JOVANA
Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
Back to the library
數學 1832

致奧古斯特·謝瓦利埃的信(論方程的可解性)

埃瓦里斯特·伽羅瓦

一個方程能否用根式求解,恰取決於它的對稱群能否被拆解為質數階的步驟。

Choose your version
In depth · the introduction

一個瀕死的二十歲青年,用他生命的最後一夜寫下:為什麼永遠不可能有一個公式去解開所有方程——而就在這件事裡,他發明了關於對稱的數學。

核心想法

對於二次方程,人人都學過一個公式:根可以由係數經過加、減、乘、除和開平方算出來。這種「用根式求解」,對二次、三次(卡爾達諾公式)和四次方程都行得通。三百年來,數學家們苦苦尋找五次方程的同類公式——卻始終沒有找到。

伽羅瓦解釋了這場尋找為何注定徒勞,並把問題轉化成了一個關於對稱的問題。每個方程都藏著一組對稱——即在不擾動其根之間真實關係的前提下,你可以怎樣去重排這些根。伽羅瓦把這組對稱稱為「群」。他證明:公式是否存在,完全取決於這個群能否被拆解成簡單的、質數大小的碎塊。對於不超過四次的方程,它總能被拆開;可一到五次,就會冒出一塊頑固的、拆不開的碎塊——而這,正是一般五次方程沒有公式的原因。

它是如何誕生的

埃瓦里斯特·伽羅瓦是個憤怒、天才而又時運不濟的年輕人。他兩度被法國最頂尖的工程學院拒之門外,兩度把自己的發現呈交科學院,又兩度遭遇丟失,或被以「無法理解」退回。他是動盪巴黎裡一名激烈的共和派,曾因政治入獄,也正在戀愛。

1832 年 5 月 29 日,預料自己將在次日清晨的一場決鬥中喪命——那似乎是一樁為名譽而起的糾紛——他徹夜寫下一封長信給朋友奧古斯特·謝瓦利埃,爭分奪秒地記錄腦中的數學。在頁邊,他潦草地寫下「我沒有時間了」。拂曉他赴約,腹部中槍,於 5 月 31 日去世,年僅二十。謝瓦利埃在當年九月刊出了這封信,但要等到 1846 年劉維爾為之奔走,世人才終於明白失去的是什麼。

它為何重要

伽羅瓦所做的,遠不止了結一個三百年的老問題。他發明了一整套思考方式:要研究一個對象,就去研究它的對稱。這個想法——群論——如今貫穿了全部數學與物理,從晶體的結構,到自然界的守恆定律,再到為網上資訊保密的那些規則。而他所構建的那件具體工具——伽羅瓦理論——至今仍能告訴我們哪些古典幾何難題是不可能的:你無法用直尺和圓規三等分任意一個角,也無法把一個立方體倍積,而伽羅瓦的推理,正是其中的緣由。

一個可以想像的畫面

把「解出根」想像成打開一個密碼保險箱——但你被允許的動作只有開平方、開立方等等,每一種動作都對應轉一下表盤。方程的對稱群,就像這把鎖內部的機械。如果這套機械是由一摞小小的、質數大小的鎖簧疊成的,你就能用手上的動作把它們一顆顆彈開。可對於五次方程,裡頭有一顆鎖簧根本沒有更小的部件——六十個位置,無法再分——任何根式「轉動」的序列,都永遠撬不開它。保險箱,永遠關著。

一座可互動的階梯:拖動滑桿選擇方程的次數(2 到 6),它的對稱群便一步步拆成更小的群。綠色的步是質數大小的,意味著方程可以用根式公式求解;從五次起,會出現一個紅色的步——一塊大小為 60、無法再拆的碎塊——於是任何公式都不可能存在。

它的位置

拉格朗日、魯菲尼,以及挪威人尼爾斯·阿貝爾,都曾繞著這個問題打轉;阿貝爾在 1824 年證明了一般五次方程沒有根式公式,而伽羅瓦解釋了更深的「為什麼」,並把一件新工具交到了數學手中。從他的群裡,流出了若爾當、戴德金與諾特的抽象代數,流出了現代物理的對稱原理,又——經由橢圓曲線的伽羅瓦群——在一百五十多年後流向了費馬大定理的證明。寥寥數頁,寫於燭火之下,重組了一門科學。

The original document
Original source text

開篇——三篇論文

Évariste Galois · Lettre à Auguste Chevalier · Paris, 29 May 1832
Paris, le 29 Mai 1832
Mon cher Ami, J'ai fait en analyse plusieurs choses nouvelles. Les unes concernent la théorie des Équations; les autres les fonctions Intégrales. [My dear friend, I have done several new things in analysis. Some concern the theory of equations, others integral functions.]
Dans la théorie des équations, j'ai recherché dans quels cas les équations étaient résolubles par des radicaux. [In the theory of equations I have looked for the circumstances under which equations were soluble by radicals; this has given me occasion to deepen this theory and to describe all possible transformations on an equation even in case it is not soluble by radicals.]
On pourra faire avec tout celà trois mémoires. [Three memoirs could be made from all this. The first is written, and in spite of what Poisson has said about it I stand by it with the corrections that I have made in it.]

群的本徵分解

Quand un groupe G en contient un autre H, le groupe G peut se partager en groupes … en sorte que G = H + HS + HS′ + … ; et aussi il peut se décomposer en groupes qui ont tous les mêmes substitutions … Quand elles coïncident, la décomposition est dite propre. [When a group G contains another H, the group G can be partitioned … And also it can be decomposed into groups all of which have the same substitutions … When they coincide the decomposition is said to be proper.]
[When the group of an equation is susceptible of a proper decomposition, so that it is partitioned into M groups of N permutations, one will be able to solve the given equation by means of two equations: the one will have a group of M permutations, the other one of N permutations.]

可解性判據

[Therefore once one has effected on the group of an equation all possible proper decompositions, one will arrive at groups which one will be able to transform, but in which the number of permutations will always be the same.]
Si chacun de ces groupes a un nombre premier de permutations, l'équation sera soluble par radicaux; sinon, non. [If each of these groups has a prime number of permutations the equation will be soluble by radicals; if not, not.]
[The smallest number of permutations which can have an indecomposable group, when this number is not prime, is 5·4·3.]

結尾——最後的文字

Mais je n'ai pas le tems et mes idées ne sont pas bien encore bien développées sur ce terrain qui est immense. [But I do not have the time, and my ideas are not yet well enough developed in this area, which is immense.]
Tu prieras publiquement Jacobi ou Gauss de donner leur avis non sur la vérité, mais sur l'importance des théorèmes. [You will publicly ask Jacobi or Gauss to give their opinion not on the truth but on the importance of the theorems.]
Après celà il se trouvera, j'espère, des gens qui trouveront leur profit à déchiffrer tout ce gâchis. [After that there will, I hope, be people who will find profit in deciphering all this mess.]
Je t'embrasse avec effusion. [I embrace you warmly.]
E. Galois · Le 29 Mai 1832
[ … ]