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打乱方程的根:方程的群

双脚并拢跳过计算;把运算分组,按照它们的难度而不是形式来分类:在我看来,这就是未来几何学家的使命。 — 埃瓦里斯特·伽罗瓦,一份手稿的序言(1831) 在伽罗瓦之前六十年,拉格朗日研究过由方程的根构成的表达式,并计算了当根交换位置时它们取多少个值。伽罗瓦更进了一步。他不再看表达式,而是看交换本身。而且不是所有的交换:只看方程允许的那些。 允许的交换 取一个有理系数的方程,把它的根记作 $a, b, c,\dots$ 根之间成立某些关系:系数为有理数的真等式,比如 $a+b=0$ 或 $a^2=2$。伽罗瓦把方程的群定义为根的这样一些置换的集合:它们把每一个成立的关系都变成另一个成立的关系。 最简单的例子是 $x^2-2=0$,根为 $a=\sqrt2$ 和 $b=-\sqrt2$。例如,下列关系成立: $$a+b=0,\qquad ab=-2,\qquad a^2=2,\qquad b^2=2.$$把 $a$ 和 $b$ 交换,四个关系仍然成立。这个群有两个元素:什么都不换,以及交换两个根。 与 $x^2-3x+2=0$ 比较,它的根是 $a=1$ 和 $b=2$。这里关系 $a=1$ 成立。交换两个根,它变成 $b=1$,这是错的。所以这个交换不被允许,群里只有恒等置换。这并非偶然: 根的一个有理表达式是有理数,当且仅当群中没有任何置换改变它。 这是整个理论的核心原理。特别地,当且仅当群只有恒等置换时,所有的根都是有理数。群越大,根就"藏"得越深。 四个根,四种交换 方程 $x^4-5x^2+6=0$ 可以分解为 $(x^2-2)(x^2-3)=0$。它的根是 $$a=\sqrt2,\qquad b=-\sqrt2,\qquad c=\sqrt3,\qquad d=-\sqrt3.$$四个根有 $4!=24$ 种打乱方式,但其中大多数会破坏某个关系。例如,交换 $a$ 和 $c$ 会把成立的关系 $a^2=2$ 变成错误的 $c^2=2$。只剩下把 $\sqrt2$ 变为 $\pm\sqrt2$、把 $\sqrt3$ 变为 $\pm\sqrt3$ 的那些交换: 置换 $a$ 变为 $c$ 变为 恒等 $a$ $c$ 交换 $a\leftrightarrow b$ $b$ $c$ 交换 $c\leftrightarrow d$ $a$ $d$ 两个都交换 $b$ $d$ 这个群有四个元素,而可能的置换有 24 个。这个看上去是四次的方程,实际上用两个相互独立的平方根就能解出,群把这一点显示了出来。

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什么是群:三角形的六种对称

用纸剪一个正三角形,把三个角编号为 1、2、3,放在桌上画好的轮廓上。有多少种方法可以把三角形拿起来再放回去,使它恰好盖住同一个轮廓? 有六种。可以什么都不做;转 $120°$ 或 $240°$;或者绕三条轴之一把三角形翻过来,每条轴经过一个角和对边的中点。 正三角形的六种对称。数字表示每个角最后到了哪里:e 什么都不动,r 顺时针转 120°,r² 转 240°,s₁、s₂、s₃ 沿虚线轴翻折三角形。Euler’s Eyes 绘图 我们把什么都不做的动作记作 $e$,两个旋转记作 $r$ 和 $r^2$,三个翻折记作 $s_1, s_2, s_3$,其中 $s_1$ 沿竖直轴,$s_2$ 沿经过右下角的轴,$s_3$ 沿经过左下角的轴。 对称的乘法表 连续做两个动作,结果总是六个之一。例如,转两次 $120°$ 就是转 $240°$:$r$ 之后再做 $r$ 得到 $r^2$。转三次回到起点:$r^3=e$。我们用 $a\star b$ 表示"先做 $a$,再做 $b$"。用纸三角形把所有组合都试一遍,就得到完整的表: $a\star b$ $e$ $r$ $r^2$ $s_1$ $s_2$ $s_3$ $e$ $e$ $r$ $r^2$ $s_1$ $s_2$ $s_3$ $r$ $r$ $r^2$ $e$ $s_2$ $s_3$ $s_1$ $r^2$ $r^2$ $e$ $r$ $s_3$ $s_1$ $s_2$ $s_1$ $s_1$ $s_3$ $s_2$ $e$ $r^2$ $r$ $s_2$ $s_2$ $s_1$ $s_3$ $r$ $e$ $r^2$ $s_3$ $s_3$ $s_2$ $s_1$ $r^2$ $r$ $e$ 行表示第一个动作,列表示第二个动作。用纸验证其中一格:转 $120°$ 后,角 1 到了右下,角 3 到了上方。再沿竖直轴翻折,角 3 留在上方,下面两个角交换位置。原来在左下的角 2 最后到了右下,正是它一开始所在的位置。这就是 $s_2$ 的效果:$r\star s_1=s_2$。

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方程何时可以用根式求解

有了方程的群这个概念,伽罗瓦回答了阿贝尔之后悬而未决的问题:哪些方程可以用根式求解?答案不依赖任何技巧,只取决于群的形状。 每开一次方就切小群 用根式解方程,就是在已知的数之外,一次添加一个根。一开始我们只知道有理数,方程的群是完整的。每添加一个根,比如 $\sqrt3$ 或 $\sqrt[3]{5}$,就会出现新的成立关系,尊重它们的置换就更少了。群缩小了。当群只剩下恒等置换时,方程的所有根都能用已知的数写出:方程就解出来了。 伽罗瓦证明,每开一次素数 $p$ 次方,无论是平方根、立方根还是五次方根,群都以一种非常特殊的方式缩小:新的群是原来那个群的正规子群,并且在原来的群中恰好容纳 $p$ 次。结论就是伽罗瓦定理: $$\boxed{\text{方程可以用根式求解}\iff\text{群可以经过一系列素数指数的正规步骤切到只剩恒等元。}}$$能这样切开的群,为纪念这段历史,被称为可解群。 三次方程:卡尔达诺公式 一般三次方程的群是三个根的六个置换构成的群,与三角形的六种对称相同。它可以这样切开: $$\underbrace{\{e,r,r^2,s_1,s_2,s_3\}}_{6}\ \supset\ \underbrace{\{e,r,r^2\}}_{3}\ \supset\ \underbrace{\{e\}}_{1}.$$指数是 $6\div3=2$ 和 $3\div1=3$。这意味着:先开一个平方根,再开一个立方根。这正是卡尔达诺公式的形状,平方根出现在立方根的里面: $$x=\sqrt[3]{-\frac q2+\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}+\sqrt[3]{-\frac q2-\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}.$$群在公式写出来之前就解释了它。 四次方程:费拉里公式 四个根的 24 个置换可以分四步切开: $$24\ \supset\ 12\ \supset\ 4\ \supset\ 2\ \supset\ 1,$$指数为 $2, 3, 2, 2$,全是素数。费拉里公式依次使用一个平方根、一个立方根(用来解拉格朗日的辅助三次方程)以及另外两个平方根。 五次方程:切不开的群 五个根的 $120$ 个置换可以切一次,对半切成一个有 $60$ 个元素的正规子群,即所谓的偶置换。但链条到此为止:这个 60 元群除了 $\{e\}$ 和它自身之外,没有别的正规子群。要到达恒等元,就需要一步指数为 60 的切割,而 60 不是素数。这是不可能的。 这就是一般五次方程没有公式的原因:这是阿贝尔定理,现在通过伽罗瓦的眼睛来看。但伽罗瓦理论走得更远。对每个具体的方程,只要算出它的群就行了。方程 $x^5-2=0$ 的群有 20 个元素,是可解的,它确实可以求解:$x=\sqrt[5]2$。而 $x^5-x-1=0$ 的群是全部 120 个置换,它的实根 $1.1673\ldots$ 不能用根式写出。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。

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倍立方与三等分角:不可能的作图

希腊人留下了三个作图问题,没有人能用尺规解决,而尺规正是欧几里得《几何原本》的工具: 倍立方:作出一个立方体的棱,使它的体积是已知立方体的两倍。 三等分角:把任意一个角分成三等份。 化圆为方:作出一个与已知圆面积相等的正方形。 传说在一场瘟疫中,提洛斯的神谕命令雅典人把阿波罗的立方体祭坛加大一倍。他们把棱长加倍,体积变成了八倍,瘟疫依旧。两千年来,数学家们一直在尝试。答案直到 19 世纪才随着高斯和伽罗瓦的思想到来:这是不可能的。 尺规能做什么 从一条长为 1 的线段出发。用尺规可以利用相似三角形对长度做加、减、乘、除。还可以开平方根,方法是在半圆中取几何平均。但仅此而已。 原因在解析几何中。作图中的每个新点,都是两条直线、一条直线与一个圆,或者两个圆的交点。直线的方程是一次的,圆的方程是二次的。求这些交点从来不需要比二次方程更高的方程。所以作图的每一步至多添加一个平方根: 用尺规可作的长度,可以从 1 出发用四则运算和平方根写出。特别地,如果它是一个没有有理因式的方程的根,那么这个方程的次数是 2 的幂。 提洛斯的立方体 把棱长为 1 的立方体加倍,就是作出体积为 2 的立方体的棱 $x$: $$x^3=2,\qquad x=\sqrt[3]2\approx1.2599.$$方程 $x^3-2=0$ 没有有理根,也不能分解为更低次的有理多项式。它的次数是 3,不是 2 的幂。因此 $\sqrt[3]2$ 不可作。提洛斯的祭坛不能用尺规加倍。 60° 的角 有些角很容易三等分:直角可以分成三个 $30°$ 的角,而 $30°$ 可以用正三角形作出。但问题要求的是对任意角都适用的方法,一个反例就够了。取 $60°$。三等分它就是作出 $20°$,即长度 $x=\cos20°$。由三倍角的余弦公式 $$\cos3\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta,$$取 $\theta=20°$,$\cos60°=\frac12$: $$4x^3-3x=\frac12\qquad\Longrightarrow\qquad8x^3-6x-1=0.$$可能的有理根只有 $\pm1,\pm\frac12,\pm\frac14,\pm\frac18$,而它们都不满足方程。所以方程不能分解,次数为 3。$60°$ 角不能用尺规三等分。 旺策尔与伽罗瓦 这两个证明都是在 1837 年由 23 岁的法国人皮埃尔·旺策尔发表在刘维尔的杂志上的,他当时是巴黎综合理工学院的学生。旺策尔用的是高斯和拉格朗日的思想;伽罗瓦的著作要再过九年才出版。今天,这个论证用伽罗瓦理论来解释:方程的次数衡量的是它的根所创造的数的世界的大小,而尺规只能两级两级地往上爬。 第三个问题更难。把半径为 1 的圆化为方,就是作出 $\sqrt\pi$。1882 年,德国人费迪南德·冯·林德曼证明,$\pi$ 不是任何有理系数方程的根:它是一个超越数。于是,圆也不能化为方。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 再谈正十七边形 同样的论证也解释了高斯的正十七边形。作正 $n$ 边形就是作出 $\cos\frac{2\pi}n$,当 $n$ 是素数时,这个方程的次数与 $n-1$ 有关。对于 $n=17$,$n-1=16=2^4$ 是 2 的幂,所以可以作出。对于 $n=7$,$n-1=6$ 不是,所以正七边形不能作出。高斯陈述了完整的规则;旺策尔证明了缺失的那一半。

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埃瓦里斯特·伽罗瓦的遗产

这封信,如果按照它所包含的思想的新颖和深刻来评判,也许是人类全部文献中分量最重的一篇文字。 — 赫尔曼·外尔,《对称》(1952) 伽罗瓦留下了大约六十页数学,其中很多是匆忙写成的。人们花了半个世纪才读懂它们。读懂之后,它们改变了人们对数学本身的看法:不再研究数和图形,而是研究使它们保持不变的变换。 群论 第一本关于伽罗瓦理论的书,法国人卡米尔·若尔当的《置换论》,出版于 1870 年。两年后,德国人费利克斯·克莱因在他的埃尔朗根纲领中提出,每一种几何都由它的变换群来定义:欧几里得几何研究在旋转和平移下不变的东西;射影几何研究在投影下不变的东西。阿贝尔的同胞、挪威人索菲斯·李创立了以他命名的连续群,用来研究微分方程,就像伽罗瓦研究代数方程那样。 伽罗瓦的工作与阿贝尔的工作非常相似,但有一个区别。阿贝尔证明了公式不存在。伽罗瓦解释了为什么,而且这个解释同时适用于所有方程。这种谈论运算而非数的新语言的故事,也在本站符号学一书的《伽罗瓦与凯莱》一章中讲述。 自然界中的群 物理。 1918 年,德国的埃米·诺特证明,物理定律的每一种对称都对应一个守恒量:时间上的对称给出能量守恒,空间上的对称给出动量守恒。1961 年,默里·盖尔曼用一个叫做 $\mathrm{SU}(3)$ 的群整理了亚原子粒子,并预言了一种当时还没有人见过的粒子,即 1964 年发现的 Ω⁻ 粒子。 化学。 晶体中原子排列的对称群恰好有 230 种,于 1891 年完成分类。每一种矿物、每一种金属、每一种结晶的蛋白质都属于其中之一。 数论。 1995 年,安德鲁·怀尔斯通过研究与椭圆曲线相关的方程的伽罗瓦群,证明了费马大定理。椭圆曲线正是从阿贝尔的椭圆函数中生长出来的。 计算机。 有限域存在于纠错码和密码学之中。 埃瓦里斯特·伽罗瓦,由他的弟弟阿尔弗雷德绘制,1848 年发表,那时他已去世十六年。Alfred Galois · Wikimedia Commons · 公有领域 魔群 挡住五次方程公式的那个 60 元群是单群:它不能被切成更小的块。单群是所有有限群的"原子",找出全部单群是 20 世纪数学最大的工程之一。这项分类于 2004 年完成,由一百多位数学家写成,长达数万页。除了几个无穷族之外,恰好有 26 个零散单群。其中最大的魔群有 $$808\,017\,424\,794\,512\,875\,886\,459\,904\,961\,710\,757\,005\,754\,368\,000\,000\,000$$个元素,约为 $8\times10^{53}$。 留下了什么 方程论。 方程的群,以及判定哪些方程可以用根式求解的准则。 群论。 “群"这个词本身、正规子群的概念,以及把群分解成若干步骤。 有限域。 以他命名的 $p^n$ 元域。 几何。 通过旺策尔、克莱因和李,对不可能作图的解释,以及把几何看作对称性研究的思想。 科学。 粒子物理、晶体学、密码学和编码。 决斗的各种说法 决斗之谜催生了一个多世纪的传说。作家大仲马在回忆录中说,对手是一个名叫佩舍·德尔班维尔的共和派。也有人说是一名警察密探,或者是为了在葬礼上引发起义而安排的决斗。较新的研究认为,对手是一同坐过牢的欧内斯特·迪沙特莱。真相也许永远无法知道。而数学,至少完整地留了下来。