El Último Teorema de Fermat o Teorema de Fermat-Wiles afirma que la ecuación diofántica $x^n+y^n = z^n$
no tiene soluciones no-triviales en $\mathbb{N}$
donde $n\in\mathbb{N}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{1,2\}$
. Hoy veremos cómo podemos extender este resultado.
El caso para $ x,y,z\in \mathbb{N}\subsetneq \mathbb{Z}$ se puede generalizar a $ x,y,z\in \mathbb{Z} $ (en especial, a $ x,y,z\in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\mathbb{N} $ ):
· Si $n=2k$ para algún $k\in\mathbb{N}$ , se tiene que $(-a)^{2k}=+\, a^{2k}$ donde $\pm a\in\mathbb{Z}$ , por lo que para exponentes pares, las bases pueden ser enteras.
· Si $n=2k+1$ para algún $k\in\mathbb{N}$ , se tiene que $(-a)^{2k+1}=-\,a^{2k+1}$ donde $\pm a\in\mathbb{Z}$ , por lo que bastaría con llevar las bases negativas al otro miembro de la ecuación para volver a la forma más conocida del teorema.
Veamos ahora, por una reducción al absurdo, que no se puede tener $ x,y,z\in \mathbb{Q} $ a la vez como solución (en especial, a $ x,y,z\in \mathbb{Q\hspace{-3pt}}\setminus\hspace{-3pt}\mathbb{Z} $ ). Supongámoslo resuelto primero (suponer que es posible es el absurdo en sí):
$$ \begin{array}{cccccc}
x^n & + & y^n & = & z^n & \\
\displaystyle \left(\frac{a_1}{a_2}\!\right)^{\!\! n} & + & \displaystyle\left(\frac{b_1}{b_2}\!\right)^{\!\! n} & = & \displaystyle \left(\frac{c_1}{c_2}\!\right)^{\!\! n} & \\
\big(a_1b_2c_2\big)^{\! n} & + & \big(a_2b_1c_2\big)^{\! n} & = & \big(a_2b_2c_1\big)^{\! n} & \qquad\mathit{Q.E.A.}
\end{array} $$
Si existieran $\displaystyle x = \frac{a_1}{a_2},y= \frac{b_1}{b_2},z= \frac{c_1}{c_2}\in \mathbb{Q} $ , con $ a_j, b_j, c_j \in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{0\}$ para $j=1,2$ , implicaría que existen unas soluciones $ a_1b_2c_2,a_2b_1c_2,a_2b_2c_1\in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{0\} $ que satisfarían la Conjetura de Fermat, lo que es absurdo ( $\mathit{Q.E.A.}$ ), ergo el Teorema de Fermat-Wiles no tiene soluciones racionales para exponentes naturales. Como un corolario tenemos:
$$ \boxed{ \nexists q_1,q_2 \in\mathbb{Q} \,\big/\, {q_1}^n + {q_2}^n = \pm 1 \quad\forall n\in\mathbb{N}, n\geqslant 3 } $$
Veamos ahora que el exponente puede ser hasta un número entero (incluso negativo) $-n\in\mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\mathbb{N} \,\big|\, n \in \mathbb{N} \subsetneq \mathbb{Z}$ . Supongamos resuelto el problema (otra reducción al absurdo):
$$ \begin{array}{cccccc}
x^{-n} & + & y^{-n} & = & z^{-n} & \\
\displaystyle \left(\frac{1}{x}\right)^{\!\! n} & + & \displaystyle \left(\frac{1}{y}\right)^{\!\! n} & = & \displaystyle \left(\frac{1}{z}\right)^{\!\! n} & \\
\big(yz\big)^{\! n} & + & \big(xz\big)^{\! n} & = & \big(xy\big)^{\! n} & \qquad\mathit{Q.E.A.}
\end{array} $$
Si existiera $-n\in\mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\mathbb{N}$ , con $ x,y,z \in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{0\} $ implicaría que existen unas soluciones $ yz,xz,xy\in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{0\} $ que satisfarían la Conjetura de Fermat, lo que es absurdo ( $\mathit{Q.E.A.}$ ), ergo el Teorema de Fermat-Wiles no tiene soluciones racionales para exponentes enteros .
Es más podemos afirmar que $\sqrt[n]{2\,} \not\in \mathbb{Q}$ al menos para $n \geqslant 3$ : $$ \begin{array}{cccccc}\sqrt[n]{2\,} & = & \displaystyle \frac{a}{b} & \\2 & = & \displaystyle \frac{a^n}{b^n} & \\ a^n & = & 2b^n &\qquad\mathit{Q.E.A.}\end{array} $$ (Se puede generalizar este resultado para dado$n\in\mathbb{N}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{1,2\}$ fijo, el número $\sqrt[n]{a\,}\not\in\mathbb{Q}$ si $\sqrt[n]{a-1\,}\in\mathbb{Q}$ .) Por todo esto, podemos afirmar que:
El Teorema de Fermat-Wiles afirma que la ecuación diofántica $x^\alpha+y^\alpha = z^\alpha$ carece de soluciones no-triviales $(x,y,z)\in\mathbb{Q}^3$ con $\alpha\in\mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{\pm 1,\pm 2\}$ .
Como un último corolario podemos afirmar que no existe un triángulo rectángulo cuyos lados sean todos a la vez cuadrados perfectos, o cubos perfectos, ... .
Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.
El caso para $ x,y,z\in \mathbb{N}\subsetneq \mathbb{Z}$ se puede generalizar a $ x,y,z\in \mathbb{Z} $ (en especial, a $ x,y,z\in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\mathbb{N} $ ):
· Si $n=2k$ para algún $k\in\mathbb{N}$ , se tiene que $(-a)^{2k}=+\, a^{2k}$ donde $\pm a\in\mathbb{Z}$ , por lo que para exponentes pares, las bases pueden ser enteras.
· Si $n=2k+1$ para algún $k\in\mathbb{N}$ , se tiene que $(-a)^{2k+1}=-\,a^{2k+1}$ donde $\pm a\in\mathbb{Z}$ , por lo que bastaría con llevar las bases negativas al otro miembro de la ecuación para volver a la forma más conocida del teorema.
Veamos ahora, por una reducción al absurdo, que no se puede tener $ x,y,z\in \mathbb{Q} $ a la vez como solución (en especial, a $ x,y,z\in \mathbb{Q\hspace{-3pt}}\setminus\hspace{-3pt}\mathbb{Z} $ ). Supongámoslo resuelto primero (suponer que es posible es el absurdo en sí):
$$ \begin{array}{cccccc}
x^n & + & y^n & = & z^n & \\
\displaystyle \left(\frac{a_1}{a_2}\!\right)^{\!\! n} & + & \displaystyle\left(\frac{b_1}{b_2}\!\right)^{\!\! n} & = & \displaystyle \left(\frac{c_1}{c_2}\!\right)^{\!\! n} & \\
\big(a_1b_2c_2\big)^{\! n} & + & \big(a_2b_1c_2\big)^{\! n} & = & \big(a_2b_2c_1\big)^{\! n} & \qquad\mathit{Q.E.A.}
\end{array} $$
Si existieran $\displaystyle x = \frac{a_1}{a_2},y= \frac{b_1}{b_2},z= \frac{c_1}{c_2}\in \mathbb{Q} $ , con $ a_j, b_j, c_j \in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{0\}$ para $j=1,2$ , implicaría que existen unas soluciones $ a_1b_2c_2,a_2b_1c_2,a_2b_2c_1\in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{0\} $ que satisfarían la Conjetura de Fermat, lo que es absurdo ( $\mathit{Q.E.A.}$ ), ergo el Teorema de Fermat-Wiles no tiene soluciones racionales para exponentes naturales. Como un corolario tenemos:
$$ \boxed{ \nexists q_1,q_2 \in\mathbb{Q} \,\big/\, {q_1}^n + {q_2}^n = \pm 1 \quad\forall n\in\mathbb{N}, n\geqslant 3 } $$
Veamos ahora que el exponente puede ser hasta un número entero (incluso negativo) $-n\in\mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\mathbb{N} \,\big|\, n \in \mathbb{N} \subsetneq \mathbb{Z}$ . Supongamos resuelto el problema (otra reducción al absurdo):
$$ \begin{array}{cccccc}
x^{-n} & + & y^{-n} & = & z^{-n} & \\
\displaystyle \left(\frac{1}{x}\right)^{\!\! n} & + & \displaystyle \left(\frac{1}{y}\right)^{\!\! n} & = & \displaystyle \left(\frac{1}{z}\right)^{\!\! n} & \\
\big(yz\big)^{\! n} & + & \big(xz\big)^{\! n} & = & \big(xy\big)^{\! n} & \qquad\mathit{Q.E.A.}
\end{array} $$
Si existiera $-n\in\mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\mathbb{N}$ , con $ x,y,z \in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{0\} $ implicaría que existen unas soluciones $ yz,xz,xy\in \mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{0\} $ que satisfarían la Conjetura de Fermat, lo que es absurdo ( $\mathit{Q.E.A.}$ ), ergo el Teorema de Fermat-Wiles no tiene soluciones racionales para exponentes enteros .
Es más podemos afirmar que $\sqrt[n]{2\,} \not\in \mathbb{Q}$ al menos para $n \geqslant 3$ : $$ \begin{array}{cccccc}\sqrt[n]{2\,} & = & \displaystyle \frac{a}{b} & \\2 & = & \displaystyle \frac{a^n}{b^n} & \\ a^n & = & 2b^n &\qquad\mathit{Q.E.A.}\end{array} $$ (Se puede generalizar este resultado para dado$n\in\mathbb{N}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{1,2\}$ fijo, el número $\sqrt[n]{a\,}\not\in\mathbb{Q}$ si $\sqrt[n]{a-1\,}\in\mathbb{Q}$ .) Por todo esto, podemos afirmar que:
El Teorema de Fermat-Wiles afirma que la ecuación diofántica $x^\alpha+y^\alpha = z^\alpha$ carece de soluciones no-triviales $(x,y,z)\in\mathbb{Q}^3$ con $\alpha\in\mathbb{Z}\hspace{-3pt}\setminus\hspace{-3pt}\{\pm 1,\pm 2\}$ .
Como un último corolario podemos afirmar que no existe un triángulo rectángulo cuyos lados sean todos a la vez cuadrados perfectos, o cubos perfectos, ... .
Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.
Desde luego, ¡unos corolarios muy interesantes! Nunca me había planteado el teorema se cumplía para otros números además de los naturales. Por cierto, diría que esa demostración de la irracionalidad de 2^(1/n) es inválida porque el Último Teorema de Fermat depende de que la igualdad bⁿ+bⁿ = aⁿ no tenga soluciones naturales.
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