【定理】pが奇素数のとき、x^p+y^p=z^pは、自然数解を持たない。
【証明】pは奇素数とする。x^p+y^p=z^p…①のx,y,zは、有理数と仮定する。
①をz=x+rとおくと、x^p+y^p=(x+r)^p…②となる。②を積の形に変形してrを求める。
②を(x/r)^p+(y/r)^p=(x/r+1)^p, (y/r)^p-1=p{(x/r)^(p-1)+…+x/r},
r^(p-1){(y/r)^p-1}=p{x^(p-1)+…+r^(p-2)x}…➂とする。
➂はr^(p-1)=pとすると、r=p^{1/(p-1)}となるので、②はx^p+y^p=(x+p^{1/(p-1)})…④
となる。
④はxを有理数とすると、p^{1/(p-1)}が無理数なので、zは無理数となり仮定に反する。
両辺に(a^{1/(p-1)})^pを掛けると、
(xa^{1/(p-1)})^p+(ya^{1/(p-1)})^p=(xa^{1/(p-1)}+(pa)^{1/(p-1)})^p…⑤となる。
⑤はxa^{1/(p-1)}=X, ya^{1/(p-1)}=Y, xa^{1/(p-1)}+(pa)^{1/(p-1)}=Zとおくと、
X^p+Y^p=Z^p…⑥となる。
⑥はrが有理数のとき、a^{1/(p-1)}が無理数なので、xa^{1/(p-1)}は無理数となり、Ｚも無理数となる。
∴pが奇素数のとき、x^p+y^p=z^pは、自然数解を持たない。