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《数学女孩2:费马大定理》2.8 单位圆上的有理点

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第二天放学后,教室里只剩下我和米尔嘉。

“找到‘某个无数存在的东西’,就没这么难了。”米尔嘉站在黑板前,说是要用有趣的方法证明“单位圆上存在无数个有理点”。

米尔嘉捏着粉笔,在黑板上慢慢地画了一个大圆。我用眼睛追着那美丽的轨迹。

“首先再来确认一次问题。”米尔嘉说。

◎  ◎  ◎

首先再来确认一次问题。设(x, y)为平面坐标上的一个点,则方程式 x2 + y2 = 1 表示以原点为中心,半径为 1 的圆。在这个圆上“存在无数个有理点”,就相当于方程式 x2 + y2 = 1“存在无数个有理数解”,这两个命题是等价的。

现在,通过圆上的点 P (-1, 0),以 t 为倾角画一条直线 。

因为倾角为 t 时直线通过点 T (0, t),所以直线 的方程式如下。

排除直线 与圆相切于点 P 的情况,除点 P 之外,直线 一定还与圆上另一点相交。我们称这个交点为 Q。要用 t 来表示点 Q 的坐标,只要解开下面的联立方程式即可。因为联立方程式的解就等于方程式所表示的图形的交点。

解这个联立方程式。

因为 ,于是这就变成了一个关于 x 的二次方程式。虽然用二次方程式的公式来解也可以,不过由点 P (-1, 0) 的 x 坐标可知, x = -1 是这个二次方程式的一个解。所以可以像下面这样,提出 x + 1 这个因式。

该式与下式是等价的。

x + 1 = 0 或者 (t2 + 1)x + (t2 - 1) = 0

因此可以像下面这样,用 t 表示 x

如果使用直线方程式 y = tx + t,也可用 t 表示 y。因为 (x, y) = (-1, 0) 不是点 Q,所以我们只研究 的情况。

这样就得到 。这就是点 Q 的坐标,即

那么,我在想能不能把圆上的有理点和“某个无数存在的东西”一对一对应呢?现在我们关注 y 轴上的点 T。使用点 Ty 坐标 (t),通过加减乘除运算即可得到点 Q 的坐标。也就是说 —— 如果点 T 是 y 轴上的有理点,那么点 Q 也是有理点。这是因为将有理数进行加减乘除运算得到的还是有理数。可以通过自由变换 y 轴上的无数个有理点得到点 T,点 T 不同,交点 Q 也不同。综上所述,这个单位圆的圆周上存在无数个有理点。

解答2-2

以原点为中心的单位圆上,存在无数个有理点。

◎  ◎  ◎

“原来如此……”我说。

“你还没发现吗 ?”米尔嘉说。

“什么?”

“今天你还真迟钝啊,我是说泰朵拉。”

“我没跟她一起吃午饭啊。”翻什么旧账啊?

“我不是问你那个,你没看见泰朵拉的卡片吗?将 a, b, c 设为自然数,考虑勾股定理 a2 + b2 = c2,两边同时除以 c2,会出现什么?”

“啊! 是 x2 + y2 = 1 的解!从勾股定理可以引出单位圆!”

“你要是说‘出现了单位圆上的有理点’就好了。不同的基本勾股数,就对应不同的有理点 。‘存在无数个基本勾股数’和‘单位圆上存在无数个有理点’是等价的。两张卡片本质上是一个问题。”

“什么?!”我惊呆了。

“没想到你会这么吃惊,你真的一直都没注意到吗?”米尔嘉说。

没注意到……

泰朵拉的卡片上写着整数的关系。

米尔嘉的卡片上写着有理数的关系。

看了两张卡片,却没注意到是同一个问题……

“真没面子。”我说。

“嗯。搞得你这么失落,我也挺发愁的。把卡片组合不是村木老师的惯用招数吗。老师用两张卡片暗示了谜题。‘调查方程式的解’是代数题,‘用图形来捕捉事物’则是几何题。代数与几何—— 村木老师想让我们看这两个世界。”

“两个世界……”我说。

“‘数星星的人’和‘画星座的人’。这两种人,哥哥你属于哪种?”

在此谷山 - 志村猜想登场。

空前绝后的推测,在毫无关系的两个世界间架起了桥梁。

没错,数学家这帮人,非常喜欢干架桥这种事儿。

——《费马大定理》[2]