
【古典数学:原論文の講読】 E54「Theorematum quorundam ad numeros primos spectantium demonstratio」Leonh. Eulero. 1736年(素数に関するいくつかの定理の証明)
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1. Introduction【はじめに】
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1.はじめに
この記事では Eneström E54
【Theorematum quorundam ad numeros primos spectantium demonstratio】を紹介します.
(素数に関するいくつかの定理の証明)
Leonh. Eulero. 1736年
執筆・発表時期
この論文は 1736年に執筆され1736年8月2日にサンクトペテルブルク科学アカデミーで報告されたとされています.後に
Commentarii academiae scientiarum Petropolitanae, Vol.8, pp.141–146
に掲載されました(実際の刊行は1741年).
再掲
Opera Omnia Series I, Volume 2, pp. 33–37
もし現代の論文として章立てを付けるなら
第1章 フェルマーの定理
第2章 帰納法の限界
第3章 フェルマーの小定理(2の場合)
第4章 2の冪への拡張
第5章 3の場合
第6章 一般化のための補題
第7章 完全な一般化
という構成になります.
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2.
第1章 フェルマーの定理
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§. I.
Plurima quondam a Fermatio theoremata arithmetica ſed ſine demonſtrationibus in medium ſunt prolata, in quibus, ſi vera eſſent, non ſolum eximiae numerorum proprietates continerentur, verum etiam ipſa numerorum ſcientia, quae plerumque analyſeos limites excedere videtur, vehementer eſſet promota.
第1章
かつてフェルマーは多くの算術(数論)の定理を証明なしに公表した.
それらが真であるならば、そこには数の優れた性質が含まれているだけでなく、解析学の範囲をしばしば超えると思われる数論そのものも、大いに発展することになったであろう.
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Quamuis autem iſte inſignis Geometra de pluribus, quae propoſuit, theorematis aſſeuerit ſe ea vel demonstrare poſſe, vel ſaltem de eorum veritate eſſe certum:
もっとも、この卓越した数学者は自ら提示した多くの定理について、それらを証明できる、あるいは少なくともその真実性には確信をもっている、と述べていた.
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tamen nusquam, quantum mihi conſtat, demonſtrationes expoſuit.
しかし、私の知る限りでは、その証明をどこにも公表しなかった.
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Quin potius Fermatius videtur maximam theorematum ſuorum numericorum partem per inductionem eſſe aſſecutus; quippe quae via fere unica ad huiusmodi proprietates eruendas patere videatur.
むしろフェルマーは自らの数論上の定理の大部分を帰納によって発見したように思われる.
というのも、このような性質を見いだすには、その方法がほとんど唯一の道であるように思われるからである.
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At vero quam parum inductionibus in hoc negotio tribui poſſit pluribus exemplis poſſem declarare; ex quibus autem unicum ab ipſo Fermatio deſumtum attuliſſe ſufficiat. Loquor nimirum de illo theoremate, cuius falſitatem iam aliquot ab hinc annis oſtendi, quo Fermatius aſſerit omnes numeros hac forma comprehenſos eſſe numeros primos.
しかし、この問題において帰納法にどれほどわずかな信頼しか置けないかは、多くの例によって示すことができる.
もっとも、そのためにはフェルマー自身から採った一つの例を挙げるだけで十分であろう.
それというのも、それは、私が数年前にすでにその誤りを示した、あの定理についてである.
すなわち、フェルマーが
「の形に含まれるすべての数は素数である」
と主張した、その定理である.
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Ad veritatem autem huius propoſitionis
euincendam inductio omnino ſufficere videatur.
ところが、この命題の真実性を証明するには、帰納法だけで十分であるように見える.
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Nam praeterquam quod omnes iſti numeri minores quam ſint reuera primi, demonſtrari etiam facile poteſt nullum numerum primum, non excedentem,hanc formulam , quantumuis magnus etiam numerus pro ſubſtituatur, metiri.
というのも未満のそのような数は実際すべて素数であるだけでなく、
さらに以下のいかなる素数もにどれほど大きな数を代入しても、を割り切らないことも容易に証明できるからである.
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Cum tamen nihilominus conſtet hanc propoſitionem veritati non eſſe conſentaneam, facile intelligitur, quantum inductio in huiuſmodi ſpeculationibus valeat.
しかし、それにもかかわらず、この命題が真実に一致しないことは明らかである以上、
このような考察において帰納法がどれほどの効力しか持たないかは容易に理解される.
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第2章 帰納法の限界
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§. 2.
Hanc ob rationem omnes huiusmodi numerorum proprietates, quae ſola inductione nituntur, tam diu pro incertis habendas eſſe arbitror, donec illae vel apodicticis demonſtrationibus muniantur vel omnino reſellantur.
第2章
この理由から、このような数の性質で帰納法だけに依拠するものはすべて、厳密な証明によって確立されるか、あるいは完全に反証されるまでは、未確定のものとして扱うべきであると私は考える.
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Non plus etiam illis theorematis, quae ego ipſe illi ſchediaſmati, in quo de memorato theoremate
Fermatiano numerisque perfectis tractaſi, ſubieci, fidendum eſſe cenſerem, ſi tantum inductionibus, qua via quidem ſola tum temporis ad eorum cognitionem perueni, niterentur.
また、私自身が、かつてフェルマーの前述の定理および完全数について論じた小論文に付け加えた諸定理についても、
もしそれらが帰納法だけ──当時、それらに到達する唯一の方法であった──に基づくものであるならば、
私はそれらを信用すべきものとは考えなかったであろう.
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Nunc vero, poſtquam peculiari methodo demonſtrationes horum theorematum firmiſſimas
ſum adeptus, de veritate eorum non amplius eſt dubitandum.
しかし今では、特別な方法によってこれらの定理のきわめて確実な証明を得たので、
その真実性についてはもはや疑うべきではない.
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Quocirca tam ad veritatem illorum theorematum oſtendendam, quam ad methodum ipſam, quae
forte etiam in aliis numerorum inuiaeſtigationibus utilitatem litatem afferre poterit, in hac diſſertatione meas demonſtrationes explicare conſtitui.
したがって、それらの定理の真実性を示すためだけでなく、
おそらく他の数論研究においても有用性をもつであろうその方法そのものを示すためにもこの論文において私の証明を詳しく述べることにした.
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第3章 フェルマーの小定理
(2の場合)
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3.1 Propoſitio.(命題)
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§. 3.
Propoſitio autem, quam hic demonſtrandam
ſuſcepi, eſt ſequens:
第3章
さて、ここで私が証明しようとする命題は次のとおりである.
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Significante numerum primum, formula ſemper per diuidi poterit, niſi per diuidi queat.
を素数とするとき、はがで割り切れない限り、常にで割り切れる.
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Ex hac enim propoſitione demonſtrata ſponte reliquorum theorematum veritas fluit.
というのも、この命題が証明されれば、残りの諸定理の真実性は自ずから導かれるからである.
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Caſum quidem formulæ propoſitæ, quo eſt , iam ab aliquo tempore demonſtratum dedi; attamen tum demonſtrationem ad generalem formulam extendere non licuit.
実際、この命題のの場合については、私はすでに以前に証明を与えていた.
しかし、その当時は、その証明を一般の場合まで拡張することはできなかった.
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Quamobrem primo huius caſus probationem afferre conueniet,quo tranſitus ad generaliora eo facilior reddatur.
それゆえ、まずこの特殊な場合の証明を示すことが適当である.
そうすれば、より一般の場合への移行もそれだけ容易になるからである.
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Demonſtranda igitur erit ſequens propoſitio:
したがって、まず次の命題を証明する.
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Significante numerum primum imparem quemcunque,formula ſemper per diuidi poterit.
を任意の奇素数とすると、
は常にで割り切れる.
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3.2 Demonſtratio.(証明)
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Demonſtratio.
Loco ponatur , eritque
cuius ſeriei terminorum numerus eſt et proinde impar.
証明
まずの代わりにと置く.
するととなる.
これは二項展開により
となる.
この級数の項数は個であり、したがって奇数個である.
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Præterea quilibet terminus, quamuis ſpeciem fractionis habeat, dabit numerum integrum; quisque enim numerator, uti ſatis conſtat, per ſuum denominatorem diuidi poteſt.
さらに各項は分数の形をしているように見えるが実際には整数となる.
というのも、それぞれの分子はその分母で割り切れることが明らかだからである.
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Demto igitur ſeriei termino primo erit
したがって、級数の最初の項 を除けば、
となり、
その値は残りの二項係数の総和に等しい.
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quorum numerus eſt et propterea par.
Colligantur igitur bini quique termini in vnam ſummam,quo terminorum numerus fiat duplo minor; erit
これらの項の個数は個であり、したがって偶数である.
ゆえに、各二項ずつを一つにまとめて和を作れば、項数は半分となり、
は上のような形に書き直される.
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cuius ſeriei vltimus terminus ob numerum imparem erit
この級数の最後の項はが奇数であることから、
となる.
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Apparet autem ſingulos terminos per eſſe diuiſibiles;nam, cum ſit numerus primus et maior quam vllus denominatorum factor, nusquam diuiſione tolli poterit.
さらに、この級数の各項はすべてで割り切れることは明らかである.
というのもは素数であり、どの分母の因子よりも大きいので、分母との約分によって消えることは決してないからである.
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Quamobrem, ſi fuerit numerus primus impar, per illum ſemper diuidi poterit.
Q. E. D.
したがってが奇素数であるならば、
は常にで割り切れる.
証明終
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3.2 Aliter(別証明)
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Aliter
Si per numerum primum diuidi poteſt, diuidi quoque poterit eius duplum et viciſſim.
別証
もしが素数で割り切れるならば
その倍であるもまたで割り切れる.
逆もまた成り立つ.
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At eſt
ところで、
を二項展開すると、
となる.
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Quae ſeries terminis primo et vltimo truncata dat
この級数から最初と最後の項を除けば
残る和はに等しい.
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Perſpicuum autem eſt iſtius ſeriei quemuis terminum per eſſe diuiſibilem, ſi quidem fuerit numerus primus.
そして、この級数の各項はが素数であるならば、すべてで割り切れることは明らかである.
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Quamobrem etiam ſemper per et propterea quoque per diuidi poterit, niſi ſit
Q. E. D.
したがって、は常にで割り切れ、
ゆえにもまたで割り切れる.
ただしの場合を除く.
証明終
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第4章 2の冪への拡張
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§. 4.(§. 5.)
Cum igitur per numerum primum
imparem diuidi queat; facile intelligitur per quoque diuidi poſſe hanc formulam
denotante numerum quemcunque integrum.
第4章(論文では§5が2個ある)
さてが奇素数で割り切れる以上、
任意の整数に対して
もまたで割り切れることは容易に理解される.
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Quare ſequentes formulæ quoque omnes
etc. per numerum primum diuidi poterunt. Demonſtrata igitur eſt veritas theorematis generalis pro omnibus caſibus, quibus eſt quaecuis binarii poteſtas, et quicunque numerus primus praeter binarium.
したがって、次の式
などもすべて同様にで割り切れる.
したがってがの任意の冪でありがを除く任意の素数であるすべての場合について、この一般定理が成り立つことが証明された.
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第5章 3の場合
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5.1 Theorema.(定理)
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§. 5.
Demonſtrato nunc hoc theoremate eius ope
ſequens quoque demonſtrabimus.
第5節
さて、この定理が証明されたので、その結果を用いて次の定理も証明しよう.
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Theorema.
Denotante numerum primum quemcunque praeter per illum ſemper haec formula
diuidi poterit.
定理
をを除く任意の素数とすると、
は常にで割り切れる.
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5.2 Demonſtratio.(証明)
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Demonſtratio.
Si per numerum primum , excepto , diuidi poteſt, tum per diuidi poterit, quoties fuerit numerus primus quicunque, et viciſſim.
証明
もしがを除く素数で割り切れるならばもまたで割り切れる.
逆も同様である.
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Eſt vero
ところで
であるから、二項展開により
となる.
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cuius ſeriei ſinguli termini praeter primum et vltimum per diuidi poterunt, ſi quidem fuerit numerus primus.
この級数では最初と最後の項を除くすべての項はが素数であればで割り切れる.
⸻
Per igitur diuidi poteſt iſta formula;
quae aequalis eſt huic
したがってはで割り切れる.
しかもである.
⸻
At ſemper per numerum primum diuidi poteſt; ergo etiam
Quare ſemper per diuidi poteſt, quoties fuerit numerus primus excepto
Q. E. D.
一方はすでに示したように
常に素数で割り切れる.
したがってもで割り切れる.
ゆえにはを除く任意の素数に対して常にで割り切れる.
証明終
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第6章 一般化のための補題
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§. 6.
Eodem modo vlterius progredi liceret ab hoc ipſius valore ad ſequentem vnitate maiorem.
Sed quo demonſtrationem generalis theorematis magis concinnam magisque genuinam efficiam; ſequens praemitto
第6章
同じ方法によって、このの値から、さらに大きい値へと順に進むこともできる.
しかし一般定理の証明をより簡潔で、より本質的なものにするために、まず次のことを述べておく.
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6.1 Theorema.(定理)
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Theorema.
Denotante p numerum primum, ſi per diuidi poteſt; tum per eidem quoque formula diuidi poterit.
定理
を素数とする
もしがで割り切れるならば、
もまたで割り切れる.
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6.2 Demonſtratio.(証明)
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Demonſtratio.
Reſoluatur conſueto more in ſeriem,erit
証明
通常どおりを二項展開すると
となる.
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cuius ſeriei ſinguli termini
per diuidi poſſunt praeter primum et vltimum; ſi
quidem fuerit numerus primus.
この級数では、最初の項と最後の項を除くすべての項はが素数であるならばで割り切れる.
⸻
Quamobrem diuiſionem per admittet;
したがってはで割り切れる.
⸻
haec autem formula congruit cum hac
しかもこの式は
と一致する.
⸻
At
per hypotheſin per p diuidi poteſt,
ergo et
Q. E. D.
一方、
は仮定によりで割り切れる.
したがって
もで割り切れる.
証明終
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第7章 完全な一般化
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§. 7.
Cum igitur, poſito quod per numerum primum diuidi queat, per quoque haec formula diuiſionem admittat;
第7章
したがってが素数で割り切れると仮定すれば
もまたで割り切れる.
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ſequitur etiam item
et generaliter
per diuidi poſſe.
すると同様にさらに
そして一般に
もで割り切れる.
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Poſito autem quia
vti iam demonſtrauimus,per diuidi poteſt,
ここでと置く.
すでに証明したように
はで割り切れる.
⸻
perſpicuum eſt formulam
diuiſionem per admittere debere,
quicunque integer numerus loco ſubſtituatur.
したがって、
任意の整数に対して
はで割り切れることが明らかである.
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Metietur ergo formulam
niſi fuerit vel multiplo ipſius
ゆえに、
は がまたはの倍数でない限り
常にで割り切れる.
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Atque haec eſt demonſtratio generalis theorematis, quam tradere ſuſcepi.
そして、これが私が示そうとした一般定理の証明である.
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オイラーはそれまで個別に証明してきた
*
*
がで割り切れることを、一つの帰納的補題
によって一般化し
最後に任意の整数について
(すなわちのとき )
を導いています.
これはフェルマーの小定理の一般形の完成です.
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3. Historical supplement.
【歴史的補足】
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この論文全体の数論史上の位置づけ
主題
この論文は、数論史上極めて重要な論文であり
フェルマーの小定理
(ただし)
に対する史上初の公表された完全な証明を与えています.なお、Gottfried Wilhelm Leibnizも未公表の証明を残していましたが、生前には出版されませんでした.そのため、出版された最初の証明はオイラーによるものとされています.
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この論文は、オイラーの数論研究の初期三部作の一つとして位置づけられます.
1. 1732(1738出版)
Observationes de theoremate quodam Fermatiano…
(フェルマー数の反例など)
2. 1736(1741出版)
Theorematum quorundam ad numeros primos spectantium demonstratio
(フェルマーの小定理の初の公表証明)
3. 1747–1748(1750出版)
Theoremata circa divisores numerorum
(より一般的な合同式・オイラーの定理への発展)
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4. 【古典数学】原論文の講読
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⭐️1640年12月25日 Pierre de Fermatの
「Lettre de M. de Fermat à M. Mersenne,
du 25 Décembre 1640」
(1640年12月25日付フェルマー氏よりメルセンヌ氏宛書簡)👇
⭐️1732年 Leonhard EulerのE26
「Observationes de theoremate quodam Fermatiano, aliisque ad numeros primos spectantibus」
(フェルマーのある定理
および素数に関する諸考察)👇
⭐️1738年 Leonhard EulerのE98
「Theorematum quorundam arithmeticorum demonstrationes」
(いくつかの算術定理の証明)👇
1770年の Joseph-Louis Lagrange の
(四平方定理論文)👇
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4. Reference【参考文献】
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