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從高次代數(shù)方程和求根公式到伽羅華理論

 西窗聽雨 2011-09-16
從高次代數(shù)方程和求根公式到伽羅華理論
 

根據(jù)古埃及的草片文書記載,早在公元前1700年左右,人們就發(fā)現(xiàn),當(dāng)a0時(shí),ax = b有根x = b/a,隨著歲月的流逝,數(shù)學(xué)的發(fā)展,到了公元前幾世紀(jì),巴比倫人實(shí)際上已經(jīng)使用過配方法得知(當(dāng)a0時(shí))有根

當(dāng)時(shí),人們只承認(rèn)現(xiàn)在稱之為正實(shí)根才是根,零,負(fù)數(shù),無理數(shù)和復(fù)數(shù)的概念和理論遲至十六世紀(jì)到十八世紀(jì)才得到承認(rèn)并逐步完善。根據(jù)巴比倫文書記載,當(dāng)時(shí)已解決了二次方程:

得出的解答是:

這就促使人們進(jìn)一步思考,是否對于任意次數(shù)的方程都能找到這種求根公式?尋找三次方程的求根公式,經(jīng)歷了二千多年的漫長歲月,直到十六世紀(jì)歐洲文藝復(fù)興時(shí)期,才由幾個(gè)意大利數(shù)學(xué)家找到,這就是通常據(jù)說的卡丹(Cardan, 1501——1576)公式,其原始想法是:在

中作變量代換后把方程化為

1

它不再含有平方項(xiàng)了,設(shè),這里mn是兩個(gè)待定的數(shù),則有

如果取m, n滿足

則對應(yīng)的y值必滿足(1)式。另一方面,由

可得

所以,當(dāng)取

時(shí),并令,就得原三次方程的一個(gè)根

它的另兩個(gè)根是

這里(其中)是的兩個(gè)不是1的根。

在三次方程求根公式發(fā)明過得中,有一個(gè)十分有趣的故事,四百多年前,意大利盛行數(shù)學(xué)競賽,競賽的一方是菲俄(Fior,十六世紀(jì)前半葉),他是意大利波洛那(Bologna)數(shù)學(xué)學(xué)會會長費(fèi)羅(Ferro,1465——1526)的學(xué)生。另一方面是威尼斯的數(shù)學(xué)教授塔爾塔里亞(Taritalia,1500——1557),他小時(shí)候就受傷后“口吃”,從小學(xué)拉丁文,希臘文,酷愛數(shù)學(xué),與費(fèi)羅一樣,對求解三次方程很有研究,在1530年,塔爾塔里亞曾解決了另一個(gè)挑戰(zhàn)者科拉(Colla)提出的以下兩個(gè)三次方程求解問題:。這引出了菲俄的不服,定于1535222日在米蘭市大教堂公開競賽,雙方各出三十個(gè)三次方程。結(jié)果塔爾塔里亞在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)解完,而菲俄卻交了白卷。1541后,塔爾塔里亞得到了三次方程的一般解法,準(zhǔn)備在譯完歐幾里得和阿基米德的著作后,自己寫一本書公開他的解法。此時(shí),卡丹出場了。他再三乞求塔爾塔里亞給一首語句晦澀的詩。這首詩寫得很蹩腳,但的確把解法的每一步驟都寫進(jìn)去了,他本人說:“本詩無佳句,對此我不介意,為記這一規(guī)則,此詩堪作工具”??ǖぴ诘玫竭@一切后,卻背信棄義,于1545年把這一解法發(fā)表在《大法》這本書中,并斷定塔爾塔里亞的方法是費(fèi)羅的方法,這是與菲俄競賽時(shí)得知的。這引塔爾塔里亞的極大憤怒,并向卡丹宣戰(zhàn)。雙方各出31題,限定15于交卷??ǖづ伤膶W(xué)生費(fèi)拉里(Ferrari,1522——1565)應(yīng)戰(zhàn),結(jié)果,塔爾塔里亞在七天之內(nèi)解出大部份題目,而費(fèi)拉里五個(gè)月才交卷,僅解對了一題。塔爾塔里亞本想完成一部包含他的新算法在內(nèi)的巨著,可惜壯志未酬就與世長辭了,在三次方程的求解問題解決后不久,卡丹的仆人和學(xué)生費(fèi)拉里又得到了四次方程的求解方法。其主要思路是:對于四次方程

2

引入?yún)?shù)t ,經(jīng)配方化為

3

容易驗(yàn)證(2)與(3)是一樣的。為了保證(3)式右邊是完全平方,可令它的判別式為0

即選擇t是三次方程

的任一根。把這個(gè)根作為(3)中的t值就有

把右邊移到左邊并分解因式得到兩個(gè)二次方程

這樣,就把求四次方程的根化為求一個(gè)三次方程和兩個(gè)二次方程的根,因此認(rèn)為四次方程的求解問題也解決了。既然有了這個(gè)突破,數(shù)學(xué)家們就以極大的興趣和自信致力于尋找五次方程的求解方法。他們發(fā)現(xiàn),對次數(shù)不超過四的方程,都能得到根的計(jì)算公式,每個(gè)根都可用原方程的系數(shù)經(jīng)過加減乘除和開方運(yùn)算表出。我們把這件事簡稱為可用根號求解,于是人們斷言:對于五次方程來說,也一定存在這種求根公式。關(guān)于這一點(diǎn),當(dāng)時(shí)的一些著名數(shù)學(xué)家,如歐拉(Euler1707——1783),范得蒙(Vandermonde1735——1796),拉格朗日(Lagrange,1736——1813),魯菲尼(Rullini,1765——1822)和高斯(Gauss,1777——1855)等都曾深信不疑,因而都曾盡力尋找,但都以失敗告終。

首先懷疑這種求根公式存在性的是拉格朗日。他透徹地分析了前人所得的次數(shù)低于五的代數(shù)方程的求解方法,發(fā)現(xiàn)都可以作適當(dāng)?shù)淖兞看鷵Q化為求解某些次數(shù)較低的輔助方程(它們被后人稱為拉格朗日預(yù)解式),然而對于五次方程按這種方法得到的輔助方程的次數(shù)卻升到六次,于是此路不通!1771年,拉格朗日發(fā)表長篇論文《關(guān)于方程的代數(shù)解法的思考》提出了這個(gè)懷疑。到了1813年,他的弟子,意大利的內(nèi)科醫(yī)生魯菲尼終于證明了拉格朗日所采用的尋找預(yù)解式的方法對于五次方程的確是失效的。早在1801年,高斯也意識到這個(gè)問題也許是不能解決的??墒?,包括拉格朗日在內(nèi)都沒有給出“不存在性”的證明。

第一個(gè)證明“高于四次方程不能用根號求解”的是挪威青年數(shù)學(xué)家阿貝爾(Abdl,1802——1829)他中學(xué)時(shí)就讀了拉格朗日和高斯關(guān)于方程論的著作,探討高次方程的求解問題,1824——1826年,他寫出了《五次方程代數(shù)解法不可能存在》一文,但高斯看后說:“太可怕了,竟然寫出這樣的東西來”表示不理解力,阿貝爾在數(shù)學(xué)方面有很多獨(dú)創(chuàng)性的成就,在當(dāng)時(shí)未被重視,由于貧病交迫,182946日死于結(jié)核病,年僅27歲。在他逝世前不久,曾把一些研究結(jié)果告訴勒讓得(Legendre,1752——1833),就在他離開人間的第三于,柏林厭給他寄來了教授聘書。

不過,魯菲尼和阿貝爾的證明畢竟是不很清楚的,甚至還有一些漏洞。阿貝爾并沒有給出一個(gè)準(zhǔn)則來判定一個(gè)具體數(shù)字系數(shù)的高次代數(shù)方程能否用根號求解。作為歷史,他們的功績不容抹殺,但與不久以后出現(xiàn)的伽羅華的輝煌成就相比,就大為遜色了!

伽羅華(Galois1811——1832)是法國青年數(shù)學(xué)家,15歲進(jìn)入巴黎有名公立中學(xué)學(xué)習(xí),偏愛數(shù)學(xué)。后來想進(jìn)工科大學(xué),兩次落榜只進(jìn)一所代等的預(yù)備學(xué)校,此時(shí),他專攻五次方程代數(shù)解法。第一年寫了四篇文章,1828年,17歲的伽羅華寫了《關(guān)于五次方程的代數(shù)解法問題》等兩篇論文送交法國科學(xué)院,但被柯西(Cauchy, 1789——1875)遺失,后來,他又把一篇文章送給傅利(Fourier,1768——1830)。不久,傅利就去世了,也就不了了之。1831年,伽羅華完成了《關(guān)于用根式解方程的可解性條件》一文,院士普阿松(Poisson1781-1840)的審查意見卻是“完全不能理解”,予以退回。伽羅華不幸因決斗受重傷于1832531日離世,時(shí)年不滿21歲,在決斗前夜,他深知為女友決斗而死毫無意義,但又不甘示弱,當(dāng)晚他精神高度緊張和極度不安,連呼“我沒有時(shí)間了!”匆忙之中,把他關(guān)于方程論的發(fā)現(xiàn)草草寫成幾頁說明寄給他的朋友,并附有如下一段話:“你可以公開地請求雅可比(Jacobi)或高斯,不是對于這些定理的真實(shí)性而是對于其重要性表示意見,將來我希望有人會發(fā)現(xiàn)這堆東西注釋出來對于他們是有益的。”到了14年后的1864年,劉維爾(Liouville,1809——1882)在由他創(chuàng)辦的《純粹數(shù)學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)雜志》上發(fā)表了伽羅華的部分文章。關(guān)于伽羅華理論的頭一個(gè)全面而清楚的介紹是若當(dāng)(Jordan,1838——1892)于1870年出版的《置換和代數(shù)方程專論》一書中給出的。這樣。伽羅華超越時(shí)代的天才思想才逐漸被人們所理解和承認(rèn),至今已成為一門蓬勃發(fā)展的學(xué)科——抽象代數(shù)學(xué)。伽羅華避開了拉格朗日的難以捉摸的預(yù)解式而巧妙地應(yīng)用了置換群這一工具,他不但證明了如下的一般代數(shù)方程:

當(dāng)n5時(shí)不可能用根號求根,而且還建立了具體數(shù)學(xué)系數(shù)的代數(shù)方程可用根號求解的判別準(zhǔn)則,并舉出不能用根號求解的數(shù)字系數(shù)代數(shù)方程的實(shí)例。這樣,他就透徹地解決了這個(gè)長達(dá)二百多年來的時(shí)間使不少數(shù)學(xué)家傷腦筋的問題。不僅如此,伽羅華所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。他的奇特思想和巧妙方法,現(xiàn)又成為全部代數(shù)的中心內(nèi)容。在這一點(diǎn)上說,他作為抽象代數(shù)的創(chuàng)造人之一是當(dāng)之無愧的。他的貢獻(xiàn)決不限于解決代數(shù)方程根號求解的問題。

隨著時(shí)間的推移,伽羅華的卓越貢獻(xiàn)越來越為數(shù)學(xué)家所認(rèn)識。他的學(xué)術(shù)思想對近代數(shù)學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響:他開創(chuàng)的群論逐漸滲透到數(shù)學(xué)其它分支,以及結(jié)晶學(xué),理論物理學(xué)等領(lǐng)域,群論給這些領(lǐng)域提供了有力的數(shù)學(xué)工具比如用群論證明了結(jié)晶體的類型只有230種,群論為諸如方程的根,晶體的結(jié)構(gòu),空間變換,基本粒子的對稱性等課題的研究提供統(tǒng)一的方法。到20世紀(jì),群論的概念在整個(gè)數(shù)學(xué)中占有重要的地位,成為現(xiàn)代數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)之一


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