Теорема Ферма про суму двох квадратів

Теорема Ферма про суму двох квадратів в теорії чисел стверджує, що непарне просте число p є сумою двох квадратів

${\displaystyle p=x^{2}+y^{2},\,}$

де x і y — цілі числа, тоді і тільки тоді, коли

${\displaystyle p\equiv 1{\pmod {4}}.}$

Наприклад, прості числа 5, 13, 17, 29, 37 і 41 рівні 1 за модулем 4, тому вони рівні сумі квадратів:

${\displaystyle 5=1^{2}+2^{2},\quad 13=2^{2}+3^{2},\quad 17=1^{2}+4^{2},\quad 29=2^{2}+5^{2},\quad 37=1^{2}+6^{2},\quad 41=4^{2}+5^{2}.}$

Натомість прості числа 3, 7, 11, 19, 23 і 31 рівні 3 за модулем 4 і жодне з них не рівне сумі квадратів цілих чисел.

Доведення

Оскільки для довільного парного числа ${\displaystyle 2n,\ n\in \mathbb {Z} }$ його квадрат ${\displaystyle (2n)^{2}=4n^{2}\equiv 0\mod 4,}$ а для довільного непарного ${\displaystyle 2n+1,\ n\in \mathbb {Z} }$ відповідно ${\displaystyle (2n+1)^{2}=4n^{2}+4n+1\equiv 1\mod 4}$ то сума квадратів двох цілих чисел за модулем 4 має бути рівною 0, 1 або 2. Відповідно жодне число рівне 3 за модулем 4 (зокрема і таке просте число) не може бути сумою двох квадратів цілих чисел.

Доведення того, що просте число ${\displaystyle p\equiv 1{\pmod {4}}}$ є сумою двох квадратів є складнішим. Наразі відомо досить багато доведень перше з яких опублікував Ейлер.

Перше доведення

Дане доведення вперше дав норвезький математик Аксель Туе.

Основою цього доведення є лема: якщо ${\displaystyle n}$ є додатним цілим числом і ${\displaystyle a}$ — ціле число, взаємно просте із ${\displaystyle n}$, то існують такі цілі числа ${\displaystyle 0<x,y\leqslant {\sqrt {n}}}$ для яких або ${\displaystyle ax\equiv y\mod n}$ або ${\displaystyle ax\equiv -y\mod n.}$ Зокрема, як наслідок ${\displaystyle n}$ є дільником числа ${\displaystyle a^{2}x^{2}-y^{2}.}$

Для доведення цього факту розглянемо усі числа ${\displaystyle ax-y}$ для ${\displaystyle 0\leqslant x,y\leqslant {\sqrt {n}}}$. Загалом цих чисел є ${\displaystyle (\lfloor {\sqrt {n}}\rfloor +1)^{2}>n,}$ а тому хоча б два із них є рівними за модулем ${\displaystyle n}$. Нехай це числа ${\displaystyle ax_{1}-y_{1}}$ і ${\displaystyle ax_{2}-y_{2}.}$ Очевидно ${\displaystyle x_{1}\neq x_{2}}$ і ${\displaystyle y_{1}\neq y_{2}}$ і можна вибрати позначення так, що ${\displaystyle x_{1}>x_{2}.}$

Тоді ${\displaystyle (ax_{1}-y_{1})-(ax_{2}-y_{2})=a(x_{1}-x_{2})-(y_{1}-y_{2})\equiv 0\mod n.}$ Якщо позначити ${\displaystyle x=x_{1}-x_{2}}$ і ${\displaystyle y=|y_{1}-y_{2}|}$ то числа ${\displaystyle x,y}$ задовольняють умови леми.

Згідно теореми Вілсона ${\displaystyle (p-1)!\ \equiv \ -1\ \mod p.}$ Якщо ${\displaystyle p=4k+1}$ то для ${\displaystyle 1\leqslant i\leqslant 2k}$ маємо ${\displaystyle 2k+i\equiv -2k-i+1\mod p}$ і тому

${\displaystyle -1\equiv (p-1)!\ \equiv (2k)!\cdot (-2k)\cdot (-(2k-1))\cdot \ldots \cdot -2\cdot -1\equiv ((2k)!)^{2}\cdot (-1)^{2k}\equiv ((2k)!)^{2}\mod p.}$

Відповідно, якщо позначити ${\displaystyle N=(2k)!}$, то ${\displaystyle p}$ є дільником числа ${\displaystyle N^{2}+1.}$ Числа ${\displaystyle p}$ і ${\displaystyle N}$ є взаємно простими, а тому згідно леми існують числа ${\displaystyle 0<x,y<{\sqrt {p}}}$ для яких ${\displaystyle p}$ є дільником числа ${\displaystyle N^{2}x^{2}-y^{2}.}$

Оскільки ${\displaystyle p\ |\ N^{2}x^{2}-y^{2}}$ і ${\displaystyle p\ |\ N^{2}+1}$, то також ${\displaystyle p\ |\ (N^{2}+1)x^{2}-(N^{2}x^{2}-y^{2})=x^{2}+y^{2}.}$ Але з ${\displaystyle 0<x,y<{\sqrt {p}}}$ випливає, що ${\displaystyle x^{2}+y^{2}<2p}$ і тому ${\displaystyle x^{2}+y^{2}=p.}$

Друге доведення

Це доведення дане Ріхардом Дедекіндом використовує поняття Гаусових чисел і ідеї комутативної алгебри і алгебричної теорії чисел.

Гаусовими числами називаються комплексні числа виду ${\displaystyle a+bi}$, де ${\displaystyle a,b\in \mathbb {Z} .}$ Якщо ввести норму числа як ${\displaystyle N(a+bi)=a^{2}+b^{2},}$ то із цією нормою гаусові числа утворюють евклідове кільце. Тому, як і довільне евклідове кільце, воно є кільцем головних ідеалів, а тому і факторіальним кільцем. Тобто кожне гаусове число записується як добуток незвідних елементів і кожен незвідний елемент є простим і навпаки.

Якщо ${\displaystyle p\equiv 1{\pmod {4}}}$, то як і у попередньому доведенні існує ціле число ${\displaystyle n}$ для якого ${\displaystyle n^{2}+1}$ ділиться на ${\displaystyle p}$ (наприклад ${\displaystyle n=(2k)!}$, де ${\displaystyle p=4k+1}$). У кільці гаусових чисел тоді елемент ${\displaystyle p}$ ділить ${\displaystyle n^{2}+1}$, що є добутком елементів ${\displaystyle n+i}$ і ${\displaystyle n-i}$. Проте ${\displaystyle p}$ не ділить жоден із цих множників оскільки елемент уявна частина якого є рівною ${\displaystyle \pm {\frac {1}{p}}}$ не є гаусовим числом. Відповідно у кільці гаусових чисел ${\displaystyle p}$ не є простим елементом і тому не є незвідним. Тобто існують незвідні елементи ${\displaystyle q_{1},\ldots ,q_{m}}$ добуток яких є рівним ${\displaystyle p}$. Норма усіх цих елементів є більшою, ніж 1 і добуток норм має дорівнювати ${\displaystyle N(p)=p^{2}.}$ Єдиний варіант при якому це можливо, якщо ${\displaystyle p=q_{1}q_{2}}$ і ${\displaystyle N(q_{1})=N(q_{2})=p.}$ Якщо тепер ${\displaystyle q_{1}=x+yi}$ то ${\displaystyle p=N(q_{1})=x^{2}+y^{2},}$ що і дає розклад ${\displaystyle p}$ як суми двох квадратів.

Також у цьому випадку ${\displaystyle q_{2}=x-yi.}$ Якщо також ${\displaystyle p=t^{2}+s^{2}}$ є іншим записом числа як суми квадратів, тоді ${\displaystyle p=(t+si)(t-si)}$ є іншим записом ${\displaystyle p}$ через незвідні елементи. Але із теорії факторіальних кілець тоді випливає, що ${\displaystyle t+si=\pm (x+yi)}$ або ${\displaystyle t+si=\pm (x-yi).}$ У будь-якому випадку тоді ${\displaystyle t^{2}=x^{2},\ s^{2}=y^{2}}$ і запис ${\displaystyle p}$ як суми двох квадратів є єдино можливим.

Третє доведення

Коротке доведення теореми, сформульоване одним реченням дав німецький математик Дон Цагір.

Якщо ${\displaystyle p=4k+1}$ є простим числом і позначаючи скінченну підмножину ${\displaystyle S=\{(x,y,z)\in \mathbb {N} ^{3}:x^{2}+4yz=p\}}$ множини трійок натуральних чисел, на ${\displaystyle S}$ існують дві інволюції. Простіша визначається як ${\displaystyle (x,y,z)\mapsto (x,z,y)}$, Усі її можливі її нерухомі точки виглядають як ${\displaystyle (x,y,y)}$ і дають розклади ${\displaystyle p}$ як суму двох квадратів. Відповідно для доведення теореми достатньо довести наявність хоча б однієї такої нерухомої точки.

Інша інволюція множини ${\displaystyle S}$ записується як:

${\displaystyle (x,y,z)\mapsto {\begin{cases}(x+2z,~z,~y-x-z),\quad \,\,\,x<y-z\\(2y-x,~y,~x-y+z),\quad \,\,\,y-z<x<2y\\(x-2y,~x-y+z,~y),\quad \,\,\,x>2y\end{cases}}}$

Її єдиною нерухомою точкою є ${\displaystyle (1,1,k)}$. Оскільки всі інші точки розбиваються на пари, елементи яких переводяться один в інший під дією інволюції, то потужність множини ${\displaystyle S}$ є непарним числом. Але під дією будь-якої інволюції на скінченній множині ${\displaystyle S}$ елементи множини діляться на пари, елементи яких переводяться один в інший і нерухомі точки. Оскільки множина ${\displaystyle S}$ має непарну кількість елементів, то будь-яка інволюція має хоча б одну нерухому точку. Зокрема для стандартної інволюції ${\displaystyle (x,y,z)\mapsto (x,z,y)}$ існує деяка нерухома точка ${\displaystyle (x,y,y)}$ і тоді ${\displaystyle p=x^{2}+4y^{2}.}$

Твердження для довільних натуральних чисел

Див. також: Теорема про суму двох квадратів

Числа ${\displaystyle 1=1+0}$ і ${\displaystyle 2=1+1}$ є рівними сумі двох квадратів. Також із тотожності Брамагупти:

${\displaystyle \left(a^{2}+b^{2}\right)\left(c^{2}+d^{2}\right)=\left(ac-bd\right)^{2}+\left(ad+bc\right)^{2}}$

випливає, що якщо два числа можна записати як суму квадратів, то і їх добуток буде сумою квадратів.

Послідовно використовуючи цю властивість одержується, що будь-яке число простими дільниками якого є число 2 і всі непарні прості числа ${\displaystyle p\equiv 1\mod {4}}$ може бути записане як сума квадратів.

Також якщо ${\displaystyle n=x^{2}+y^{2}}$, то для довільного цілого числа ${\displaystyle m}$: ${\displaystyle m^{2}n=(mx)^{2}+(my)^{2}}$, звідси зокрема будь-яке ціле число у розкладі якого на прості множники, прості числа виду ${\displaystyle p\equiv 3{\pmod {4}}}$ присутні із парними степенями теж може бути записане як сума двох квадратів.

Нехай тепер ${\displaystyle p\equiv 3\mod {4}}$ є простим числом і ${\displaystyle p|(x^{2}+y^{2}).}$ Тоді також ${\displaystyle p|x}$ і відповідно також ${\displaystyle p|y.}$ Справді в іншому випадку числа ${\displaystyle x^{2}}$ і ${\displaystyle y^{2}}$ є взаємно простими із ${\displaystyle p}$ і ${\displaystyle x^{2}\equiv -y^{2}\mod p.}$ Тоді згідно малої теореми Ферма:

${\displaystyle 1\equiv x^{p-1}\equiv (x^{2})^{p-1 \over 2}\equiv (-y^{2})^{p-1 \over 2}\equiv (-1)^{p-1 \over 2}y^{p-1}\equiv -1\mod p,}$

що є неможливим.

Відповідно якщо таке просте число є дільником числа ${\displaystyle n=x^{2}+y^{2}}$ тоді також ${\displaystyle p|x}$ і ${\displaystyle p|y.}$ Звідси, як наслідок ${\displaystyle p^{2}|n.}$ Тому якщо деяке число ${\displaystyle n}$ ділиться на ${\displaystyle p}$ але не ${\displaystyle p^{2}}$ воно не є сумою двох квадратів.

Аналогічно, якщо ${\displaystyle n=x^{2}+y^{2}}$ і ${\displaystyle n=p^{2k+1}m}$, де ${\displaystyle p\equiv 3\mod {4}}$ і ${\displaystyle m}$ не ділиться на ${\displaystyle p}$, то як і вище ${\displaystyle p|x}$ і ${\displaystyle p|y}$ і якщо ${\displaystyle x=px_{1}}$ і ${\displaystyle y=py_{1}}$, то також ${\displaystyle n_{1}=p^{2k-1}m=x_{1}^{2}+y_{1}^{2}.}$

Продовжуючи цей процес отримуємо після k кроків: ${\displaystyle pm=x_{k}^{2}+y_{k}^{2},}$ що згідно попереднього є неможливим. Отже і число ${\displaystyle n=p^{2k+1}m}$ не є сумою двох квадратів.

Остаточно твердження теореми для всіх цілих чисел є таким: число ${\displaystyle n}$ є рівним сумі квадратів двох цілих чисел тоді і тільки тоді коли у розкладі числа ${\displaystyle n}$ на прості множники, прості числа виду ${\displaystyle p\equiv 3\mod {4}}$ входять із парними степенями.

Література

• D. A. Cox (1989). Primes of the Form x2+ny2. Wiley-Interscience. .