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[数论] 一句话证明每个素数 𝑝≡1⁢(mod⁡4) 都是两个平方数之和

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hbghlyj 发表于 2024-11-5 17:48 |阅读模式
Zagier的论文中给出了一句话证明:每个素数 𝑝≡1⁢(mod⁡4) 都是两个平方数之和。有人能解释一下吗?
The involution on the finite set $S=\left\{(x, y, z) \in \mathbb{N}^3: x^2+4 y z=p\right\}$ defined by
$$
(x, y, z) \mapsto \begin{cases}(x+2 z, z, y-x-z) & \text { if } x<y-z \\ (2 y-x, y, x-y+z) & \text { if } y-z<x<2 y \\ (x-2 y, x-y+z, y) & \text { if } x>2 y\end{cases}
$$
has exactly one fixed point, so $|S|$ is odd and the involution defined by $(x, y, z) \mapsto(x,z,y)$ also has a fixed point.
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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-11-5 17:51
这个证明使用的基本原理是:“有限集的基数和它在任何对合下的不动点集都有相同的奇偶性”,这是因为在对集合进行划分时,x 和 T(x) 形成一对。

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-11-5 17:58
为了验证第一个映射是否定义明确,我们需要证明任意 S 中的点,$x$ 不能等于 $y-z$ 和 $2y$

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-11-5 18:01
我们需要验证 S 是一个有限集,但这是因为 $x,y,z$ 都是小于 p 的正整数。

我们需要验证第一个映射是对合的,即它是它自己的逆。怎么办呢?

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-11-5 18:03
我们需要验证第一个映射只有一个不动点$(1,1,k)$,应该证明它没有其他不动点。怎么办呢?

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-11-6 04:35
A Quixotic Proof of Fermat's Two Squares Theorem for Prime NumbersMathologer将函数$(x, y, z) \mapsto \begin{cases}(x+2 z, z, y-x-z) & \text { if } x<y-z \\ (2 y-x, y, x-y+z) & \text { if } y-z<x<2 y \\ (x-2 y, x-y+z, y) & \text { if } x>2 y\end{cases}$解释为风车分为1个正方形和4个矩形的两种方式。

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-11-6 04:38
cnblogs.com/Pizixsir-Math/p/18242743 费马两平方和定理断言,一个奇素数 p 可以表示为两个整数 x 和 y 的平方和,当且仅当 p 模 4 余 1。该命题由Girard于 1625 年首次提出,1640 年费马再次提出,但两人都没有提供证明。“仅当”部分很容易证明:一个完全平方数模 4 余 0 或 1,因此两个平方和模 4 余 0、1 或 2。一个奇素数模 4 余 1 或 3,而第二种情况已经被排除。第一个证明这种表示存在的是莱昂哈德·欧拉在 1747 年给出的,且非常复杂。从那时起,已经发现了许多不同的证明方法。其中,使用Minkowski关于凸集的定理和Don Zagier基于对合的简短证明已经出现。 Wikipedia

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GMT+8, 2025-3-4 19:40

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