11
Bây giờ rõ ràng là, nếu như chúng ta muốn đi xa hơn nữa, tôi phải đưa ra những ví dụ cụ thể của các định lý toán học "thực thụ", các định lý mà tất cả các nhà toán học sẽ đều phải thừa nhận là hạng nhất. Và ở đây tôi thấy khá khó khăn do sự hạn chế của những gì tôi đang viết. Về một mặt, các ví dụ của tôi phải rất đơn giản, và hiểu được với một người đọc thậm chí không hề có kiến thức chuyên môn về toán; không có một lời giải thích nào được yêu cầu trước; và một người đọc bất kỳ phải có thể theo dõi lời giải cũng như đề bài. Những điều kiện này đã loại bỏ rất nhiều những định lý đẹp nhất của lý thuyết số như định lý "hai số chính phương" của Fermat hay luật nghịch đảo tương hỗ của Gauss. Mặt khác, các ví dụ của tôi phải được đưa ra từ toán học "thực thụ", thứ toán học của những người làm toán chuyên nghiệp; và điều kiện này loại trừ những định lý tương đối khá dễ dàng và dễ hiểu nhưng liên quan đến logic và triết học.Tôi khó có thể làm gì tốt hơn là quay về với những người Hy Lạp. Tôi sẽ phát biểu và chứng minh hai định lý nổi tiếng của toán học Hy Lạp. Đó là các định lý "đơn giản", đơn giản ngay cả trong ý tưởng và cách lập luận, nhưng không hề có nghi ngờ nào rằng chúng là các định lý đẹp. Mỗi định lý đều còn mới mẻ và quan trọng như khi chúng mới được tìm ra - hai nghìn năm vẫn chưa viết nên một nếp nhăn nào trên chúng. Và cuối cùng, cả hai mệnh đề và lời giải đều có thể hiểu được trong vòng một giờ bởi bất kỳ một người đọc thông minh nào, bất kể trang bị toán học của anh ta có ít đến đâu.
I. Định lý đầu tiên là chứng minh của Euclid(*) về tồn tại vô hạn số nguyên tố.
Các số nguyên tố là các số
(A) 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, ...
mà không thể viết thành tích của các thừa số (**) nhỏ hơn. Do đó 37 và 317 là nguyên tố. Số nguyên tố là nền tảng tạo thành tất cả các số bởi phép nhân: ví dụ 666 = 2.3.3.37. Mọi số không nguyên tố đều chia hết cho ít nhất một số nguyên tố (tất nhiên thường là nhiều hơn một). Chúng ta phải chứng minh rằng có vô hạn số nguyên tố, có nghĩa là dãy số (A) không bao giờ kết thúc.
Chúng ta hãy giả sử rằng (A) sẽ kết thúc, và
2, 3, 5, ..., P
là toàn bộ dãy số (do đó P là số nguyên tố lớn nhất); và ta, với giả thuyết này, hãy xem xét số Q xác định bởi công thức
Q = (2.3.5...P) + 1.
Đơn giản thấy rằng Q không chia hết cho 2, 3, 5, ..., P; bởi vì nó đều cho số dư là 1 khi chia cho bất cứ số nào trong dãy. Nhưng nếu nó không phải là nguyên tố, nó phải chia hết cho một số nguyên tố nào đó, và do vậy có một số nguyên tố (cũng có thể là chính Q) lớn hơn các số trong dãy. Điều này mâu thuẫn với giả sử của chúng ta rằng không có số nguyên tố nào lớn hơn P; và do vậy giả thuyết này là sai.
Chứng minh này dùng phương pháp phản chứng, một phương pháp mà Euclid rất thích và cũng là một trong những vũ khí đẹp nhất của toán học(***). Nó là một nước đi đẹp hơn nhiều so với bất cứ một nước cờ thí nào: một người chơi cờ có thể chịu hy sinh, thí một quân tốt hay một quân cờ, nhưng một nhà toán học thì thí cả ván cờ.
(*)Elements IX 20. Nguồn gốc thực sự của rất nhiều định lý trong cuốn Elements khá mù mịt, nhưng dường như không có lý do nào để cho rằng định lý này không phải của Euclid.
(**) Có những lý do kỹ thuật cho việc không tính 1 là một số nguyên tố.
(***) Lời giải có thể được sắp xếp sao cho không cần dùng đến phương pháp phản chứng, và các nhà logic học của một số trường phái thường thích như vậy.
- minhanhpt yêu thích