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數學 1824

論代數方程:證明五次一般方程不可(根式)求解

尼爾斯·亨利克·阿貝爾

五次一般方程,沒有根式解的公式。

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In depth · the introduction

整整 250 年,數學家們苦苦尋找一個能解任意五次方程的公式。一個 21 歲的挪威人卻證明:他們追逐的那個公式,根本不可能存在。

核心想法

你大概學過二次方程的求根公式:把像 x² + bx + c = 0 這樣的方程裡的數字代進去,答案就出來了——它由這些數字,經加、減、乘、除與開平方根搭成。三次方程(x³……)與四次方程(x⁴……)也有對應的(更繁複的)公式,都是在十六世紀找到的。

順理成章的下一步,就是為五次方程——即五次的方程——找一個公式。一代又一代人去試,都失敗了。阿貝爾道出了原因:根本沒有這樣的公式,也不可能有。對於五次及更高次的方程,它們的根,在一般情形下,根本無法僅用那些熟悉的運算與開方寫出來。他不是沒找到這個公式——他證明了:誰也永遠找不到。

它是如何誕生的

尼爾斯·亨利克·阿貝爾在挪威的貧寒中長大,他的天賦被一位老師發現,老師出資供他讀書。少年時,他一度以為自己「解出」了五次方程——隨後又抓出了自己的錯誤;而這次失敗,把他引向了一個更深的問題:也許,誰都找不到那個公式的原因,正是它壓根不存在。

一位義大利人保羅·魯菲尼,自 1799 年起便主張過同樣的事,但他的證明留有一個他始終沒能補上的漏洞。阿貝爾把它補上了。1824 年,他自費把證明印成一本六頁的小冊子——為省錢而排得極其擁擠,以至於沒幾個人能讀懂。兩年後,他為一份新創的德國數學雜誌把它完整重寫了一遍。他 26 歲時死於肺結核——恰在遲來的承認終於到來之際。

它為何重要

這是數學頭幾次證明某件事是「不可能」的——不是「我們還沒找到」,而是「它永遠找不到」。這是一種不同的、更艱難的知識。為了證明它,阿貝爾(緊接著還有伽羅瓦)發明了思考方程之解的「對稱性」的方法,它日後長成了群論——今天,這是整個數學、物理與化學的核心語言之一。

一個可以想像的畫面

把它想成一座迷宮,裡頭你唯一被允許的動作,是那些「根式」動作:加、減、乘、除,以及開方。對於二、三、四次方程,總有一條路,只用這些動作,就能從係數走到答案。阿貝爾卻證明:對於一般的五次方程,答案待在一個房間裡,而那個房間根本沒有任何一扇門,是這些動作所能抵達的。答案是存在的——每個這樣的方程確實都有五個根——但任何一串被允許的步驟,都永遠走不到它跟前。

一幅可互動的複平面圖:用滑桿設定方程的次數(2 到 6)和兩個係數;根以圓點出現,判定行指出 2、3、4 次有根式公式,5 與 6 次則沒有。

它的位置

解方程,是數學最古老的線索之一,從巴比倫的泥板,一路延伸到攻克三次與四次方程的文藝復興義大利人。阿貝爾終結了尋找五次公式的征程;埃瓦里斯特·伽羅瓦——又一位悲劇性的年輕天才,20 歲死於決鬥——則精確解釋了究竟哪些方程可解、哪些不可解,從而創立了伽羅瓦理論。他們那基於對稱性的思考方式,長成了群論;它後來讓物理學家得以描述自然界的種種對稱,也支撐著現代密碼學。

The original document
Original source text

小冊子與它的主張

N. H. Abel · Mémoire sur les équations algébriques · Christiania (Grøndahl), 1824 · 6 pp.
Full French title
Mémoire sur les équations algébriques, où l'on démontre l'impossibilité de la résolution de l'équation générale du cinquième degré.
[Memoir on algebraic equations, in which the impossibility of solving the general equation of the fifth degree is demonstrated.]
Abel paid for the printing himself and held the work to six pages, which made it almost impenetrably condensed. Two years later he reworked the argument at length for the inaugural volume of Crelle's Journal.

定理(1826 年表述)

Beweis der Unmöglichkeit, algebraische Gleichungen von höheren Graden als dem vierten allgemein aufzulösen · Crelle's Journal 1 (1826): 65–84
It is impossible to solve, in general, algebraic equations of degree higher than the fourth by radicals — that is, by a finite formula built from the coefficients using only addition, subtraction, multiplication, division and the extraction of roots.
The result applies to the GENERAL equation, where the coefficients are treated as independent symbols. Particular quintics with special structure (for example x⁵ − 2 = 0) can still be solved by radicals; what Abel ruled out is a single formula that works for every quintic.

證明的脈絡

Abel supposes, for contradiction, that a solution by radicals exists, and asks what form it must take. He shows that every radical appearing in such a solution can be written as a rational function of the roots of the equation and the coefficients.
He then studies how those expressions behave when the roots are permuted among themselves — counting how many distinct values a function of the roots can take. A theorem of Cauchy limits this number; Abel shows the required radical structure cannot be reconciled with it for degree five.
[ … ]
The two demands collide: the assumed radical formula forces a function of the five roots to take a number of values that Cauchy's count forbids. The contradiction shows no such formula can exist.
N. H. Abel · Christiania · 1824

阿貝爾補上的缺口

Paolo Ruffini had argued for the same impossibility from 1799 onward, but his proofs assumed without justification that any radical in a solution must already be a rational function of the roots. Abel's contribution was to PROVE this step — now often called Abel's theorem on the form of radicals — turning a plausible assumption into a rigorous one.
Abel knew of the difficulty of the general problem but, by his own account, did not know Ruffini's work in detail when he wrote the 1824 pamphlet.