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根式可解性,与那不可解的五次方程

把“根式可解”翻译成一座循环扩张之塔,从而翻译成可解的伽罗瓦群,然后展示一个伽罗瓦群为 S_5——不可解——的五次方程。这是本学科历史性的核心。

根式塔究竟是什么

“用根式”的公式只用 +、−、×、÷ 与 n 次根。代数地说就是:从 K 出发,你在一座塔 K = F_0 ⊆ F_1 ⊆ … ⊆ F_m 内到达解,其中每一步添加单个根式,F_{i+1} = F_i(α) 且 α^{n_i} ∈ F_i。一个方程用根式可解,当其分裂域落在这样一座塔内。计划是通过伽罗瓦对应来解读这座塔,看它对群强加了什么。

有一处技术上的“增甜剂”。添加满足 α^n ∈ F_i 的 α 是一个循环扩张,*前提是 F_i 已含有 n 次单位根*。所以先把所有需要的单位根投入基域——这是一步分圆扩张,本身交换因而可解——之后每个根式步骤都有循环伽罗瓦群。我们可以把这座塔安排成在 K 上正规且每层循环。

域之塔 ↔ 子群之链

现在对正规塔 K ⊆ F_1 ⊆ … ⊆ F_m 应用对应。每个 F_i 对应子群 G_i = Gal(F_m/F_i),包含关系翻转为链 G = G_0 ⊇ G_1 ⊇ … ⊇ G_m = {1}。因每个 F_{i+1}/F_i 正规且群循环,故每个 G_{i+1} ◁ G_i,商 G_i/G_{i+1} 循环。具有这种链——相继商皆交换——的群按定义就是可解群。这便是定理:用根式可解 ⇒ 伽罗瓦群可解。

一个会崩坏的五次方程

为了击破可解性,我们需要一个伽罗瓦群不可解的五次方程。整个对称群 S_5 即可:它有链 S_5 ⊃ A_5 ⊃ {1},但 A_5 是非交换的单群——没有更进一步的真正规子群,没有可用的交换商。故 S_5 不可解,任何伽罗瓦群为 S_5 的五次方程都不能用根式求解。我们只需一个落在那里的具体多项式。

Claim:  f(x) = x^5 - 6x + 3  over Q  has Galois group S_5.

Step 1 (irreducible).  Eisenstein at p = 3:
  coeffs of x^4..x^0 are 0, 0, 0, -6, 3; all of -6, 3 divisible by 3,
  leading coeff 1 not, and 3 not divisible by 3^2 = 9.
  => f is irreducible over Q, so 5 | |Gal(f)| and the group is transitive.

Step 2 (a 5-cycle).  Transitive subgroup of S_5 of order divisible
  by 5 contains an element of order 5 (Cauchy) = a 5-cycle.

Step 3 (a transposition).  Count real roots via calculus:
  f'(x) = 5x^4 - 6 has two real critical points, so f has exactly
  3 real roots and 1 complex-conjugate pair.
  Complex conjugation fixes the 3 real roots, swaps the 2 complex
  roots => it acts as a transposition in Gal(f) <= S_5.

Step 4 (generation).  A 5-cycle and ANY transposition together
  generate all of S_5.

  => Gal(f/Q) = S_5,  which is NOT solvable.
  => x^5 - 6x + 3 = 0 cannot be solved by radicals.
艾森斯坦判别 + 实根计数 +「一个 5-循环与一个对换生成 S_5」。