從「一元五次方程」到「群論」的艱辛歷程,那是一首悲壯的史詩

2020-12-03 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。

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  • 三次方程的求解之路
    昔日文明的艱辛,又有多少汗水融入歷史的塵埃?讓我們撥開歷史的迷霧,去看看那些在科學上為人類的福祉奉獻一生、為文明的歷程拋撒淚水的英雄。接下來的三周,我們將以方程為切入點,每周四講述一個科學史上的小故事,緬懷那些為了真理百折不撓的科學英才。
  • 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。
  • 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。
  • N次方程求根公式歷史
    ax+b=0ax^2+bx+c=0ax^3+bx^2+cx+d=0……三次方程求根- 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
  • 一元三次方程的解法的歷史
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  • 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。
  • 一元三次方程的故事
    很久以前,人們就解決了一元一次方程與一元二次方程的求解問題(在初一和初二就會學習到有關內容)。
  • 一元三次方程的解/解一元四次方程
    解一元三次方程
  • 這個無解的方程,拉開了現代數學的帷幕
    遺憾的是,同樣的變換卻將五次方程升階為了六次方程。自此,數學家的腳步被五次方程這一關卡死死攔住,尋找一元多次方程通解公式的進展一度陷入迷局。而有關多次方程的爭論,當時主要集中在了如下兩大問題上。(1)對 次方程,至少都有一個解嗎?(2) 次方程如果有解,那麼它會有多少個解呢?數學王子高斯出馬了。1799 年,他證明了每個 次方程都有且僅有 個解。
  • 一元四次方程怎麼搞定
    一元二次方程的求根公式眾所周知,一元三次方程與一元四次方程求根公式了解的人就不多了,更何況能記住的人。中科大今年自主招生題了就有一道解析幾何最後需要解的是一元四次方程,那我們就來推導一下一元四次方程應該怎麼求解。首先,關於具有一般形式的一元三次方程:
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    這個神級的貢獻讓歐洲數學界一下子認識到了這位少年天才,於是,拉格朗日從青年數學家一躍成為歐洲第一流的數學家了。這一期間,拉格朗日開始把變分法的理論用在力學分析中,從此力學分析進入到一個嶄新的研究階段。再後來,方程從實際問題中剝離開來,並逐漸成為一個純粹的數學研究領域了。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。
  • 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。
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    對於一元二次方程大家耳熟能詳,那對於複雜的一元N次方程(或一元高次方程),它的根的結構以及分布又是怎麼樣的,一元N次方程根的結構存在三種類型:實數根,虛數根,實數和虛數的結合。本文將分析這三種類型情況下根的個數以及它們的分布情況。對於z的整函數Z,求出Z=0的所有的根,就等於求出了整函數Z的所有線性因式。
  • 這個無解的方程,拉開了現代數學的帷幕(9k字)
    遺憾的是,同樣的變換卻將五次方程升階為了六次方程。自此,數學家的腳步被五次方程這一關卡死死攔住,尋找一元多次方程通解公式的進展一度陷入迷局。而有關多次方程的爭論,當時主要集中在了如下兩大問題上。(2) n 次方程如果有解,那麼它會有多少個解呢?數學王子高斯出馬了。1799 年,他證明了每個 n 次方程都有且僅有 n 個解。於是,他推論出五次方程必然有五個解,但這些解都可以通過公式表達出來嗎?
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  • 一元四次方程的根式解
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  • 數學技巧||一元三次方程求解,含分數解!
    這幾天工作之餘,又想到了一種處理方法去求解一元三次方程的根是分數解如何去求解(更高次也適合)的方法。當然整數解也是適合的,只不過算多餘的做法,這個其實算來只是化簡處理,這個就姑且算給前面的文章做個補充說明吧~~~~前面給大家分享了五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(40000+)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
  • 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。
  • 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,