home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / nasa / fermat / fermat.txt < prev   
Encoding:
Text File  |  1995-05-02  |  20.1 KB  |  418 lines

  1. 3 Articles on the proof of Fermat's Last Theorem
  2.  
  3.  Newsweek, New York Times, and FXKMS@acad3.alaska.edu.
  4.  =========
  5.  
  6.                        Internet Amateur Mathematics Society 
  7.                                   Newsletter 5
  8.  
  9.                 IAMS@quack.kfu.com 
  10.  
  11. Fermat's Last Theorem Proved
  12.  
  13. If you haven't heard it yet, Dr. Andrew Wiles had claimed that he
  14. proved the famous Fermat's Last Theorem.  Here I have three articles,
  15. one from Newsweek, one from New York Time, and the other one from
  16. FXKMS@acad3.alaska.edu.
  17.  
  18.  
  19.  
  20. Brief Summary of Dr. Wiles' Proof, From FXKMS@acad3.alaska.edu
  21.  
  22.  
  23. If E is a semistable elliptic curve defined over Q,
  24.   then E is modular.
  25.  
  26. It has been known for some time, by work of Frey and Ribet, that
  27. Fermat's Theorem follows from this.  If 
  28.  
  29. u^q + v^q + w^q = 0,
  30.  
  31. then Frey had 
  32. the idea of looking at the (semistable) elliptic curve 
  33.  
  34. y^2 = x(x-a^q)(x+b^q).
  35.  
  36. If this elliptic curve comes from a modular form, 
  37. then the work of Ribet on Serre's conjecture shows that there
  38. would have to exist a modular form of weight 2 on $\Gamma_0(2)$.  But
  39. there are no such forms.
  40.  
  41. To prove the Theorem, start with an elliptic curve $E$, a prime $p$ and let
  42.  
  43. \rho_p : \Gal(\bar{Q}/Q) \to \GL_2(\Z/p\Z)
  44.  
  45. be the representation giving the action of Galois on the p-torsion
  46. E[p].  We wish to show that a certain lift of this representation to
  47. GL_2(Z_p) (namely, the p-adic representation on the Tate module
  48. T_p(E)) is attached to a modular form.  We will do this by using
  49. Mazur's theory of deformations, to show that every lifting which
  50. `looks modular' in a certain precise sense is attached to a modular
  51. form.
  52.  
  53. Fix certain `lifting data', such as the allowed ramification, 
  54. specified local behavior at $p$, etc. for the lift. This defines a 
  55. lifting problem, and Mazur proves that there is a universal 
  56. lift, i.e. a local ring R and a representation into GL_2(R) such 
  57. that every lift of the appropriate type factors through this one.  
  58.  
  59. Now suppose that \rho_p is modular, ie there is some lift
  60. of \rho_p which is attached to a modular form.  Then there is 
  61. also a hecke ring T, which is the maximal quotient of R with the 
  62. property that all modular lifts factor through T.  It is a 
  63. conjecture of Mazur that R = T, and it would follow from this
  64. that every lift of \rho_p which `looks modular' (in particular the 
  65. one we are interested in) is attached to a modular form.
  66.  
  67. Thus we need to know 2 things:
  68.  
  69.     1. \rho_p is modular
  70.     2. R = T.
  71.  
  72. It was proved by Tunnell that \rho_3 is modular for every elliptic 
  73. curve.  This is because \PGL_2(\Z/3\Z) = S_4.  So (1) will be satisfied
  74. if we take p=3.  This is crucial.
  75.  
  76. Wiles uses (a) to prove (b) under some restrictions on \rho_p.  Using 
  77. (a) and some commutative algebra (using the fact that T is Gorenstein,
  78. `basically due to Mazur')  Wiles reduces the statement T = R to 
  79. checking an inequality between the sizes of 2 groups.  One of these 
  80. is related to the Selmer group of the symmetric sqaure of the given 
  81. modular lifting of \rho_p, and the other is related (by work of Hida) 
  82. to an L-value.  The required inequality, which everyone presumes is 
  83. an instance of the Bloch-Kato conjecture, is what Wiles needs to verify.
  84.  
  85. He does this using a Kolyvagin-type Euler system argument.  This is
  86. the most technically difficult part of the proof, and is responsible
  87. for most of the length of the manuscript.  He uses modular
  88. units to construct what he calls a 'geometric Euler system' of
  89. cohomology classes.  The inspiration for his construction comes
  90. from work of Flach, who came up with what is essentially the
  91. `bottom level' of this Euler system.  But Wiles needed to go much
  92. farther than Flach did.  In the end, under certain hypotheses on \rho_p
  93. he gets a workable Euler system and proves the desired inequality.
  94. Among other things, it is necessary that \rho_p is irreducible.
  95.  
  96. Suppose now that E is semistable.
  97. There are 2 cases:
  98.  
  99.     1. \rho_3 is irreducible. Take p=3.  By Tunnell's theorem (a)
  100. above is true.  Under these hypotheses the argument above works for
  101. \rho_3, so we conclude that E is modular.
  102.  
  103.     2. \rho_3 is reducible. Take p=5.  In this case \rho_5 must be
  104. irreducible, or else E would correspond to a rational point on
  105. X_0(15).  But X_0(15) has only 4 noncuspidal rational points, and
  106. these correspond to non-semistable curves.  If we knew that
  107. \rho_5 were modular, then the computation above would apply and E
  108. would be modular.  
  109.  
  110. We will find a new semistable elliptic curve E' such that 
  111. \rho_{E,5} = \rho_{E',5} and \rho_{E',3} is irreducible.  Then
  112. by Case 1, E' is modular.  Therefore \rho_{E,5} = \rho_{E',5}
  113. does have a modular lifting and we will be done.
  114.  
  115. We need to construct such an E'.  Let X denote the modular 
  116. curve whose points correspond to pairs (A, C) where A is an 
  117. elliptic curve and C is a subgroup of A isomorphic to the group
  118. scheme E[5].  (All such curves will have \bmod 5 representation
  119. equal to \rho_E.)  This X is genus 0, and has one rational point 
  120. corresponding to E, so it has infinitely many.  Now Wiles uses a 
  121. Hilbert Irreducibility argument to show that not all rational 
  122. points can be images of rational points on modular curves 
  123. covering X, corresponding to degenerate level 3 structure 
  124. (i.e. \Im(\rho_3) not \GL_2(Z/3)).  In other words, an E' of the 
  125. type we need exists.  (To make sure E' is semistable, choose 
  126. it 5-adically close to E.  Then it is semistable at 5, and at 
  127. other primes because \rho_{E',5} = \rho_{E,5}.)
  128.  
  129.  
  130.  
  131.  
  132. New Answer for an Old Question, The proof's in the putting 
  133.  
  134. By Sharon Begley with Joshua Copper Ramo
  135.  
  136. Newsweek, July 5th 1993, Pg 52
  137. Copyright 1993 NEWSWEEK, INC.: 444 MADISON AVENUE, N.Y, N.Y, 10022 All
  138. Rights Reserved.
  139.  
  140. "I have found a truly wonderful proof which this margin[of my
  141. notebook] is too small to contain."  So asserted French mathematician
  142. Pierre de Fermat in 1637, in what became the biggest historical dare
  143. in mathematics.  He was referring to a beguilingly simple assertion
  144. about numbers that had intrigued mathematicians since Roman times.
  145. Fermat died 18 years later, never having gotten around to writing down
  146. his "admirable proof".  That should have been a tip-off.  The greatest
  147. minds of the next four centuries tried to find this proof and failed
  148. so abysmally that Fermat's last Theorem, as the assertion was known,
  149. became the top unsolved challenge in all mathematics.  Now it may have
  150. fallen.  Last week, in a lecture at Cambridge University in England,
  151. Andrew Wiles of Princeton University announced that he had proved
  152. Fermat's Last.  Within an hour number theorists were spreading the
  153. word from London to Boulder to Berkeley through a joyous hail of
  154. E-mail.  "There is a sort of euphoria", exalted Princeton math
  155. department chairman Simon Kochen.  "Euphoria because we lived to see
  156. this."
  157.  
  158. Pure mathematics is a sucker's game.  It lures the curious and
  159. confident with its seeming simplicity only to make them look like
  160. fools.  Consider the equation 9+16=25.  It can be written
  161. 3^2+4^2=5^2.  More generally, one can write that a number squared
  162. (multiplied by itself) plus a second number squared equals a third
  163. number squared.  Now the inquisitive are hooked like rubes in
  164. three-card monte.  Try to find three whole numbers that fit the
  165. equation x^3+y^3=z^3.  That is, pick numbers for x and y, multiply
  166. each by itself twice (like 3\times 3\times 3), and find a third
  167. number z which, when multiplied by itself twice, equals to the sum of
  168. the x^3 and y^3.  There is no such z.  That's what Fermat's Last
  169. states.  Nor are there any numbers that fit the equation where the
  170. exponents are anything greater than 2.  That's what Fermat claimed to
  171. have proved.
  172.  
  173. Fermat did, in fact, prove his assertion for exponents of 4.  Leonard
  174. Euler, the great Swiss mathematician, proved it for exponents of 3 in
  175. the 1790s.  France's Adrien Legendre proved it for exponents of 5 in
  176. 1823.  A few years ago a computer proved it for everything less than
  177. 30,000.  Things were looking pretty good for Fermat's last, but none
  178. of this constituted a persuasive proof.  What if the number right
  179. after the last number checked turned out to falsify the theorem?  Only
  180. a rigorous proof would do.  Their inability to find one, especially in
  181. the face of Fermat's taunt, drove mathematicians crazy.
  182.  
  183. Too shy: Wiles approached Fermat's last Theorem the way one would a
  184. skittish horse -- obliquely.  He started with a 1984 finding that if
  185. there are any numbers for which Fermat's equations holds, then the
  186. solutions can be fashioned into something called an elliptic curve.
  187. Then wiles noted a 1987 proof by Ken Ribet of the University of
  188. California, Berkeley, that any such elliptic curves could not be of a
  189. certain type.  (Those who can't balance their checkbooks can drop out
  190. here.) When Wiles proved the contrary -- that the relevant elliptic
  191. curves are of this type -- he had shown the "if" he started with to be
  192. wrong: there are no numbers that make Fermat's equation work.  Just as
  193. the Frenchman said 356 years ago.  This all took Wiles 200 pages.
  194. Wiles (who describes himself as too shy to talk to the press) combined
  195. ideas from number theory, topology and other disparate fields and
  196. basically "three the kitchen sink" at Fermat's Last, says Kochen.
  197. "Among theorists there is often a sense that something just looks
  198. right.  It's the general feeling that [Wiles's proof] looks right," he
  199. says.
  200.  
  201. Mathematicians will not know for sure until they check every line, a
  202. process that could take years.  Thousands of other claims to have
  203. proved Fermat's Last Theorem have fizzled.  But if Wiles has triumphed
  204. over the historical dare, his proof would promise a huge advance in
  205. number theory.  It is a field of almost pristine irrelevance to
  206. everything except the wondrous demonstration that pure numbers, no more
  207. substantial than Plato's shadows, conceal magical laws and orders that
  208. the human mind can discover after all.
  209.  
  210.  
  211.  
  212.  
  213. At Last, Shout of `Eureka!' In Age-Old Math Mystery
  214.  
  215. By Gina Kolata
  216.  
  217. The New York Times, Thursday, June 24, 1993
  218. Copyright 1993 The New York Times
  219.  
  220. More than 350 years ago, a French mathematician wrote a deceptively
  221. simple theorem in the margins of a book, adding that he had discovered
  222. a marvelous proof of it but lacked space to include it in the margin.
  223. He died without ever offering his proof, and mathematicians have been
  224. trying eversince to supply it.  Now, after thousands of claims of
  225. success that proved untrue, mathematicians say the daunting challenge,
  226. perhaps the most famous of unsolved mathematical problems, has at last
  227. been surmounted.
  228.  
  229. The problem is known as Fermat's last theorem, and its apparent
  230. conqueror is Dr. Andrew Wiles, a 40-year-old English mathematician who
  231. works at Princeton University.  Dr. Wiles announced the result
  232. yesterday at the last of three lectures given over three days at
  233. Cambridge University in England.
  234.  
  235. Within a few minutes of the conclusion of his final lecture, computer
  236. mail messages were winging around the world as mathematicians alerted
  237. each other to the startling and almost wholly unexpected result.
  238.  
  239. Dr. Leonard Adelman of the University of Southern California said he
  240. received a message about an hour after Dr. Wiles's announcement.  The
  241. frenzy is justified, he said.  "It's the most exciting thing that's
  242. happened in -- geez -- maybe every, in mathematics."
  243.  
  244. Mathematicians present at the lecture said they felt "an elation",
  245. said Dr. Kenneth Ribet of the University of California at Berkeley, in
  246. a telephone interview from Cambridge.
  247.  
  248. Impossible Is Possible
  249.  
  250. The theorem, an overarching startment about what solutions are
  251. possible for certain simple equations, was stated in 1673 by Pierre de
  252. Fermat, a 17th century French mathematician and physicist.  Many of
  253. the brightest minds in mathematics have struggled to find the proof
  254. ever since, and many have concluded that Fermat, contrary to his
  255. tantalizing claim, had probably failed to develop one despite his
  256. considerable mathematical ability.
  257.  
  258. With Dr. Wiles' result, Dr. Ribet said, "the mathematical landscape
  259. has changed."  He explained: "Your discover that things that seemed
  260. completely impossible are more of a reality.  This changes the way you
  261. approach problems, what you think is possible."
  262.  
  263. Dr. Barry Mazur, a Harvard University mathematician, also reached by
  264. telephone in Cambridge, said: "A lot more is proved than Fermat's last
  265. theorem.  One could envision proof of a problem, no matter how
  266. celebrated, that had no implications.  But this is just the reverse.
  267. This is the emergence of a technique that is visibly powerful.  It's
  268. going to prove a lot more."
  269.  
  270. Remember Pythagoras?
  271.  
  272. Fermat's last theroem has to do with equations of the form
  273. x^n+y^n=z^n.  The case where n is 2 is familiar as the Pythagorean
  274. theorem that the squares of the lengths of two sides of a right angled
  275. triangle equal the square of the length of the hypotenuse.  One such
  276. equation is 3^2+4^2=5^2, since 9+16=25.
  277.  
  278. Fermat's last theorem states that there are no solutions to such
  279. equations when n is a whole number greater than 2.  This means, for
  280. instance, that it would be impossible to find any whole numbers x, y
  281. and z such that x^3+y^3=z^3.  Thus 3^3+4^3, (27+64)=91, which is
  282. not the cube of any whole number.
  283.  
  284. Mathematicians in the United States said that the stature of Dr. Wiles
  285. and the imprimatur of the experts who heard his lectures, especially
  286. Dr. Ribet and Dr. Mazur, convinced them that the new proof was very
  287. likely to be right.  In addition, they said, the logic of the proof is
  288. persuasive because it is is built on a carefully developed edifice of
  289. mathematics that goes back more than 30 years and is well accepted by
  290. researchers.
  291.  
  292. Experts cautioned that Dr. Wiles could of course have made some subtle
  293. misstep.  Famous and not-so-famous mathematicians have claimed proofs
  294. in the past, only to be tripped up by errors.  Dr. Harold M. Edwards,
  295. a mathematician at the Courant Institute of Mathematical Sciences in
  296. New York, said that until the proof was published in a mathematical
  297. journal, which could take a year, and until it is checked many times,
  298. there is always a chance it is wrong.  The author of a book on
  299. Fermat's last theorem, Dr. Edwards noted that "even good
  300. mathematicians have had false proofs."
  301.  
  302. Luring the World's `Cranks'
  303.  
  304. But even he said that Dr. Wiles's proof sounds like the real thing and
  305. "has to be taken very seriously."
  306.  
  307. Despite the apparent simplicity of the theorem, proving it was so hard
  308. that in 1815 and in again 1860, the French Academy of Science offered
  309. a gold medal and 300 francs to anyone who could solve it.  In 1908,
  310. the German Academy of Science offered a prize of 100,000 marks for a
  311. proof that the theorem was correct.  The prize, which still stands
  312. though has been reduced to 7,500 marks, about $4,385, has attracted
  313. the world's "cranks", Dr. Edwards said.  When the Germans said the
  314. proof had to be published, "the cranks began publishing their
  315. solutions in the vanity press," he said, yielding thousands of
  316. booklets.  The Germans told him they would even award the prie for a
  317. proof that the theorem was not true, Dr. Edwards added, saying that
  318. they "would be so overjoyed that they wouldn't have to read through
  319. these submissions."
  320.  
  321. But it was not just amateurs whose iamgination was captured by the
  322. enigmatic problem.  Famous mathematicians, too, spent years of their
  323. lives on it.  Others chose never to get near it for fear of being
  324. sucked into a quagmire.  One mathematical genius, David Hilbert, said
  325. in 1920 that he would not work on it because, "before beginning I
  326. should put in three years of intensive study, and I haven't that much
  327. time to spend on a probable failure."
  328.  
  329. Mathematicians armed with computers have shown that Fermat's theorem
  330. holds true up to very high numbers.  But that falls well short of a
  331. general proof.
  332.  
  333. Tortuous Path to Proof
  334.  
  335. Dr. Ribet said that 20th century work on the problem began to grow
  336. ever more divorced from Fermat's quations.  "Over the last 60 years,
  337. people in number theory have forged an incredible number of tools to
  338. deal with simple problems like this," he said.  "As the tools became
  339. more complicated, they took on a life of their own.  People lost
  340. day-to-day contact with the old problems and were preoccupied with the
  341. objects they created."
  342.  
  343. Dr. Wiles' proof draws on many of these mathematical tools but also
  344. "completes a chain of ideas," said Dr. Nicholas Katz of Princeton
  345. University.  The work leading to the proof began in 1954, when the
  346. late Japanese mathematician Yutaka Taniyama made a conjecture about
  347. mathematical objects called elliptical curves.  That conjecture was
  348. refined by Dr. Goro Shimura of Princeton University a few years later.
  349. But, Dr. Katz said, mathematicians had no perception through the
  350. 1950's to 70's that this had any relationship to Fermat's last
  351. theorem.  "They seemed to be on different planets," he said.
  352.  
  353. In the mid-80's, Dr. Gerhard Frey of the University of the Saarland in
  354. Germany "came up with a very strange, very simple connection between
  355. the Taniyama conjecture and Fermat' last theorem, " Dr. Katz said.
  356. "It gave a sort of rough idea that if you knew Taniyama conjecture you
  357. would in fact know Fermat's last theorem."  He explained.  In 1987,
  358. Dr. Ribet proved the connection.  Now, Dr. Wiles has shown that a form
  359. of the Taniyama conjecture is ture and that this implies tht Fermat's
  360. last theorem must be true.
  361.  
  362. "One of the things that's most remarkable about the fact that Fermat's
  363. last theorem is proven is the incredibly roundabout path that led to
  364. it," Dr. Katz said.
  365.  
  366. Arcane to the Arcane
  367.  
  368. Another remarkable aspect is that such a seemingly simple problem
  369. would require such sophisticated and highly specialized mathematics
  370. for its proof.  Dr. Ribet estimated that a tenth of one percent of
  371. mathematicians could understand Dr. Wiles' work because the
  372. mathematics is so technical.  "You have to know a lot about modular
  373. forms and algebraic geometry," he said.  "You have to have ollowed the
  374. subject very closely."
  375.  
  376. The general idea behind Dr. Wiles' rpoof was to associate an elliptic
  377. curve, which is a mathematical object that looks something like the
  378. surface of a doughnut, with an equation of Fermat's theorem.  If the
  379. theroem were false and there were indeed solutions to the Fermat
  380. equations, a peculiar curve would result.  The proof hinged on showing
  381. that such a curve could not exist.
  382.  
  383. Dr. Wiles, who has told mathematicians he is reluctant to speak to the
  384. press, could not be reached yesterday.  Dr. Ribet, who said Dr. Wiles
  385. was shy, said he was asked to speak for him.
  386.  
  387. Dr. Ribet said it took Dr. Wiles seven years to solve the problem.  He
  388. had a solution for a special case of the conjecture two years ago, Dr.
  389. Ribet said, but told no one.  "It didn't give him enough and he felt
  390. very discouraged by it", he said.
  391.  
  392. Dr. Wiles presented his results this week at a small conference in
  393. Cambridge, England, his birthplace, on "Padic Galois Representations,
  394. Iwasawa Theory and the Tamagawa Numbers of Motives."  He gave a
  395. lecture a day on Monday, Tuesday and Wednesday with the title "Modular
  396. Forms, Elliptic Curves and Galois Representations."  There was no hint
  397. in the title that Fermat's last theroem would be discussed, Dr. Ribet
  398. said.
  399.  
  400. "As Wiles began his lectures, thee was more and more speculation about
  401. what it was going to be, " Dr. Ribet said.  The audience of
  402. specialists in these arcane fields swelled from about 40 on the first
  403. day to 60 yesterday.  Finally, at the end of his third lecture, Dr.
  404. Wiles concluded that he had proved a general case of the Tatiyama
  405. cnjecture.  Then, seemingly as an after thought, he noted that that
  406. meant that Fermat;s last theorem was true.  Q.E.D.
  407.  
  408. People raised their cameras and snapped pictures of this historic
  409. moment, Dr. Ribet said.  Then "there was a warm round of applause,
  410. followed by a couple of questions and another warm round of applause,"
  411. he added.
  412.  
  413. "I had to give the next lecture, " Dr. Ribet said.  "It was something
  414. incredibly mundane."  Since mathematicians are "a pretty well behaved
  415. bunch," they listened politely.  But, he said, it was hard to
  416. concentrate.  "Most people in the room, including me, were incredibly
  417. shell-shocked," he said.