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ガロアの虚数:有限体

1830 年 6 月、18 歳のガロアは、パリの科学紀要に『数の理論について』という短い論文を発表しました。その中で彼は、有限個の数しかない世界のために新しい数を発明し、それを虚数と呼びました。一世紀以上のあいだ、この論文は珍品のように見えていました。今日、それはすべての携帯電話の中にあります。 余りで数える 時計の算術では、決まった数で割った余りだけを使って数えます。5 なら $0, 1, 2, 3, 4$ しかなく、計算は「一周して」戻ってきます。 $$3+4=7\equiv2,\qquad3\cdot4=12\equiv2\pmod5.$$5 を法とするかけ算の表を見てみましょう。 $\times$ 1 2 3 4 1 1 2 3 4 2 2 4 1 3 3 3 1 4 2 4 4 3 2 1 どの行にも 1 が現れます。つまり 0 でないどの数にも逆元があるのです:$2\cdot3\equiv1$、$4\cdot4\equiv1$。割り算ができます! たった 5 個の数で、有理数と同じように四則演算がそろった完全な算術ができるのです。このような構造を体といいます。 6 ではうまくいきません。$2\cdot3=6\equiv0$ なので、2 は逆元をもてません。もし $2x\equiv1$ なら、3 をかけて $0\equiv3$ となってしまいます。$n$ で割った余りが体をつくるのは、$n$ が素数のとき、そしてそのときに限ります。 三つの数の世界の i 3 を法とすると $0, 1, 2$ しかありません。方程式 $x^2+1=0$、つまり $x^2\equiv2$ には解がありません:$0^2=0$、$1^2=1$、$2^2=4\equiv1$。実数で $x^2=-1$ に解がないのと同じ状況です。

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定規とコンパスでレムニスケートを分ける

1694 年、ヤコブ・ベルヌーイは、横に寝かせた 8 の字の形の曲線を調べ、lemniscus、つまりリボン結びと名づけました。焦点を点 $(\pm\frac1{\sqrt2},0)$ にとると、それは二つの焦点までの距離の積が $\frac12$ になる点の集まりです。方程式は $$(x^2+y^2)^2=x^2-y^2$$で、極座標では $r^2=\cos2\theta$ です。一世紀半後、アーベルはこの曲線について、ユークリッドの本から出てきたような定理を証明しました。どんな数 $n$ なら、定規とコンパスだけでレムニスケートを長さの等しい $n$ 個の弧に分けられるのか。 ベルヌーイのレムニスケート r² = cos 2θ と、それを長さの等しい八つの弧に分ける七つの点。曲線は中心を二度通る。Euler’s Eyes 作図 弧の長さ まず、曲線の一部分の長さはいくらでしょうか。極座標では、小さな弧は $ds^2=dr^2+r^2\,d\theta^2$ を満たします。$r^2=\cos2\theta$ を微分すると、 $$2r\,dr=-2\sin2\theta\,d\theta,\qquad\sin2\theta=\sqrt{1-\cos^22\theta}=\sqrt{1-r^4}$$なので、$d\theta=-\dfrac{r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}$ であり、 $$ds^2=dr^2+\frac{r^4\,dr^2}{1-r^4}=\frac{dr^2}{1-r^4}.$$したがって、中心から、中心からの距離が $r$ の点までの弧の長さは $$\boxed{s=\int_0^r\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}.}$$これはレムニスケート積分で、レムニスケート正弦を定義するのと同じ積分です。言いかえれば、中心から弧に沿って $s$ の距離にあるレムニスケート上の点は、中心から $\operatorname{sl}(s)$ の距離にあります。レムニスケート正弦は、正弦が円に対してすることを、レムニスケートに対してするのです。中心から先端までの弧は $\frac\varpi2\approx1.3110$、曲線全体は $2\varpi\approx5.2441$ です。 1751 年のクリスマス 1718 年、イタリアの伯爵ジュリオ・ファニャーノは、レムニスケートの弧を定規とコンパスで2 倍にする方法を見つけました。ある弧が与えられたとき、その 2 倍の長さの弧を作図するのです。ほとんどだれも気にとめませんでした。1751 年 12 月 23 日、ベルリン科学アカデミーはファニャーノの著作をオイラーに渡し、意見を求めました。オイラーはそこにあるものをすぐに見抜き、ファニャーノの公式をこれらの積分の加法公式へと一般化しました。一世紀近くのち、ヤコビはその日を楕円関数の誕生日と呼びました。 八つに分ける ファニャーノの公式を、レムニスケート正弦で書きましょう。 $$\operatorname{sl}(2u)=\frac{2\operatorname{sl}(u)\sqrt{1-\operatorname{sl}(u)^4}}{1+\operatorname{sl}(u)^4}.$$曲線を八等分するには、中心から先端までの弧を二等分する点を見つければ十分です。先端は $r=1$ にあるので、$\operatorname{sl}(2u)=1$ となる $s=\operatorname{sl}(u)$ を探します。 $$1+s^4=2s\sqrt{1-s^4}.$$両辺を 2 乗し、$w=s^2$ とおくと、

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四つの平方数で足りる

好きな正の整数を一つとって、平方数 $0, 1, 4, 9, 16, 25, \ldots$ の和として、できるだけ少ない項で書いてみましょう。 $$\begin{aligned} 5&=4+1,\\ 6&=4+1+1,\\ 7&=4+1+1+1,\\ 30&=25+4+1,\\ 2026&=2025+1=45^2+1^2. \end{aligned}$$それ自身が平方数のものもあれば、二つ必要なもの、三つ必要なものもあります。7 は四つ必要で、ほかに方法はありません。五つ必要な数はあるでしょうか。1770 年、ラグランジュはないことを証明しました。 すべての正の整数は、四つの整数の平方の和である。 ゼロも平方数に数えれば、これは $n=a^2+b^2+c^2+d^2$ となる $a, b, c, d$ がいつも存在するということです。 十五世紀にわたる予想 250 年ごろ、アレクサンドリアのギリシア人ディオファントスは、ある数が四つの平方数の和に書けることを、問題のなかで説明なしに使っています。1621 年、フランスのクロード=ガスパール・バシェはディオファントスの『算術』のラテン語版を出版し、この主張をはっきり書きました。彼は 325 まで確かめたが証明はわからない、と述べています。 ピエール・ド・フェルマーが有名な書きこみをしたのは、このバシェの本の余白でした。フェルマーは自分の無限降下法で証明したと宣言しましたが、いつものとおり、それを見せることはありませんでした。 オイラーの四十年 オイラーはおよそ四十年にわたって証明を試み、最後までたどりつけませんでした。けれども 1748 年に、いちばん大事な部品を見つけます。四つの平方数の和どうしの積は、また四つの平方数の和になることを示す恒等式です。 $$\begin{aligned} &(a^2+b^2+c^2+d^2)(e^2+f^2+g^2+h^2)\\ &\quad=(ae+bf+cg+dh)^2\\ &\qquad+(af-be+ch-dg)^2\\ &\qquad+(ag-bh-ce+df)^2\\ &\qquad+(ah+bg-cf-de)^2. \end{aligned}$$魔法のように見えますが、両辺を展開するだけです。交差する積はすべて二つずつ打ち消し合います。たとえば $7=2^2+1^2+1^2+1^2$、$15=3^2+2^2+1^2+1^2$ です。恒等式から $$\begin{aligned}105&=7\cdot15=10^2+1^2+0^2+(-2)^2\\&=100+1+0+4.\end{aligned}$$この結果は強力です。どんな数も素数の積です。それぞれの素数が四平方和なら、恒等式によってその積も四平方和になります。したがって、定理は素数について証明すれば十分なのです。 ラグランジュの証明 ここで、1770 年、すでにベルリンにいたラグランジュが登場します。彼の証明は二段階からなり、どちらもフェルマーの降下法の仲間です。 第一段階。 どんな奇素数 $p$ についても、$x^2+y^2+1$ が $p$ の倍数になる $x$ と $y$ が存在します。理由は数え上げです。$x$ を $0$ から $\frac{p-1}2$ まで動かすと、数 $x^2$ は $p$ でわったとき $\frac{p+1}2$ 個の異なる余りを残し、数 $-1-y^2$ も同じです。$\frac{p+1}2+\frac{p+1}2=p+1$ は可能な余り $p$ 個より多いので、鳩の巣原理により、二つのリストのあいだで余りがどこかで重なります。したがって $p$ のある倍数、たとえば $mp$ は四平方和 $x^2+y^2+1^2+0^2$ になります。

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アーベル群:順序が問題にならないとき

靴下をはいてから靴をはくのと、靴をはいてから靴下をはくのとでは、結果がちがいます。3 を足してから 5 を足すのと、5 を足してから 3 を足すのとは同じです。二つの操作の順序を変えても結果が変わらないとき、それらは可換であるといいます。すべてが可換な構造を表すために数学者が使う言葉は、アーベルへの敬意を表したものです。アーベル的(abelian)です。 最後の論文 一般の 5 次方程式に公式がないことを証明したあと、アーベルはどんな方程式なら公式があるのかを知りたいと考えました。1829 年、『クレレ誌』に発表した最後の論文の一つで、彼は特別な種類の方程式を調べました。すべての根が、そのうちの一つ $x$ から、互いに可換な有理関数 $\theta_1(x), \theta_2(x),\dots$ によって得られる方程式です。 $$\theta_1(\theta_2(x))=\theta_2(\theta_1(x)).$$アーベルは、こうした方程式がつねに累乗根で解けることを証明しました。それらはアーベル方程式と呼ばれるようになり、のちに、順序が問題にならない群がアーベル群と呼ばれるようになりました。 1 のべき根 最も重要な例は方程式 $x^n=1$ です。その根の一つは $$\zeta=\cos\frac{2\pi}n+i\sin\frac{2\pi}n$$で、ほかの根はすべてそのべき乗です:$\zeta^2,\zeta^3,\dots,\zeta^n=1$。ある根を別の根に移す関数はべき乗 $\theta_a(x)=x^a$ で、これらは可換です。 $$\theta_a(\theta_b(x))=(x^b)^a=x^{ab}=(x^a)^b=\theta_b(\theta_a(x)).$$アーベルの定理により、$x^n=1$ はどの $n$ についても累乗根で解けます。これは、ガウスが正十七角形の作図に使ったのと同じ構造です。正多角形の頂点は $x^{17}=1$ の根なのです。 群と可換性 現代の言葉では、群とは、合成したり、取り消したり、組み合わせたりでき、しかもつねにその集まりの中にとどまる操作の集まりです。どの二つの元についても $a\circ b=b\circ a$ となるとき、その群はアーベル群です。 アーベル群の例はいたるところにあります。 整数と足し算:$3+5=5+3$。 円の回転:$30°$ 回してから $50°$ 回すのは、$50°$ 回してから $30°$ 回すのと同じ。 時計の算術:12 時間の時計で、9 時の 5 時間後は 2 時です。$9+5\equiv2\pmod{12}$ と書きます。ここでも足す順序は関係ありません。 アーベル群でない群もあります。三角形の対称性が最も小さな例です。三角形を回してから裏返すのと、裏返してから回すのとでは結果がちがいます。ルービックキューブも例です。前の面を回してから上の面を回すのは、その逆と同じ効果にはなりません。ガロアが 5 次方程式に公式がない理由を説明したのは、アーベル群でない群を調べることによってでした。 可換だとなぜ助かるのか アーベルの証明の背後にある直観は、アーベル群では操作を一つずつ、どんな順序でも行うことができ、一つの操作がほかの操作の成果をこわさない、ということです。各ステップは累乗根を一つとることに対応し、根は順番にとっていくことができます。五つの根の 120 通りの置換の群のように、アーベル群でなく、しかも複雑すぎる群では、ステップどうしが邪魔し合い、累乗根だけでは最後までたどり着けないのです。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。 アーベルのぶどう 英語圏の数学者の間には古い冗談があります。「紫色で可換なものは何? アーベルのぶどう。」英語で an abelian grape(アーベルのぶどう)が an abelian group(アーベル群)と似た音になるのです。「abelian」という形容詞はあまりにもよく使われるので、多くの本では小文字で書かれます。それは、ほんのわずかな数学者しか受けていない栄誉です。

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立方体の倍積と角の三等分:不可能な作図

ギリシア人は、ユークリッドの『原論』の道具である定規とコンパスでは、だれにも解けなかった三つの作図問題を残しました。 立方体の倍積:与えられた立方体の 2 倍の体積をもつ立方体の辺を作図する。 角の三等分:任意の角を三つの等しい部分に分ける。 円の正方形化:与えられた円と同じ面積の正方形を作図する。 伝説によれば、疫病がはやったとき、デロスの神託はアテネの人々に、立方体の形をしたアポロンの祭壇を 2 倍にせよと命じました。人々は辺を 2 倍にしましたが、体積は 8 倍になり、疫病はおさまりませんでした。二千年にわたって数学者たちは挑みました。答えが出たのは 19 世紀、ガウスとガロアの考えによってでした。それは不可能なのです。 定規とコンパスにできること 長さ 1 の線分から始めます。定規とコンパスを使えば、相似な三角形によって長さを足し、引き、かけ、割ることができます。そして、半円の中の相乗平均で平方根をとることもできます。しかし、それだけです。 理由は解析幾何学にあります。作図の新しい点はどれも、二本の直線の交点、直線と円の交点、二つの円の交点のどれかです。直線の方程式は 1 次、円の方程式は 2 次です。これらの交点を求めるのに、2 次方程式より高い次数の方程式は決して必要ありません。だから作図の各ステップで加わるのは、せいぜい平方根一つなのです。 定規とコンパスで作図できる長さは、1 から四則演算と平方根で書ける。とくに、それが有理数の範囲で因数分解できない方程式の根であれば、その方程式の次数は 2 のべき乗である。 デロスの立方体 辺 1 の立方体を 2 倍にするとは、体積 2 の立方体の辺 $x$ を作図することです。 $$x^3=2,\qquad x=\sqrt[3]2\approx1.2599.$$方程式 $x^3-2=0$ は有理数の根をもたず、より低い次数の有理数係数の多項式に因数分解できません。次数は 3 で、2 のべき乗ではありません。したがって $\sqrt[3]2$ は作図できません。デロスの祭壇は、定規とコンパスでは 2 倍にできないのです。 60° の角 かんたんに三等分できる角もあります。直角は三つの $30°$ の角に分けられ、$30°$ は正三角形で作図できます。しかし問題が求めているのはどんな角にも使える方法で、反例が一つあれば十分です。$60°$ をとりましょう。これを三等分するとは、$20°$、つまり長さ $x=\cos20°$ を作図することです。余弦の 3 倍角の公式 $$\cos3\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta$$で、$\theta=20°$、$\cos60°=\frac12$ とすると、 $$4x^3-3x=\frac12\qquad\Longrightarrow\qquad8x^3-6x-1=0.$$ありうる有理数の根は $\pm1,\pm\frac12,\pm\frac14,\pm\frac18$ だけで、どれも当てはまりません。よって方程式は因数分解できず、次数は 3 です。$60°$ の角は定規とコンパスで三等分できません。 ヴァンツェルとガロア この二つの証明は 1837 年、理工科学校の学生だった 23 歳のフランス人ピエール・ヴァンツェルが、リウヴィルの雑誌に発表しました。ヴァンツェルはガウスとラグランジュの考えを使いました。ガロアの著作が出版されるのは九年後のことです。今日、この議論はガロア理論で説明されます。方程式の次数は、その根がつくり出す数の世界の大きさを測り、定規とコンパスは二段ずつしか登れないのです。

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根を入れかえる:ラグランジュの定理

1770 年、代数学には二世紀以上も止まったままの問題がありました。2 次方程式には解の公式があり、3 次と 4 次の方程式の解き方も 1545 年にカルダーノが出版していました。ところが 5 次については、だれも何も見つけられませんでした。最高の数学者たちが挑み、4 次までうまくいったどの方法も 5 次でつかえてしまったのです。 ラグランジュは、もう一つ新しい方法を試すことはしませんでした。別の問いを立てたのです。古い方法はなぜうまくいくのか。 この論文で私は、これまでに見いだされた方程式の代数的解法のさまざまな方法を調べ、それらを一般的な原理に帰着させ、それらの方法がなぜ 3 次と 4 次ではうまくいき、それ以上の次数では失敗するのかを、先験的に示すことを目指す。 — ジョゼフ=ルイ・ラグランジュ『方程式の代数的解法についての考察』(1771) この論文は 200 ページを超え、1770 年と 1771 年にベルリン・アカデミーから出版されました。 根を入れかえる 中心にある考えは、方程式の根でつくった式を見て、根どうしが場所を入れかえたときにその式がどうなるかを調べることです。 2 次から始めましょう。方程式 $x^2+bx+c=0$ の根を $x_1$、$x_2$ とすると、ヴィエト以来 $$x_1+x_2=-b,\qquad x_1x_2=c$$であることが知られています。この二つの式は、$x_1$ と $x_2$ を入れかえても変わりません。だから係数で書けるのです。一方、差 $x_1-x_2$ は変わります。$x_2-x_1$、つまり符号が逆になります。この式は二つの値をとります。けれどもその 2 乗は、ふたたび一つの値しかとらないので、係数で書けます。 $$(x_1-x_2)^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2=b^2-4c.$$あとは平方根をとるだけです。$x_1-x_2=\pm\sqrt{b^2-4c}$。和と差がわかれば根はすぐに出てきて、結果は 2 次方程式の解の公式になります。公式の $\pm$ は、まさに $x_1-x_2$ がとりうる二つの値の符号なのです。 4 次の秘密 ラグランジュは同じ分析を 3 次と 4 次でもおこないました。4 次では、根を $x_1, x_2, x_3, x_4$ とすると、フェラーリの技法は式 $$t=x_1x_2+x_3x_4$$を見ることにあたります。四つの根の並べかえ方は $4!=24$ 通りありますが、$t$ がとる値は三つだけです。 $$\begin{gathered}x_1x_2+x_3x_4,\\ x_1x_3+x_2x_4,\\ x_1x_4+x_2x_3.\end{gathered}$$この三つの値は、もとの方程式の係数から計算できる係数をもつ3 次方程式の根です。3 次はすでに解けるので、$t$ が求まり、そこから根が求まります。4 次方程式が解けるのは、とる値が四つより少ない根の式が存在するからなのです。

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エヴァリスト・ガロアの遺産

この手紙は、それがふくむ考えの新しさと深さで判断するなら、おそらく人類の全文献の中で最も内容のある文書であろう。 — ヘルマン・ワイル『シンメトリー』(1952) ガロアが残した数学は六十ページほどで、その多くは急いで書かれたものでした。それが理解されるまでに半世紀かかりました。理解されたとき、それは数学とは何かという考えそのものを変えました。数や図形を研究する代わりに、それらを変えずに残す変換を研究するのです。 群論 ガロア理論についての最初の本、フランスのカミーユ・ジョルダンの『置換論』は 1870 年に出ました。その二年後、ドイツのフェリックス・クラインはエルランゲン・プログラムで、それぞれの幾何学をその変換群によって定めることを提案しました。ユークリッド幾何学は回転と平行移動で変わらないものを研究し、射影幾何学は射影で変わらないものを研究するのです。アーベルと同じノルウェー人のソフス・リーは、彼の名がついた連続群をつくり、ガロアが代数方程式を調べたように微分方程式を調べるのに使いました。 アーベルの仕事との類似は大きいのですが、ちがいもあります。アーベルは公式が存在しないことを証明しました。ガロアはなぜかを説明し、その説明はすべての方程式に同時に当てはまりました。数ではなく演算について語るこの新しい言葉の物語は、このサイトの記号論の本の章「ガロアとケイリー」でも語られています。 自然の中の群 物理学。 1918 年、ドイツのエミー・ネーターは、物理法則のあらゆる対称性が保存される量に対応することを証明しました。時間についての対称性はエネルギーの保存を、空間についての対称性は運動量の保存を与えます。1961 年、マレー・ゲルマンは $\mathrm{SU}(3)$ という群で素粒子を整理し、まだだれも見たことのない粒子、オメガ・マイナスを予言しました。それは 1964 年に発見されました。 化学。 結晶の中の原子の並び方の対称性の群はちょうど 230 種類あり、1891 年に分類されました。すべての鉱物、すべての金属、結晶化したすべてのタンパク質が、そのどれかに属します。 数論。 アンドリュー・ワイルズは 1995 年、楕円曲線に結びついた方程式のガロア群を調べることで、フェルマーの最終定理を証明しました。楕円曲線は、まさにアーベルの楕円関数から生まれた曲線です。 計算機。 有限体は誤り訂正符号と暗号の中にあります。 弟アルフレッドが描き、1848 年に発表されたエヴァリスト・ガロアの肖像。彼の死から十六年後のことだった。Alfred Galois · Wikimedia Commons · パブリックドメイン モンスター 5 次の公式をはばむ 60 個の元の群は単純です。より小さな部分に切り分けることができません。単純群はすべての有限群の「原子」であり、そのすべてを見つけることは 20 世紀の数学で最大の事業の一つでした。2004 年に完成した分類は、百人を超える数学者が書いた何万ページにもおよびます。いくつかの無限の系列のほかに、ちょうど 26 個の孤立した単純群があります。その最大のもの、モンスターの元の個数は $$808\,017\,424\,794\,512\,875\,886\,459\,904\,961\,710\,757\,005\,754\,368\,000\,000\,000$$で、およそ $8\times10^{53}$ です。 残ったもの 方程式論。 方程式の群と、どの方程式が累乗根で解けるかを決める判定法。 群論。 その言葉自体、正規部分群の考え、群を段階に分解すること。 有限体。 彼の名がついた $p^n$ 個の元の体。 幾何学。 ヴァンツェル、クライン、リーを通じて、不可能な作図の説明と、対称性の研究としての幾何学という考え。 科学。 素粒子物理学、結晶学、暗号、符号。 決闘のさまざまな説 決闘の謎は、一世紀以上にわたって伝説を生み続けました。作家アレクサンドル・デュマは回想録で、相手をペシュー・デルバンヴィルという共和主義者だとしています。警察の密偵だったという人もいれば、葬儀で蜂起を起こすために仕組まれた決闘だったという人もいます。より最近の研究では、相手は獄中仲間のエルネスト・デュシャトレだったと考えられています。真相はおそらく永遠にわからないでしょう。けれども数学は、少なくとも、まるごと生き残りました。 覚えておきたいこと エヴァリスト・ガロアは 1811 年から 1832 年まで生きた。仕事はすべて 17 歳から 20 歳の間に行った。 方程式の群は、根の間の成り立つすべての関係を守る根の置換からなる。 群は、閉じていること、結合法則、単位元、逆元をもつ。三角形の六つの対称性は、アーベル群でない最小の群をつくる。 方程式が累乗根で解けるのは、その群を素数の指数をもつ正規な段階で切り分けられるとき、そしてそのときに限る。5 次では、60 個の元の群が切り分けられない。 どの素数 $p$ とどの $n$ についても、$p^n$ 個の元の体がある。九つの元の体は、3 を法として $i^2=-1$ となる $i$ で得られる。 定規とコンパスでは、平方根を必要とする数しか作図できない。だから立方体は倍にできず、$60°$ の角は三等分できない。 出典: Peter M. Neumann、The Mathematical Writings of Évariste Galois(2011)· Hermann Weyl、Symmetry(Princeton University Press、1952)· Mark Ronan、Symmetry and the Monster(Oxford University Press、2006)。

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ニールス・ヘンリック・アーベルの遺産

アーベルは数学者たちに、百五十年分の仕事を残していった。 — シャルル・エルミートの言葉とされるもの アーベルが数学者として仕事をしたのは八年足らずでした。その間に、彼は代数学で最も古い問いに決着をつけ、級数に厳密さをもたらし、楕円関数を生み出し、死後何十年もたってようやく完全に理解された論文を書きました。今日、彼の名前は数学のほかのだれよりも多くの場所に見られます。アーベル群、アーベル積分、アーベル関数、アーベル多様体、アーベルの定理、アーベル総和法、アーベルの判定法。 パリの論文 アーベルが 1826 年にパリ科学アカデミーに提出し、コーシーがなくした著作には、巨大な結果がふくまれていました。どんな代数曲線についても、曲線に沿ったある種の積分の和は、曲線だけで決まる一定の個数の積分に帰着できる、というのです。その個数は、三十年後にリーマンが曲線の種数、つまり対応する曲面の「穴」の数と呼ぶことになるものです。今日この結果はアーベルの定理と呼ばれ、代数幾何学とリーマン面の理論はそこから育ちました。ルジャンドルはこの定理を知って、ラテンの詩人ホラティウスの言葉を借り、monumentum aere perennius、「青銅よりも長く残る記念碑」と呼んだと伝えられています。 原稿の物語はほとんど小説のようです。アーベルの死後、パリ駐在のノルウェー領事がアカデミーに原稿を探すよう頼みました。コーシーがそれを見つけ、1841 年に出版されましたが、誤りがありました。印刷のあいだに原本はまた消えてしまいました。それが見つかったのはようやく 1952 年、ノルウェーの数学者ヴィゴ・ブルンによって、フィレンツェの図書館で、あるイタリア人収集家の書類の中からでした。 記念碑と賞 オスロの王宮公園にある、グスタヴ・ヴィーゲラン作のアーベル記念碑。1908 年に除幕され、二つの怪物のような像の上に立つ裸の若者を表している。多くの人は、二つの像を彼が打ち負かした 5 次方程式と楕円関数と読む。Wolfmann · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 19 世紀の終わり、ノーベル賞に数学部門がないと知ったノルウェーのソフス・リーは、アーベルの名を冠した賞をつくることを提案しました。この案は、1899 年のリーの死と、1905 年のノルウェーとスウェーデンの分離によって勢いを失いました。それが再び取り上げられたのは、アーベル生誕二百年の 2002 年です。ノルウェー政府はアーベル賞を創設し、2003 年にフランスのジャン=ピエール・セールに初めて授与しました。今日、それは数学のノーベル賞にあたるものとみなされています。2015 年にはジョン・ナッシュとルイス・ニーレンバーグに贈られました。 残ったもの 1929 年のノルウェーの切手。アーベルの没後 100 年を記念して発行された。ノルウェー郵便 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 代数学。 5 次の一般の公式の不可能性、アーベル方程式、可換な群。 解析学。 級数の厳密さ、任意の指数に対する二項級数、べき級数についてのアーベルの定理。 楕円関数。 積分の逆転、二重周期性、加法公式。ヤコビとともに。 代数幾何学。 代数関数の積分についてのアーベルの定理。リーマンの理論の根。 古典幾何学。 定規とコンパスによるレムニスケートの分割。円と同じ数について。 遅れて届いた手紙 アーベルの生涯は、すれちがいの書簡に彩られていました。ガウスが開かなかった小冊子、コーシーがなくした論文、死の二日後に届いたベルリンからの手紙。1830 年にパリ科学アカデミーが大賞を与えたとき、彼は亡くなって一年以上たっていました。ノルウェーでは彼の肖像が切手や 500 クローネ紙幣に描かれ、月のクレーターにも彼の名がついています。 覚えておきたいこと ニールス・ヘンリック・アーベルは 1802 年から 1829 年まで生きた。仕事はすべて 19 歳から 26 歳の間に行った。 5 次以上の一般の方程式には、累乗根による公式は存在しない。これがアーベル=ルフィニの定理である。 二項級数 $(1+x)^m=1+mx+\cdots$ は $|x|<1$ で収束する。任意の $m$ についてこれを初めて証明したのはアーベルである。 積分 $\int\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}$ を逆にするとレムニスケート正弦が得られる。実と虚の二つの周期をもつ関数である。 レムニスケートの四分の一をそれぞれ二等分する点は、中心から $\sqrt{\sqrt2-1}$ の距離にある。作図可能な数である。 操作の順序が問題にならないとき、群はアーベル群である。群がアーベル群である方程式は累乗根で解ける。 出典: Arild Stubhaug、Niels Henrik Abel and his Times(Springer、2000)· アーベル賞、ノルウェー科学文学アカデミー · アーベルの伝記、MacTutor。

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無限小のない導関数と平均値の定理

18 世紀の終わり、微積分はとてもよく役に立っていましたが、なぜうまくいくのかをきちんと説明できる人はいませんでした。ライプニッツの $dx$ は「無限に小さい」量でした。それでわり算をするためにゼロでないものとしてあつかったかと思うと、すぐあとで、無視するためにゼロであるかのようにあつかうのです。1734 年、バークリー主教はこれをあざけって、「死んだ量の亡霊」と呼びました。 ラグランジュはこのことが気になっていました。1797 年、彼は副題そのものが一つの綱領になっている本を出版します。 微分計算の原理をふくみ、無限小、消えゆく量、極限、流率についてのあらゆる考察から解放され、有限な量の代数的解析に帰着させたもの。 — ジョゼフ=ルイ・ラグランジュ『解析関数論』(1797) 導かれた関数 ラグランジュの考えは、まともな関数ならどれもべき級数に展開できる、というものでした。変数 $x$ に増分 $i$ を与えると、 $$f(x+i)=f(x)+p\,i+q\,i^2+r\,i^3+\cdots$$となり、$p, q, r, \ldots$ は $x$ の新しい関数です。ラグランジュはこのうち最初のもの、$i$ の係数を、$f$ の導かれた関数と定義し、ダッシュをつけて $f'(x)$ と書きました。$f'$ の導関数は $f''$、以下同様です。 $f(x)=x^3$ でどうなるか見てみましょう。3 乗を展開すると、 $$(x+i)^3=x^3+3x^2\,i+3x\,i^2+i^3.$$$i$ の係数は $3x^2$ なので、$f'(x)=3x^2$ です。あとで消えてしまうものでわる必要も、何かを無視する必要もありませんでした。係数を読みとるだけでよかったのです。これこそラグランジュが望んだことでした。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。 残ったダッシュ 今日、学校では導関数に二つの記号を使います。ライプニッツの $\frac{dy}{dx}$ と、ラグランジュの $f'(x)$ です。導関数(derivative)ということばもこの本から来ています。fonction dérivée、もとの関数から導かれた関数です。文字の上に点をつけて $\dot y$ と書いたニュートンの記号は、今日ではおもに物理で、変数が時間のときに使われています。 計画がつまずいたところ この計画には欠陥があり、1823 年にコーシーがそれを指摘しました。すべての関数がそのべき級数に等しいわけではないのです。関数 $$f(x)=e^{-1/x^2}\ \ (x\neq0),\qquad f(0)=0$$はゼロの近くでとても平らなので、そこでの導関数はすべてゼロになります。ゼロのまわりでのべき級数は $0+0\,i+0\,i^2+\cdots=0$ ですが、関数はゼロではありません。ラグランジュのように級数から出発するだけでは足りないのです。コーシーは極限の考えで微積分を立て直し、今日教えられているのは彼の版です。 それでもラグランジュは、その途中で、計画が難破したあとも生き残った二つの道具を見つけていました。 平均値の定理 一つめは平均値の定理で、彼は自分の級数をおさえるためにそれを必要としていました。今日の形ではこうです。$f$ が $a$ から $b$ までの区間で微分可能なら、そのあいだに少なくとも一つの点 $c$ があって、

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歴史的な画像と写真 すべてウィキメディア・コモンズから取りました。コモンズが提供するサムネイルを、編集せずに使っています。 アーベルの肖像、ヨハン・ゲルビッツの素描、パリ、1826 年:元のページ · パブリックドメイン。 『クレレ誌』第 1 巻、ベルリン、1826 年:元のページ · パブリックドメイン。 フローランのアーベルの墓、Karl Ragnar Gjertsen 撮影:元のページ · CC BY 4.0。 オスロのアーベル記念碑、グスタヴ・ヴィーゲランの彫刻、Wolfmann 撮影:元のページ · CC BY-SA 4.0。 ブログの図 レムニスケートを八つの等しい弧に分けた図はオリジナルの図です。点は、記事で導いた公式 $r=\sqrt{\sqrt2-1}$ で計算しました。図には文字がなく、サイトのすべての言語で使えます。 記録 ファイル data/abel_imagens.json に、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュを記録しています。各テーマの歴史的な出典は、それぞれの記事の最後にあります。 追加した歴史図版 これらの図版はウィキメディア・コモンズによる。それぞれの出典、ライセンス、SHA-256 ハッシュ値は data/abel_imagens.json に記録してある。 イェシュタの教会と牧師館(1890 年ごろ): Peder Bentsen Melaas · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 1929 年のノルウェーの切手: ノルウェー郵便 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン ニールス・ヘンリック・アーベルの全トピック · ← ニールス・ヘンリック・アーベルの遺産

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歴史的な画像と写真 すべてウィキメディア・コモンズから取りました。コモンズが提供するサムネイルを、編集せずに使っています。 15 歳のガロア、作者不詳の素描:元のページ · パブリックドメイン。 弟アルフレッドが描いたガロア、1848 年発表:元のページ · パブリックドメイン。 オーギュスト・シュヴァリエへの手紙、1832 年 5 月 29 日:元のページ · パブリックドメイン。 パリのルイ=ル=グラン校、Celette 撮影:元のページ · CC BY-SA 4.0。 ブログの図 三角形の六つの対称性の図はオリジナルの図です。記事の表は、角の置換を合成するプログラムで確かめました。図には文字がなく、サイトのすべての言語で使えます。 記録 ファイル data/galois_imagens.json に、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュを記録しています。各テーマの歴史的な出典は、それぞれの記事の最後にあります。 追加した歴史図版 これらの図版はウィキメディア・コモンズによる。それぞれの出典、ライセンス、SHA-256 ハッシュ値は data/galois_imagens.json に記録してある。 ブール=ラ=レーヌの絵はがき: 作者不詳 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン エヴァリスト・ガロアの全トピック · ← エヴァリスト・ガロアの遺産

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ラグランジュの未定乗数:制約つきの最適化

現実の決定のほとんどは、制約つきの最大・最小問題です。工場は最大の利益をあげたいが、原料の量にはかぎりがある。缶は 350 ml を入れながら、アルミニウムをできるだけ使いたくない。振り子は、おもりが糸につながっているかぎり、好きなように動く。ラグランジュは、こうした問題すべてに通用する一つの方法を見つけました。それは 1788 年の『解析力学』に、力学系の束縛をあつかうために登場し、1797 年の『解析関数論』に、計算の一般的な規則として登場します。 囲い ギリシア人もすでに解けた問題から始めましょう。20 メートルの柵で、いちばん面積の大きい長方形はどれでしょうか。辺を $x$、$y$ とすると、 $$f(x,y)=xy\qquad\text{を制約}\qquad g(x,y)=x+y=10$$のもとで最大にしたいのです。ここでは $y=10-x$ と解いて $x(10-x)$ を最大にするのはかんたんです。けれども多くの問題では、制約は複雑な方程式で、何も解き出せません。ラグランジュは、そうする必要がまったくない方法をほしがっていました。 新しい文字 ラグランジュのレシピは、今日 $\lambda$ と呼ばれる新しい未知数、乗数を加え、$f$ の導関数が $g$ の導関数に比例することを要求するものです。 $$\begin{aligned}\frac{\partial f}{\partial x}&=\lambda\,\frac{\partial g}{\partial x},\\ \frac{\partial f}{\partial y}&=\lambda\,\frac{\partial g}{\partial y},\\ g(x,y)&=10.\end{aligned}$$囲いの場合、$\frac{\partial f}{\partial x}=y$、$\frac{\partial f}{\partial y}=x$ で、$g$ の導関数はどちらも $1$ です。方程式は $$y=\lambda,\qquad x=\lambda,\qquad x+y=10$$となり、$x=y=5$。最良の長方形は 5 × 5 の正方形で、面積は 25 m² です。何も解き出す必要はありませんでした。制約は方程式が一つ増える形で、$\lambda$ は未知数が一つ増える形で入ってきたのです。 なぜうまくいくのか 下の図は、面積 $xy$ が一定の値 9、16、25、36 になる曲線と、制約の直線 $x+y=10$ を示しています。直線にそって進むと、面積がだんだん大きい曲線を通り、面積 25 の曲線までいきます。そこを過ぎると、面積はまた小さくなります。面積 36 の曲線は直線にふれることさえありません。 最適な点では、制約の直線と面積 25 の曲線が交わらずにふれ合う。つまり接している。Euler’s Eyes 作図 最適な点では、直線と最大面積の曲線は接しています。もし交わっていたら、直線にそってもう少し進み、もっと面積の大きい曲線に入れるはずです。接している曲線は同じ向きをもつので、そこでは $f$ と $g$ の導関数が比例します。乗数 $\lambda$ はその比例の係数なのです。