從「一元五次方程」到「群論」的艱辛歷程,那是一首悲壯的史詩

2020-12-13 數學真美

回顧人類文明持續向前發展的每一步,充滿了艱辛與坎坷,特別是從「一元五次方程」到「群論」的歷程,更是一個偶然加必然的意外收穫,無數的數學家為此付出了畢生的精力與心血,年輕的數學家阿貝爾與伽羅瓦在追尋真理的路上英年早逝,為此所作出的重要貢獻,是人類文明進程中最為悲壯的史詩,在歲月的長河中迴響不絕,這到底是怎樣一個令人感慨的故事呢?這還得從我們習以為常的一元一次方程說起。

早在小學的高年級階段,我們就開始接觸「一元一次方程」,在數學史上,「一元一次方程」最早出現於公元前1600年的古埃及時期。經過漫長的歲月,最終於1859年,由中國數學家李善蘭正式譯為一元一次方程。

在一元一次方程出現之前的漫長歲月裡,人們在處理工程、行程、分配、盈虧等問題時,只能使用「算術」這個工具,解決起來非常的困難。當「一元一次方程」發明之後,人們只需尋找等量關係和設未知數,就可以快捷地解決大量生活、生產中的問題。

比起「一元一次方程」來,「一元二次方程」出現得更早。早在公元前2000年左右,古巴比倫的數學家就能解一元二次方程了。大約公元前480年,我們的祖先也已經使用配方法求得了「二次方程」的正根。

公元820年,阿拉伯數學家花剌子模在他的《代數學》中第一次給出了「一元二次方程」的一般解法,也首次承認了包括「無理根」在內的「兩個根」。

隨著社會的發展,更多的問題需要更高次的方程。在16 世紀時,義大利數學家塔塔利亞、卡爾達諾、費拉利等人,分別用「根式法」求解出了三次方程與四次方程的根。

回顧從「一元一次方程」到「一元四次方程」的歷程,雖然經歷了漫長的歲月,但總的來說還算順利。

當數學家們興致勃勃地試圖繼續用「根試法」尋找一元五次方程的解時,卻遇到了前所未有的困難。數學家們經歷了長達三百多年前僕後繼的努力之後,沒有人取得成功。就連大數學家拉格朗日不得不坦言:「這個問題好像是在向人類的智慧挑戰」。

1799年,義大利數學家魯菲尼首次證明了「高於四次的一般方程的不可解性」,但其「證明」 存有缺陷。1818年,年僅16歲的挪威數學家阿貝爾,在研究了魯菲尼等前人總結的成果之後,堅定地對他的老師說:「讓我來解答這一歷史難題吧,我能證明四次以上的方程是否有解。」

年輕而聰明的阿貝爾經歷了六年時間的艱辛努力,於1824年,他修正了魯菲尼論證中的缺陷,還證明了魯菲尼之前未加證明的關鍵性命題,人們稱之為阿貝爾定理,這也是最早的「置換群」的思想,阿貝爾就是應用這一思想證明了「高於四次的一般方程」不能有「根式解。」

1824年,阿貝爾將他這篇生命中最為重要的研究成果寫成論文《一元五次方程沒有代數一般解》,寄給了當時的數學權威高斯,可惜並沒有得到高斯的回覆。後來他又寄給科學院秘書傅立葉,這位大數學家由於工作實在是太忙,只是匆匆地讀了論文的引言,便交給了大數學家柯西審查,結果柯西將論文帶回家中之後,競然弄丟了。

無奈之下,阿貝爾最終於1826年將它的論文刊登在了朋友新創辦的雜誌第一期上。人們將他的成果與魯菲尼的成果合稱為「阿貝爾—魯菲尼定理」。

阿貝爾—魯菲尼定理證明了「五次及更高次的代數方程沒有一般的代數解法」,但是也發現有的方程能用根式解。來不及給出判斷證明什麼情況下能用根式解,什麼情況下又不能用根式解。年輕的阿貝爾的才能由於沒能及時得到學術界的認可,以至於他連最基本的生活都無法得到保障,一直處於貧病交加的困境之中,來不及完成這些工作,就因病去世了。

阿貝爾逝世之後,他的遺作有一篇未完成的手稿:「關於函數的代數解法」,為後來伽羅瓦遺作的出版開闢了道路。幾年後,伽羅瓦接過他的工作,用「群」的方法徹底解決了「代數方程」的可解性理論問題,也就是後來著名的「伽羅瓦理論」。

1829年,伽羅瓦將他在代數方程解的結果呈交給法國科學院,沒想到這次論文跟阿貝爾的論文的命運一樣,也落到柯西的手裡被弄丟了。

真是屋漏偏遭連夜雨,當伽羅瓦在學術上處處碰壁的時候,噩耗傳來了,他的父親因為在政治活動中被人惡意中傷而自殺。

在學術上心灰意冷的伽羅瓦轉向了政治運動,為他的父親復仇。1830年12月,伽羅瓦因抨擊校長被學校退學,最終因政治原因下獄。在監獄中,伽羅瓦依然放不下他熱愛的數學研究,不斷地修改著他那篇不被學術界認可的論文。

1832年3月,他在獄中狂熱地愛上了一位醫生的女兒,並且接受了情敵的決鬥。在決鬥前的那一個晚上,他已經心無所戀,唯一放心不下的就是他這些年來苦心研究出來的數學成果。他交代他的朋友,在他死後一定要將這些數學成果想辦法公之於眾。

他的朋友按照他的遺願將這些數學論文寄給眾多的數學家,以期得到幫助,但是都石沉大海。直到1843年,這篇論文才被大數學家劉維爾看到。

劉維爾注意到了伽羅瓦用「群論」的方法去討論方程式的可解性,他被伽羅瓦這種獨創而深邃的理論所震憾。劉維爾經過三年時間的努力,終於將這一偉大成果公之於眾。

「一元五次方程」是否有根式解這一延續了三百多年的難題終於塵埃落定。數學家們在漫長的歲月裡解決這一難題的過程中,所收穫的意外成果遠遠大於所得到的答案本身。特別是伽羅瓦所做的工作,使得一門嶄新的數學分支「群論」誕生。伽羅瓦的一整套想法現稱為伽羅瓦理論,構成了當代「代數」與「數論」的基本支柱之一。

人們都說,如果阿貝爾和伽羅瓦等年輕的數學家能夠活到像高斯一樣的年齡,那麼他們所能做出來的成就是無法想像的。然而假設永遠只是假設,他們就像流星一樣過早地消失在了人類文明的夜空,這一切永遠都是人類無法彌補的遺憾,唯有他們的名字,被永遠地鐫刻在人類歷史的豐碑上,被人們所傳頌。

相關焦點

  • 這個方程令無數的數學家為之痴迷,還促使了偉大的「群論」誕生
    16 世紀,數學家們成功地用「根式」解決了二次、三次與四次方程的求解問題之後,接著對方程進行了更加深入的研究。當數學家們試圖求解「一元五次方程」的時候,忽然發現無法用「根式」求解了。在之後的近三百年裡,無數的數學家沉迷於「五次方程」的破解,成了數學界最迷人的挑戰之一,但一直沒有人獲得成功。1770 年,拉格朗日發表了《關於代數方程解的思考》,他討論了人們所熟知的解二、三、四次方程的一切方法,並且指出「這些成功解法」無法解出五次以及更高次的方程。
  • 一元三次方程
    比如,從四則運算到微積分,從歐式幾何到微分幾何,從簡單代數到群論,無一不是真正的數學思想革命。跟自己其他的「naive」想法相比,對一元三次方程的推導求解不僅滿足了當時的自己對「複雜」公式的追求,同時也給自己揭開了數學大世界的一角。對數學的熱愛與敬畏也許都是從那個時候開始的。閒話少說,開始今天的問題。初中學過一元二次方程的解法,其公式和推導並不複雜。
  • N次方程求根公式歷史
    - Italy 費羅,France 伽羅瓦-古希臘人已經有了二次方程的求根公式;16世紀,義大利數學家費羅,給出了三次方程x^3+mx+n=0的解。看起來,這個方程似乎不具有一般解的意義,因為少了x的二次方項。但實際上,任何形式的三次方程都可以化為這種形式,也就是說,費羅的求解具有一般性。接下來,大家要考慮四次,五次,和更高次方程的根式解。其中,五次方程在很長一段時間內,沒有人能得到解的形式。
  • 網友問:一元多次方程有通解嗎?
    一般形式的一元多次方程,只有一、二、三、四次方程有通解,高於五次(包括五次)的方程沒有通用的根式解。這是數學中的一個定理,伽羅瓦發明群論後,他首先闡述了根式解存在的條件;然後由阿貝爾最早得到證明;可惜伽羅瓦和阿貝爾都英年早逝,成為數學界的一大遺憾。
  • 解五次方程,竟然要靠蒙?
    「別說一元二次,一元三次,一元四次我都不怕!」阿坤聽不下去了,「打住。。。(只含有一個未知數,且未知數項的最高次數為4的整式方程)一元五次方程小天:「我剛才看到有四元術,咱們古人那麼聰明,咋沒弄個五元的解法?」阿坤深沉地說道:「因為,五次方程,要靠蒙!」
  • 跨越1000餘年的一元代數方程求解,2、3、4次均存在根式解
    一元四次代數方程卡爾達諾的助手費拉裡利用配方的方法,將四次方程的求解問題轉化為三次和二次方程的求解問題,從而得到了一元四次代數方程的求根公式。接下來介紹一下,一元四次代數方程求根公式的推導過程。求解三次方程(9)解得y後,代入方程(8)後,兩邊開方可以得到兩個一元二次方程。解這兩個二次方程,得到原四次方程的四個根。一元五次及更高次代數方程自從一元四次方程的求根公式問世之後的三個世紀裡,數學家們都在尋找五次或更高次的方程的求根公式上。
  • 一元三次方程的解法的歷史
    人類很早就掌握了一元二次方程的解法,但是對一元三次方程的研究,則是進展緩慢。古代中國、希臘和印度等地的數學家,都曾努力研究過一元三次方程,但是他們所發明的幾種解法,都僅僅能夠解決特殊形式的三次方程,對一般形式的三次方程就不適用了。  在十六世紀的歐洲,隨著數學的發展,一元三次方程也有了固定的求解方法。在很多數學文獻上,把三次方程的求根公式稱為「卡爾丹諾公式」,這顯然是為了紀念世界上第一位發表一元三次方程求根公式的義大利數學家卡爾丹諾。
  • 一元三次方程求解史話
    節選自《數學之友》2011年第12期作者:南京師範大學數學科學學院 肖雲霞人類很早就解決了一元一次方程與一元二次方程的求解問題,使其求解有固定的公式,但是對一元三次方程的研究卻進展緩慢。古於是對一元三次方程通解的尋求使眾多數學家陷入了困境,許多人的努力都以失敗而告終。 帕西奧利(Luca Pacioli,1445-1517)1494年,義大利數學家帕西奧利對一元三次方程進行了艱辛的探索,然後作出及其悲觀的論斷,他認為在當時的數學中,求解一元三次方程,猶如畫圓為方的問題一樣,是根本不可能解決的,這種失敗的悲嘆,卻成為16世紀義大利數學家迎接挑戰的號角。
  • 這個無解的方程,拉開了現代數學的帷幕
    為什麼數學家對五次方程如此迷戀?因為在五次方程的求解過程中,數學家們第一次鑿開了隱藏在冰山下的現代科學,將數學帶入了精妙絕倫的現代群論。我們重新回到群論源頭的那個歷史難題:一般的五次方程是否有通用的根式求解?這本質上涉及的是數學史上最古老也最自然的一個問題:求一元多次方程的根。早在古巴比倫時期,人們就會解二次方程。
  • 一元三次方程的故事
    然而對一元三次方程的求解卻使眾多的數學家們陷入了困境,許多人的努力都以失敗而告終。1494年,義大利數學家帕西奧利(Luca Pacioli ,1445–1517)對三次方程進行過艱辛的探索後作出極其悲觀的結論。他認為在當時的數學中,求解三次方程,猶如化圓為方問題一樣,是根本不可能的。這種對以前失敗的悲嘆聲,卻成為16世紀義大利數學家迎接挑戰的號角。
  • 就算你是拉格朗日,你也解不開五次方程的曠世難題
    1608年,德國數學家羅特提出一個猜想:任意複數系的一元n次方程有且僅有n個復根。卡爾達諾可是人們再繼續推進多次方程根式解法時,卻遭遇到了難以想像的困難。人們把之前所有的探索方式都在五次方程解法上用了個遍,無一例外都失敗了。
  • 為什麼老師從不講一元三次方程的求解?
    一元三次方程(一)歷史背景在很多數學文獻上,把三次方程的求根公式稱為「卡爾丹公式」。歷史事實並不是這樣,數學史上最早發現一元三次方程通式解的人,是十六世紀義大利的另一位數學家尼柯洛·馮塔納。(2)一元三次方程的簡化對於一元三次方程的解答,也和一元二次方程一樣的思路,需要將其轉換為一個簡單的三次方程和一個一般一元二次方程:
  • 群論的創立:兩個少年天才的接力
    隨著數論、代數方程和幾何等研究方向的發展,「群論」這個無比重要的數學領域被開創建立。而這一偉大的貢獻,則來自一位英年早逝的數學天才少年。自然界遍布蟲草花鳥,人類社會處處有標誌性的藝術和建築,這些事物無一不體現出對稱的和諧與美妙。幾何圖形的對稱不難理解,當人們說到「故宮是左右對稱的」,「地球是球對稱的」,「雪花是六角形對稱的」,每個人都懂得那是什麼意思。不過,數學家們總是喜歡認死理,硬要用他們獨特的語言來定義對稱。
  • 法國數學家伽羅華,創立群論的基本思想,逝世後研究也未獲得重視
    在伽羅華17歲那年,他開始問數學中最困難的一般,次方程求解問題發起挑戰。我們知道,一般的二次方程的解,要對係數的一個函數求平方根。要得出三次方程的一般解,就要對係數的函數開立方。一般四次方程的解,要求開四次方。但一般五次方程的解是否也能用加減乘除開方這五種運算的代數方法,從方程的係數得出呢?許多人為之耗去許多精力,但都失敗了。
  • 你會解一元二次方程嗎?三次呢?(上)
    在求解多項式方程這條道路上,初中畢業,一般人就會解一元二次方程了,但到高中畢業,大多數人還是只會解一元二次方程,即便到了大學畢業,如果不是學數學或理論物理相關專業的,很可能也還是只會解一元二次方程。你會解一元三次方程嗎?
  • 數學技巧||一元三次方程求解,大除法解一元三次方程!
    本來我上次說或許不會再更新了關於這篇文章,但是想到這個和前面的一篇方法類似,給大家做個補充說明吧~~~~前面給大家分享了四篇關於解一元三次方程的一些特殊技巧,現在在知乎上有了越來越多的閱讀和回答,問的人也很多,這裡再給大家寫一個另一類的解法吧,前面寫的文章如下 :數學技巧||個人高中偶然發現的一個數學技巧【十字交叉法】
  • 無法解出的方程
    一些歷史學家推測,或許是為了保護民眾不受到這些騙子的傷害,盡責的古代數學家們將二次方程及其解法公之於眾。比如在一塊楔形文字泥板上就有這樣的問題「我從我的正方形面積中減去邊長得870。」即二次方程x2-x=870。在泥板上,數學家們列出了詳細的解法。    還記得中學學到的那個咒語般的公式解法嗎?
  • 代數方程的最高成就:一元四次方程的魔力
    前面相關文章,對一元三次方程的討論已經非常詳細,義大利數學家費拉裡在卡爾達諾有關三次方程的基礎上的得出一元四次方程的解法,轟動一時。值得一提的式費拉裡是卡爾達諾的僕人,通過自學成為洛尼亞大學的數學教授,一元四次方程顯示了高超的數學技巧。
  • 群論簡史及其在物理和化學中的應用
    Late 1700s- Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) 利用置換的概念,理解了三次和四次方程為什麼有解。(Paolo Ruffini利用同樣的思想證明了一般的五次或以上方程沒有根式解)Early 1800s-Évariste Galois (killed in a duel in 1832 at age 20), and NielsAbel (died in 1829 at age 26 of TB) 闡述了代數方程的可解性和置換群的聯繫,
  • 一元一次方程太貴,別人一元三次方程呢!
    一上網課,老師在群裡提醒大家要講一元一次方程,群裡的對話亮了。