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数学 1832

致奥古斯特·谢瓦利埃的信(论方程的可解性)

埃瓦里斯特·伽罗瓦

一个方程能否用根式求解,恰取决于它的对称群能否被拆解为素数阶的步骤。

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In depth · the introduction

一个濒死的二十岁青年,用他生命的最后一夜写下:为什么永远不可能有一个公式去解开所有方程——而就在这件事里,他发明了关于对称的数学。

核心想法

对于二次方程,人人都学过一个公式:根可以由系数经过加、减、乘、除和开平方算出来。这种「用根式求解」,对二次、三次(卡尔达诺公式)和四次方程都行得通。三百年来,数学家们苦苦寻找五次方程的同类公式——却始终没有找到。

伽罗瓦解释了这场寻找为何注定徒劳,并把问题转化成了一个关于对称的问题。每个方程都藏着一组对称——即在不扰动其根之间真实关系的前提下,你可以怎样去重排这些根。伽罗瓦把这组对称称为「群」。他证明:公式是否存在,完全取决于这个群能否被拆解成简单的、素数大小的碎块。对于不超过四次的方程,它总能被拆开;可一到五次,就会冒出一块顽固的、拆不开的碎块——而这,正是一般五次方程没有公式的原因。

它是如何诞生的

埃瓦里斯特·伽罗瓦是个愤怒、天才而又时运不济的年轻人。他两度被法国最顶尖的工程学院拒之门外,两度把自己的发现呈交科学院,又两度遭遇丢失,或被以「无法理解」退回。他是动荡巴黎里一名激烈的共和派,曾因政治入狱,也正在恋爱。

1832 年 5 月 29 日,预料自己将在次日清晨的一场决斗中丧命——那似乎是一桩为名誉而起的纠纷——他彻夜写下一封长信给朋友奥古斯特·谢瓦利埃,争分夺秒地记录脑中的数学。在页边,他潦草地写下「我没有时间了」。拂晓他赴约,腹部中枪,于 5 月 31 日去世,年仅二十。谢瓦利埃在当年九月刊出了这封信,但要等到 1846 年刘维尔为之奔走,世人才终于明白失去的是什么。

它为何重要

伽罗瓦所做的,远不止了结一个三百年的老问题。他发明了一整套思考方式:要研究一个对象,就去研究它的对称。这个想法——群论——如今贯穿了全部数学与物理,从晶体的结构,到自然界的守恒定律,再到为网上信息保密的那些规则。而他所构建的那件具体工具——伽罗瓦理论——至今仍能告诉我们哪些古典几何难题是不可能的:你无法用直尺和圆规三等分任意一个角,也无法把一个立方体倍积,而伽罗瓦的推理,正是其中的缘由。

一个可以想象的画面

把「解出根」想象成打开一个密码保险箱——但你被允许的动作只有开平方、开立方等等,每一种动作都对应转一下表盘。方程的对称群,就像这把锁内部的机械。如果这套机械是由一摞小小的、素数大小的锁簧叠成的,你就能用手上的动作把它们一颗颗弹开。可对于五次方程,里头有一颗锁簧根本没有更小的部件——六十个位置,无法再分——任何根式「转动」的序列,都永远撬不开它。保险箱,永远关着。

一座可交互的阶梯:拖动滑块选择方程的次数(2 到 6),它的对称群便一步步拆成更小的群。绿色的步是素数大小的,意味着方程可以用根式公式求解;从五次起,会出现一个红色的步——一块大小为 60、无法再拆的碎块——于是任何公式都不可能存在。

它的位置

拉格朗日、鲁菲尼,以及挪威人尼尔斯·阿贝尔,都曾绕着这个问题打转;阿贝尔在 1824 年证明了一般五次方程没有根式公式,而伽罗瓦解释了更深的「为什么」,并把一件新工具交到了数学手中。从他的群里,流出了若尔当、戴德金与诺特的抽象代数,流出了现代物理的对称原理,又——经由椭圆曲线的伽罗瓦群——在一百五十多年后流向了费马大定理的证明。寥寥数页,写于烛火之下,重组了一门科学。

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开篇——三篇论文

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.]

群的本征分解

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.]

可解性判据

[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.]

结尾——最后的文字

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
[ … ]