355. ISSN 1058-6458.
^ Дармон, Х.; Гранвиль, А. (1995). «Об уравнениях zm = F(x, y) и Axp + Byq = Czr». Бюллетень Лондонского математического общества . 27 (6): 513–43. doi : 10.1112/blms/27.6.513 .
^ "Sloane's A261782 (см. теорему и ее доказательство в комментарии от 08 мая 2021 г.)". Онлайновая энциклопедия целочисленных последовательностей . Фонд OEIS . Получено 19 июня 2021 г.
^ Рахими, Амир М. (2017). «Элементарный подход к диофантову уравнению a x m + b y n = z r {\displaystyle ax^{m}+by^{n}=z^{r}} с использованием центра масс». Missouri J. Math. Sci . 29 (2): 115–124. doi :10.35834/mjms/1513306825.
↑ Уолтер Хики (5 июня 2013 г.). «Если вы сможете решить эту математическую задачу, то техасский банкир даст вам 1 миллион долларов». Business Insider . Получено 8 июля 2016 г.
^ «Математическая задача на 1 миллион долларов: банкир Д. Эндрю Бил предлагает награду за решение гипотезы, не решенной в течение 30 лет». International Science Times. 5 июня 2013 г. Архивировано из оригинала 29 сентября 2017 г.