代数方程中「巴别塔」(上)

代数方程中「巴别塔」(上)作者 刘洋洲来源 转自知乎专栏 万物皆数也 数学英才 获授权转载 在此感谢 Part1 序在代数方程中有这样一个现象 四次以上的代数方程没有一般的求根公式

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作者 | 刘洋洲
来源 | 转自知乎专栏《万物皆数也》,“数学英才”获授权转载,在此感谢!

Part1

代数方程中「巴别塔」(上)
在代数方程中有这样一个现象:四次以上的代数方程没有一般的求根公式。这就好比《旧约》中关于巴别塔的故事:大洪水时期,诺亚方舟保存了人类的火种,而后人类为了避免再次遭遇洪水,于是开始建立高耸入云的巴别塔,人类的自大触怒了上帝,于是变乱众人的口音,使得彼此无法交流,于是巴别塔计划最终以失败告终,「巴别」乃变乱之意。那么代数中的巴别塔为何只能沿伸到第四层呢?在构建第五层时究竟遇到了什么不可逾越的障碍?本文尝试简单叙述之。

Part2何谓解方程?

1扩域

解方程往往意味着数的范围的扩张。
一次方程让我们从整数飞跃到了有理数。设




二次方程则是让我认识了无理数和复数:





其中
是形如
的集合,并且对于四则运算封闭:


<左右滑动>


除法法则依据的是分母有理化。我们把
称为数域,同理
也是数域,我们最熟悉的数域是有理数域、实数域和复数域。

这种通过添加不可约代数方程(不可因式分解)的根来获得新的域的方式,我们称之为代数扩域
代数方程中「巴别塔」(上)

2分裂域

我们之所以要研究扩域,是基于代数基本定理:一元
次方程在复数域必有
个根(按重数计算)。这意味着任何多项式
总可以按照其根进行分解:


就比如在数域
中,多项式
就可以分解为


而在实数域
中却是完全做不到的,尽管实数域比有理数域大得多。所以一个朴素的想法就产生了——

不可约一元多项式之所以不可约,只是因为我们研究的数域不够大,更准确地讲,数域需要按照恰当的方式进行扩张。然后多项式就可以分解为线性因子的乘积了。
若在数域
中,多项式
能够依上述方式完全分解,那么
就称为
分裂域

3根式塔

尺规作图三大难题二倍立方、三等分角、化圆为方,之所以不可能实现,就在于圆规直尺能实现的运算只有


,尤其是后者,只能开偶数次方。
所以尺规作图只能构造是如下形状的数:




<左右滑动
>

例如高斯十七等分圆周,就是因为他计算出


<左右滑动
>

而对于三等分角却爱莫能助,因为这本质上需要开三次方。
解方程是允许开奇数次方的,这确实比尺规作图能使用的运算要多一些,可是却也仅限于开方运算。类似于尺规作图的局限性,根式求解方程本身也因为工具类型的局限性,最终导致高次方程的失效。
这种登上一层又一层——复合开方的运算,也正是方程求根的过程。从扩域的角度讲,这是一个塔形的扩张,我们称之为根式塔


其中每一层扩域都是纯扩域,即满足


而由前文所说,
的所有根在其分裂域
中,那么一个方程可解,就意味着存在这样一个根式塔,塔的最顶端
必须包含
,这样我们就可以修建一条「天路」,直通所求的根。

那么,问题归结为如何判定是否存在一个包含多项式
分裂域的根式塔,这需要非凡的智慧。

两位英年早逝的数学家阿贝尔、伽罗瓦,关注到了方程根与根之间的对称性,建立了群论,凭借着惊人的直觉攀登上了这座通天塔,最终给出了高次代数方程可解问题完美的回答。当然他们的贡献也是建立在前人的基础之上,尤其需要指出的是拉格朗日的工作,他为了证明这个问题写了上百页的论文,结果发现是错误的,但是他研究的道路并没有荒废,反而给予后辈以灵感。

代数方程中「巴别塔」(上)拉格朗日

代数方程中「巴别塔」(上)阿贝尔

代数方程中「巴别塔」(上)伽罗瓦

在下一期文章,我们在上述已经建立好的概念之上,用尽量简明的语言,概述高次代数方程可解问题的证明思路。敬请关注!










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