TARDÍGRADOS

Ciencia en español

Más allá del último Teorema de Fermat

Posted by Albert Zotkin en marzo 4, 2018

Hola amigo incondicional de Tardígrados. Anoche. como no podía conciliar el sueño, en lugar de contar ovejitas, me puse a calcular mentalmente ternas pitagóricas, y de ahí pasé a mayores evocando el último Teorema de Fermat. Afortunadamente me quedé dormido pronto, pero de todo eso surgieron algunas ideas extravagantes, que más se parecen a cabezonería que a otra cosa. Y me dije para mis adentros: “vale, vale, el último Teorema de Fermat es cierto, no es posible encontrar ternas de números enteros positivos (x, y, z) tal que se cumpla la relación:

\displaystyle    x^n + y^n = z^n  \, (1)
para todo n > 2. Pero, ¿y si nos emperramos en que esa relación se pueda cumplir para ciertas ternas de enteros positivos?. Es decir, queremos que “el último Teorema de Fermat sea falso“, entre comillas, por supuesto. Queremos ir mas allá. Pensemos por un momento en algo parecido a lo que queremos conseguir. Ese algo puede ser, por ejemplo, la raíz cuadrada de un número real negativo. Por mucho que nos empeñemos, la raíz cuadra de un número real negativo no es un número real, ni negativo ni positivo. Pero alguien se emperró y dijo hacia sus adentros, ¿cómo que no voy a ser capaz de calcular esto?:

\displaystyle    x = \sqrt{-25} (2)
Para poder resolver esa imposibilidad algebraica se inventaron los números complejos, y más concretamente el número imaginario i = (0, 1), del cual queremos que su cuadrado sea igual a -1. De esa forma tan artificial y forzada tendremos que, efectivamente:

\displaystyle    x = \sqrt{(-1)25 } =\sqrt{-1}\sqrt{25}= i\sqrt{25} \\ \\ i =\sqrt{-1} (3)
¿Hemos resuelto el problema?. No, pero hemos sabido encapsular el objeto conflictivo, aislarlo de la solución. Los números complejos, visto de esta forma tan extravagante, son como hacer limpieza y meter toda la basura debajo de la alfombra. En realidad, no hemos resuelto el problema de la raíz cuadrada de un numero negativo, simplemente hemos escondido el problema debajo de la alfombra. Pero, al hacer eso, nos hemos visto forzados a definir una nueva clase de números, los números complejos, de la que los números reales es simplemente un subconjunto. Así, con la ecuación (1), que define el teorema de Fermat, pasa algo muy parecido. Supongamos que queremos que exista una solución de ternas enteras para

\displaystyle   x^3 + y^3 = z^3  \, (4)
Sabemos que no será una solución real. Busquemos ternas de números que podrían servirnos. Y para ello nos basaremos en un método análogo al que utilizó Euclides para encontrar ternas Pitagóricas. Euclides encontró, para para cualquier par aleatorio de números enteros positivos, m y n, con m > n, que es posible definir una terna que cumpla el Teorema de Pitágoras, así;

\displaystyle  x=m^{2}-n^{2},\ \,y=2mn,\ \,z=m^{2}+n^{2} (5)
y la relación del Teorema de Pitágoras se cumplirá siempre si las ternas están definidas de esa forma, para cualquiera que sean los números aleatorios m y n:

\displaystyle  z^2=x^2+y^2 (6)
Hagamos ahora algo parecido para nuestras ternas de Fermat en la relación cúbica. Es decir, desde dos números aleatorios m y n, definamos nuestras ternas así:

\displaystyle  x=m^3-n^3,\ \,y=\sqrt[3]{2n^9+ 6m^6 n^3},\ \,z=m^3+n^3 (7)
Evidentemente, como el último Teorema de Fermat es cierto, no esperamos que nuestras ternas, definidas de esa forma, cumplan la relación cúbica (4). Pero, las vamos a presentar para a ver qué ocurre:

\displaystyle  x^3+y^3= (m - n)^3+\left(\sqrt[3]{2n^3+ 6m^2 n}\right)^3 = \\ \\  =(m^3 - n^3)^3+ (2n^9+ 6m^6 n^3)^3 = m^9+3 m^6 n^3+3 m^3 n^6+n^9 = \\ \\   =(m^3+n^3)^3=z^3 (8)
Con lo cual hemos demostrado que el último Teorema de Fermat es ¡falso!. ¿Dónde está el error?. El error está en afirmar que, tal y como hemos definido y, desde los enteros positivos aleatorios m y n, debe ser obligatoriamente un entero positivo. De hecho para demostrar que el último Teorema de Fermat es cierto para el caso cúbico basta con demostrar que:

\displaystyle  y =\sqrt[3]{2n^9+ 6m^6 n^3}  (9)
no puede ser entero positivo si m y n lo son. Y eso se demuestra muy rápidamente:

\displaystyle  y^3 = 2n^9+ 6m^6 n^3 (10)
no puede ser un cubo porque el único sería:

\displaystyle  y^3 = n^9+ 6n^9  +  n^9 = 8 n^9 \\  y = 2n^3 (11)
que es una contradicción ya que originalmente m no puede ser igual a n. En general, para demostrar este teorema para todos los casos, basta con demostrar que el número y no puede ser entero si n y m son enteros. El caso general más simple sería:

\displaystyle  x= m-n ,\ \, z= m+n \\ \\  y = \sqrt[k]{(m+n)^k - (m-n)^k } (12)
y como sabemos que las siguientes expansiones son ciertas:

\displaystyle (m+n)^k = \sum_{j=0}^k {k \choose j} m^{k-j}n^j \\ \\ \\ (m-n)^k = \sum_{j=0}^k {k \choose -j} m^{k-j}n^j (13)

tendremos que:

\displaystyle  (m+n)^k -(m-n)^k = \sum_{j=1}^{k-1} {k \choose j} m^{k-j}n^{j} -\sum_{j=1}^{k-1} {k \choose -j} m^{k-j}n^{j} \\ \\ \\ (14)
Es decir, el número y, expresado desde los aleatorios enteros positivos m y n, sería:

\displaystyle  y = \sqrt[k]{\sum_{j=1}^{k-1} {k \choose j} m^{k-j}n^j-\sum_{j=1}^{k-1} {k \choose -j} m^{k-v}n^j} \\ \\ \\ (15)
Con lo cual para demostrar que es cierto el último Teorema de Fermat, basta con demostrar que, en esta última ecuación (14), si m y n son enteros positivos, entonces y no lo es, y eso debe ser cierto para todo k entero positivo.

El caso general algo menos simple que el anterior sería:

\displaystyle  x= m^k-n^k ,\ \, z^k= m^k+n^k \\ \\  y = \sqrt[k]{(m^k+n^k)^k - (m^k-n^k)^k } (16)
Pero, las expansiones son muy parecidas a las del caso anterior, sólo hay que elevar a k los dos factores que acompañan al binomial, porque es simplemente un vulgar cambio de variable:

\displaystyle y = \sqrt[k]{\sum_{j=1}^{k-1} {k \choose j} m^{k^2-j k}n^{v k} -\sum_{j=1}^{k-1} {k \choose -v} m^{k^2-j k}n^{j k} } (17)
Esa diferencia de sumatorios es fácil redcirla, ya que poseen sumandos iguales, pero en el segundo sumatorio hay alternancia de signos ±. Por lo tanto, los sumando en posiciones impares se suman duplicándose, y los de posiciones pares se restan, anulándose. Una forma elegante de expresar esa diferencia de sumatorios es esta:

\displaystyle y = \sqrt[k]{\sum_{j=1}^{k-1} {k \choose j} (1+e^{i \pi j}) m^{k^2-j k}n^{j k} }

(18)
El último Teorema de Fermat viene a decirnos que el único caso para el que el número y resulta ser entero, siendo los aleatorios enteros m y n, es cuando k = 2. Los casos para k >2, dan todos un número y que no es entero, es decir, le sobra o le falta siempre cierta cantidad para completar un hipercubo.

\displaystyle k=2,\,y= 2 \sqrt{m^2 n^2} \\   k=3,\,y= \left(6 m^6 n^3+2 n^9\right)^{1/3} \\   k=4,\,y= \left(8 m^{12} n^4+8 m^4 n^{12}\right)^{1/4} \\   k=5,\,y=  \left(10 m^{20} n^5+20 m^{10} n^{15}+2 n^{25}\right)^{1/5} \\  k=6,\,y= \left(12 m^{30} n^6+40 m^{18} n^{18}+12 m^6 n^{30}\right)^{1/6} \\   k=7,\,y= \left(14 m^{42} n^7+70 m^{28} n^{21}+42 m^{14} n^{35}+2 n^{49}\right)^{1/7} \\  k=8,\,y= \left(16 m^{56} n^8+112 m^{40} n^{24}+112 m^{24} n^{40}+16 m^8 n^{56}\right)^{1/8} \\  k=9,\,y=  \left(18 m^{72} n^9+168 m^{54} n^{27}+252 m^{36} n^{45}+72 m^{18} n^{63}+2 n^{81}\right)^{1/9} \\  k=10,\,y=  \left(20 m^{90} n^{10}+240 m^{70} n^{30}+504 m^{50} n^{50}+240 m^{30} n^{70}+20 m^{10} n^{90}\right)^{1/10}

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