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数学 1824

论代数方程:证明五次一般方程不可(根式)求解

尼尔斯·亨利克·阿贝尔

五次一般方程,没有根式解的公式。

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In depth · the introduction

整整 250 年,数学家们苦苦寻找一个能解任意五次方程的公式。一个 21 岁的挪威人却证明:他们追逐的那个公式,根本不可能存在。

核心想法

你大概学过二次方程的求根公式:把像 x² + bx + c = 0 这样的方程里的数字代进去,答案就出来了——它由这些数字,经加、减、乘、除与开平方根搭成。三次方程(x³……)与四次方程(x⁴……)也有对应的(更繁复的)公式,都是在十六世纪找到的。

顺理成章的下一步,就是为五次方程——即五次的方程——找一个公式。一代又一代人去试,都失败了。阿贝尔道出了原因:根本没有这样的公式,也不可能有。对于五次及更高次的方程,它们的根,在一般情形下,根本无法仅用那些熟悉的运算与开方写出来。他不是没找到这个公式——他证明了:谁也永远找不到。

它是如何诞生的

尼尔斯·亨利克·阿贝尔在挪威的贫寒中长大,他的天赋被一位老师发现,老师出资供他读书。少年时,他一度以为自己「解出」了五次方程——随后又抓出了自己的错误;而这次失败,把他引向了一个更深的问题:也许,谁都找不到那个公式的原因,正是它压根不存在。

一位意大利人保罗·鲁菲尼,自 1799 年起便主张过同样的事,但他的证明留有一个他始终没能补上的漏洞。阿贝尔把它补上了。1824 年,他自费把证明印成一本六页的小册子——为省钱而排得极其拥挤,以至于没几个人能读懂。两年后,他为一份新创的德国数学杂志把它完整重写了一遍。他 26 岁时死于肺结核——恰在迟来的承认终于到来之际。

它为何重要

这是数学头几次证明某件事是「不可能」的——不是「我们还没找到」,而是「它永远找不到」。这是一种不同的、更艰难的知识。为了证明它,阿贝尔(紧接着还有伽罗瓦)发明了思考方程之解的「对称性」的方法,它日后长成了群论——今天,这是整个数学、物理与化学的核心语言之一。

一个可以想象的画面

把它想成一座迷宫,里头你唯一被允许的动作,是那些「根式」动作:加、减、乘、除,以及开方。对于二、三、四次方程,总有一条路,只用这些动作,就能从系数走到答案。阿贝尔却证明:对于一般的五次方程,答案待在一个房间里,而那个房间根本没有任何一扇门,是这些动作所能抵达的。答案是存在的——每个这样的方程确实都有五个根——但任何一串被允许的步骤,都永远走不到它跟前。

一幅可交互的复平面图:用滑块设定方程的次数(2 到 6)和两个系数;根以圆点出现,判定行指出 2、3、4 次有根式公式,5 与 6 次则没有。

它的位置

解方程,是数学最古老的线索之一,从巴比伦的泥板,一路延伸到攻克三次与四次方程的文艺复兴意大利人。阿贝尔终结了寻找五次公式的征程;埃瓦里斯特·伽罗瓦——又一位悲剧性的年轻天才,20 岁死于决斗——则精确解释了究竟哪些方程可解、哪些不可解,从而创立了伽罗瓦理论。他们那基于对称性的思考方式,长成了群论;它后来让物理学家得以描述自然界的种种对称,也支撑着现代密码学。

The original document
Original source text

小册子与它的主张

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.

证明的脉络

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

阿贝尔补上的缺口

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.