VMath
Инструменты сайта
Основное
Навигация
Информация
Действия
Содержание
Вспомогательная страница к разделу ПОЛИНОМ
Решение уравнений в радикалах
Можно ли выразить корни полинома $ f(x)=a_<0>x^n+a_1x^
Задача. Найти выражения корней полинома степени $ n > 2 $ в виде функций его коэффициентов; при этом функции должны представлять конечную комбинацию элементарных алгебраических операций и операций извлечения корней произвольных (целых) степеней.
Поставленная задача называется задачей о разрешимости уравнения в радикалах 1) .
Оказывается, что любое уравнение третьей или четвертой степени разрешимо в радикалах. Перед тем, как изложить способы их решения, сделаем два упрощения. Первое из них заключается в том, что уравнение $ f_<>(x)=0 $ делится на старший коэффициент полинома $ f_<>(x) $.
Полином называется нормализованным, если его старший коэффициент равен $ 1_<> $. Операция деления полинома на его старший коэффициент называется нормализацией полинома.
Очевидно, что нормализованный полином имеет те же корни (и в тех же кратностях ), что и исходный. Для простоты обозначений, будем считать, что полином уже нормализован: $$ f(x)=x^n+a_1x^
Второе упрощение заключается в замене переменной (подстановке): $ x=y +\alpha $. Ее результатом будет новый полином той же степени, что и исходный, относительно переменной $ y $: $ F(y)\equiv f(y+\alpha) $. Корни нового полинома связаны (cм. преобразование 2 ☞ ЗДЕСЬ ) с корнями старого по формуле $ \lambda_j = \Lambda_j+\alpha $; так что, найдя корни одного полинома, легко установим и корни другого. Подберем теперь параметр $ \alpha $ так, чтобы обратить в нуль коэффициент при $ y^
Уравнение третьей степени: формула Кардано
Рассмотрим уравнение третьей степени: $$ x^3+p\,x+q=0 $$ Сделаем в этом уравнении замену переменной: $ x=u+v $, введя две неизвестные $ u_<> $ и $ v_<> $; получим: $$ u^3+v^3+3\,uv(u+v)+p(u+v)+q=0 \ . $$ Сгруппируем: $$ u^3+v^3+(3\,uv+p)(u+v)+q=0 \ . $$ Подчиним теперь неизвестные $ u_<> $ и $ v_<> $ условию $$ 3\,uv+p=0 \ \iff \ uv=-\frac
<3>\ . $$ Тогда предыдущее уравнение приведется к виду $$u^3+v^3=-q \ . $$ Итак, для определения неизвестных величин $ u_<> $ и $ v_<> $ мы получили систему уравнений $$ u^3+v^3=-q,\ uv=-\frac
<3>. $$ Возведя последнее уравнение в куб, получим $$ u^3v^3=-\frac
Выражение $$ \Delta = \frac
Решив квадратное уравнение, получим: $$ u^3=-\frac<2>+ \sqrt<\Delta>,\ v^3=-\frac
<2>— \sqrt <\Delta>\ . $$ В итоге имеем формулу для решений уравнения: $$ x=u+v=\sqrt[3]<-\frac
<2>+\sqrt<\frac
<2>-\sqrt<\frac
Исторические заметки об открытии метода решения кубического уравнения ☞ ЗДЕСЬ.
Формула Кардано не очень удобна для практических вычислений. Дело в том, что корень кубический из комплексного числа принимает три различных значения. Решение же, представленное формулой Кардано, имеет в правой части комбинацию из двух кубических корней. Таким образом, получаем 9 всевозможных комбинаций из значений корней кубических. С другой стороны, основная теорема высшей алгебры утверждает, что кубическое уравнение должно иметь только три решения. Для того, чтобы установить соответствие между значениями $ u_<> $ и $ v_<> $, обратимся к условию $ uv=-p/3 $ . Согласно этому условию, задание значений для $ u_<> $ позволит однозначно восстановить $ v_<> $. Пусть $$ u_1=\sqrt[3]<-\frac<2>+\sqrt<\frac
<3u_1>\ , $$ то решения кубического уравнения можно выразить в виде комбинаций $ u_1 $ и $ v_1 $: $$ \begin
Пример [1]. Решить уравнение $ x^3-6<\mathbf i>\,x^2-10\,x+8 <\mathbf i>=0 $.
Решение. Подстановка $ x=y+2 <\mathbf i>$ приводит уравнение к виду $$y^3+2\,y+4 <\mathbf i>=0 \ , $$ т.е. $ p=2,\,q=4 <\mathbf i>$. Далее $$\Delta=-\frac<100> <27>\ \Rightarrow \ \sqrt <\Delta>= \pm \frac<10 <\mathbf i>><3\sqrt<3>> \ \Rightarrow \ u_1=\sqrt[3]<\left(-2 + \frac<10><3\sqrt<3>> \right)<\mathbf i>> \ . $$ Одно из значений последнего корня: $$u_1=-<\mathbf i>\, \sqrt[3]<-2 + \frac<10><3\sqrt<3>>> \ , $$ это выражение можно упростить, если повезет заметить, что подкоренное выражение равно $ \left(-1+1/<\sqrt<3>>\right)^3 $: $$u_1=<\mathbf i>\left(1-\frac<1><\sqrt<3>>\right)\ \Rightarrow \ v_1=-\frac
<3u_1>= <\mathbf i>\left(1+\frac<1><\sqrt<3>>\right) \ . $$ Получаем: $$\mu_1=2\, <\mathbf i>,\ \mu_2=1- <\mathbf i>,\ \mu_3=-1- <\mathbf i>\ .$$ Значения корней исходного уравнения получатся «сдвигом» на $ 2 <\mathbf i>$.
Анализ формулы Кардано для полиномов с вещественными коэффициентами
Пусть коэффициенты $ p^<> $ и $ q^<> $ уравнения $ x^<3>+p\,x+q=0 $ вещественны. Тогда и дискриминант $$ \Delta = \frac
I. Пусть $ \Delta>0 $. Тогда $ \sqrt <\Delta>$ является числом вещественным, и мы будем считать его положительным. В формуле для $ u_1=\sqrt[3]<-q/2+\sqrt<\Delta>> $ в качестве значения кубического корня возьмем единственное его вещественное значение: $$ u_1 \in \mathbb R \ \Rightarrow \ v_1 \in \mathbb R \ .$$
Согласно формулам $$ \begin
Пример. Решить уравнение $$ x^3-\frac<1> <2>\, x-\frac<1> <2>=0 . $$
Решение. Здесь $$p=-\frac<1><2>,\ q=-\frac<1><2>,\ \Delta=\frac<25><432>,\ u_1=\sqrt[3]<\frac<1><4>+\frac<5 \sqrt<3>><36>> \ , \ v_1=\sqrt[3]<\frac<1><4>-\frac<5 \sqrt<3>><36>> \ . $$ Единственный вещественный корень должен получаться в виде суммы чисел $ u_ <1>$ и $ v_ <1>$ — «сильно» иррациональных, судя по внешнему виду. Тем не менее, этот корень очевиден: $ \lambda = 1 $.
Объяснить эту кажущуюся несуразность можно если заметить, что выражения под кубическими корнями в $ u_ <1>$ и $ v_ <1>$ представимы в виде кубов: $$\frac<1><4>+\frac<5 \sqrt<3>><36>=\left(\frac<1> <2>+\frac<\sqrt<3>> <6>\right)^3 ,\quad \frac<1><4>-\frac<5 \sqrt<3>><36>=\left(\frac<1> <2>-\frac<\sqrt<3>> <6>\right)^3 \ .$$ Тогда и два оставшихся корня $ -1/2 \pm 1/2 \, \mathbf i $ получаются из общих формул. ♦
II. Пусть $ \Delta=0 $. Формулы для корней дают $$ \lambda_1=2 \sqrt[3] <-q/2>\ , \ \lambda_2= \sqrt[3] , \ , \lambda_3= \sqrt[3]
\ , $$ т.е. уравнение имеет кратный корень кратности $ 2_<> $ если $ q\ne 0 $ и кратности $ 3_<> $ если $ q=0 $.
III. Пусть $ \Delta ♦
В только что рассмотренном примере формула Кардано позволяет получить вещественные корни полинома — даже если для их выражения приходится иметь дело с мнимыми числами. Попробуем, однако, применить тот же прием ко следующему примеру.
Пример [2]. Решить уравнение $ x^3-3\,x+1=0 $.
Решение. Здесь $ \Delta=-\frac<3> <4>$ и $ u_1=\sqrt[3]<-\frac<1> <2>+ \frac<\sqrt<3>><2>\, \mathbf i> $. $$\sqrt[3]<-\frac<1> <2>+ \frac<\sqrt<3>><2>\, \mathbf i>= \alpha+ \mathbf i\, \beta \ \Rightarrow \ 4\, \alpha^3-3\, \alpha +\frac<1> <2>=0 \ . $$ Умножив последнее уравнение на $ 2_<> $ и сделав в нем замену переменной $ A = 2\alpha $ мы придем к уравнению $$A^3-3\, A +1 =0 \ , $$ т.е. вернемся к исходному уравнению!
Вывод: все корни полинома вещественны, но в радикалах их можно представить только с помощью мнимых чисел. ♦
Как разрешить этот парадокс?
Как получить вещественный вид для корней полинома? На помощь приходит альтернативный алгебраическому способ извлечения корня кубического из комплексного числа: способ, основанный на представлении этого числа в тригонометрической форме.
Теорема. В случае $ \Delta ♦
Пример. Решить уравнение из предыдущего примера: $ x^3-3\,x+1=0 $.
Решение. Здесь $ p=-3, q=1 $ и $ \displaystyle \varphi = \operatorname
Ответ. $$ 2 \cos \frac<2\pi> <9>\approx 1.53208 \ ,\quad 2 \cos \frac<8\pi> <9>\approx -1.87938\ , \quad 2 \cos \frac <-4\pi> <9>\approx 0.34729 \ . $$ Проверка может быть выполнена применением формулы приведения для степени косинуса, приведенной ☞ ЗДЕСЬ.
Пример. Решить уравнение $ x^3-6\,x+3=0 $.
Решение. Здесь $ p=-6, q=3 $ и $ \displaystyle \varphi = \operatorname
Ответ. $ \approx 2.145103,\ \approx -2.669079,\ \approx 0.523976 $.
Уравнение четвертой степени
рассмотрим в виде: $$ x^4+p\,x^2+q\,x+r=0 , $$ перепишем его в виде $$x^4=-p\,x^2-q\,x-r $$ и прибавим к обеим частям $ x^2t+t^2/4 $, где $ t $ — новая неизвестная: $$ x^4+x^2t+t^2/4=(t-p)\,x^2-q\,x +(t^2/4-r) \ . $$ Левая часть получившегося уравнения является полным квадратом: $$ \left(x^2+t/2 \right)^2 =(t-p)\,x^2-q\,x+(t^2/4-r) \ . $$ Подберем теперь значение $ t $ так, чтобы и правая часть стала полным квадратом.
Теорема. Для того, чтобы квадратный полином $ Ay^2+By+C $ был квадратом полинома первой степени, необходимо и достаточно, чтобы его дискриминант $ B^2-4\,AC $ был равен нулю.
Доказательство. Необходимость. Если $ Ay^2+By+C\equiv (ky+ \ell)^2 $, то $ A=k^2,\, B=2\,k\ell,\, C=\ell^2 $ и тогда очевидно $ B^2-4\,AC=0 $.
Применяя этот результат к правой части полученного уравнения, находим условие на параметр $ t $, при котором это выражение станет полным квадратом: $$ q^2-4\,(t-p)(t^2/4-r)=0\ \iff \ t^3-p\,t^2-4\,r\,t+(4\,pr-q^2)=0 $$ Это уравнение называется резольвентой Феррари для уравнения $ x^4+p\,x^2+q\,x+r=0 $.
Поскольку резольвента Феррари является уравнением кубическим, то его можно разрешить в радикалах по методу изложенному ВЫШЕ. Обозначим через $ t_1 $ какой-то из его корней. При этом значении $ t $ правая часть уравнения $$ \left(x^2+t/2 \right)^2 =(t-p)\,x^2-q\,x+(t^2/4-r) \ . $$ будет полным квадратом: $$ (t_1-p)\,x^2-q\,x+(t_1^2/4-r) \equiv \left(Kx+L \right)^2 \quad npu \quad \ K= \sqrt<2\sqrt
Если обозначить корни этих квадратных уравнений через $ x_1,x_2 $ и, соответственно, $ x_3,x_4 $, то они будут связаны с корнем $ t_ <1>$ резольвенты Феррари равенством $ t_1=x_1x_2+x_3x_4 $. В самом деле, это равенство следует из двух формул Виета: $ x_1x_2=t_1/2-L,\, x_3x_4=t_1/2+L $. Остальные корни резольвенты получаются в результате перестановок $ t_2=x_1x_3+x_2x_4,\, t_3=x_1x_4+x_2x_3 $.
Пример [2]. Решить уравнение $ x^4+4\,x-1=0 $ .
Решение. Здесь $ p=0,\,q=4,r=-1 $ и резольвента Феррари имеет вид $$t^3+4\,t-16=0 \ .$$ Последнее уравнение имеет корень $ t_1=2 $. Следовательно, исходное уравнение можно переписать в виде: $$ (x^2+1)^2 =\left(\sqrt<2>x- \sqrt<2>\right)^2 \ . $$ Оно распадается на два квадратных: $$ x^2+1=\sqrt<2>\, x- \sqrt <2>\ u \ x^2+1=-\sqrt<2>\, x + \sqrt <2>\ . $$
Преобразование Чирнгауза
Успех, достигнутый в решении уравнений третьей и четвертой степени побудил исследователей искать подобные формулы для уравнений высших степеней. Методология подхода была очевидна: свести решение уравнения $ n_<> $-й степени к решению уравнения $ (n-1)_<> $-й степени. Одну из возможных вариаций этого подхода поясним на примере.
Пример. Решить уравнение $ x^3+6\,x-2=0 $.
Решение. Обозначим неизвестные корни полинома $ f(x)=x^3+6\,x-2 $ через $ \lambda_1,\lambda_2, \lambda_3 $. Построим полином $ F_<>(y) $, корнями которого являются величины $$ \mu_j=\lambda_j^2+2\, \lambda_j+4 . $$ Выражение $$F(y)= (y-\mu_1)(y-\mu_2)(y-\mu_3)$$ является симметрическим полиномом относительно $ \lambda_1,\lambda_2 $ и $ \lambda_ <3>$. Следовательно, по теореме Гаусса о симметрических полиномах, коэффициенты $ F_<>(y) $ должны полиномиально выражаться через коэффициенты $ f_<>(x) $, т.е. быть числами целыми. Опуская промежуточные выкладки, приведем окончательный результат: $$F(y)\equiv y^3-108 .$$ Корни этого полинома легко определить: $$ \mu_1=3\sqrt[3]<4>,\ \mu_2= 3\sqrt[3] <4>\left(-\frac<1> <2>+\mathbf i \frac<\sqrt<3>> <2>\right),\ \mu_3= 3\sqrt[3]<4>\left(-\frac<1> <2>-\mathbf i \frac<\sqrt<3>> <2>\right) \ . $$ Теперь находим $ \lambda_
Подобное преобразование полинома $ f_<>(x) $ в полином $ F_<>(y) $ той же степени, имеющий корнями числа $ g(\lambda_1),\dots, g(\lambda_n) $ при произвольном полиноме $ g(x)\in \mathbb A[x] $, называется преобразованием Чирнгауза.
Биографические заметки о Чирнгаузе ☞ ЗДЕСЬ.
Задача. Найти такое преобразование Чирнгауза, которое преобразует исходный полином к виду $ y^n-a $. Корни последнего, очевидно, выражаются в радикалах. Если при этом, $ \deg g ♦
Следующий способ нахождения преобразования Чирнгауза является развитием метода Безу вычисления результанта.
Найдем остатки от деления $ x^kg(x) $ на $ f_<>(x) $ $$ g_k(x) = b_
Теорема [Эрмит]. Имеем:
Доказательство. Равенства $$y=g(x),\, xy=g(x)x,\, \dots, x^
Пример. Решить предыдущий пример по методу Эрмита.
Решение. Имеем $$g_0(x)\equiv g(x)=-1+x+x^2, \ g_1(x)=-3+x+x^2, \ g_2(x)=-3-x+x^2 $$ и, следовательно, $$F(y)=(-1)^3\left| \begin
Будем решать теперь вторую из сформулированных выше подзадач: подобрать преобразование Чирнгауза таким образом, чтобы обнулить как можно большее число коэффициентов у полинома $ F_<>(y) $.
Пример. Для полинома $ f(x)=x^3+a_1x^2+a_2x+a_3 \in \mathbb C[x] $ подобрать преобразование Чирнгауза вида $ y=x^2+b_1x+b_2\in \mathbb C[x] $ так, чтобы получившийся в результате преобразования полином имел вид $ F(y)=y^3+c_3 $.
Найти преобразование Чирнгауза, позволяющее решить в радикалах уравнение $ x^3+a_1x^2+\frac<1><3>\, a_1^2x+a_3=0 $.
Статья не закончена!
Разрешимость в радикалах
Успех достигнутый в решении уравнений третьей и четвертой степени побудил исследователей искать подобные формулы для уравнений высших степеней. Методология подхода очевидна из предыдущих пунктов: свести решение уравнения $ n_<> $-й степени к решению уравнения $ (n-1) $-й степени. Однако, несмотря на почти трехвековые усилия лучших математиков мира, решить уравнение пятой степени не удавалось. Наконец, в начале XIX века был получен отрицательный результат.
Теорема [Руффини, Абель]. Уравнение степени выше четвертой в общем случае неразрешимо в радикалах.
Пример. Уравнение $ x^5-4\, x -2=0 $ неразрешимо в радикалах.
Установить разрешимо или нет данное конкретное уравнение в радикалах возможно с помощью теории, развитой французским математиком Галуа.
Пример. Уравнение $ x^5+x+1=0 $ разрешимо в радикалах, поскольку $ x^5+x+1\equiv (x^2+x+1)(x^3-x^2+1) $.
Отрицательный характер результата теоремы Руффини-Абеля не должен слишком уж разочаровывать. Он означает только лишь то, что корни полинома нельзя представить в виде формулы, состоящей из конечного набора сравнительно простых функций. Тем не менее, если расширить класс допустимых в формуле функций (или допустить бесконечность числа операций), представление для корня можно найти. Cм., к примеру,
Наконец, для практических задач часто более важна не столько «красивая» аналитическая формула для корня, сколько приближенное его значение с требуемой точностью.
Задачи
Источники
[1]. Журавский А.М. Сборник задач по высшей алгебре. М.-Л.ГТТИ. 1933
[2]. Uspensky J.V. Theory of Equations. New York. McGraw-Hill. 1948
[3]. Калинина Е.А., Утешев А.Ю. Теория исключения: Учеб. пособие. СПб.: НИИ Химии СПбГУ, 2002. 72 с.
Уравнение, не решаемое в радикалах
С реди великих ученых прошлого выделяется человек, не доживший и до двадцати одного года, но успевший за столь короткую жизнь сделать великое открытие в области алгебры. Все его научные труды занимают всего 60 страниц, содержание которых не давало покоя математикам всего мира в течение целого столетия. Это выдающийся французский математик Эварист Галуа.
В предрассветные часы 30 мая 1832 года, перед дуэлью, на которой оборвется его жизнь, Галуа написал своему другу Огюсту Шевалье: «Я открыл в анализе кое-что новое. Некоторые из этих открытий касаются теории уравнений, другие — функций, определяемых интегралами.
В теории уравнений я исследовал, в каких случаях уравнения разрешаются в радикалах, что дало мне повод углубить эту теорию и описать все возможные преобразования уравнения, допустимые даже тогда, когда оно не решается в радикалах.
Из этого можно сделать три мемуара…
Обратись публично к Якоби и Гауссу и попроси их высказать свое мнение, но не о верности теорем, а об их значении.
Я надеюсь, что после этого найдутся люди, которые сочтут для себя полезным навести порядок во всей этой неразберихе».
Открытие математики
Эварист Галуа родился 25 октября 1811 года в городе Бур-ла-Рен близ Парижа. Его отец Никола Габриэль Галуа был сторонником Наполеона; он был избран мэром Бур-ла-Рена в 1815 году, во время наполеоновских «Ста дней».
Официально обучение Галуа началось в 1823 году, когда он поступил в Королевский лицей Людовика Великого — парижскую приготовительную школу, в которой в свое время учились Робеспьер и Виктор Гюго (эта школа существует и по сей день). В лицее сформировались политические взгляды Галуа. Антироялистские симпатии, переданные ему родителями, совпадали с политическими взглядами большинства лицеистов.
В первый год пребывания Галуа в лицее отношения между лицеистами и новым директором школы были весьма натянутыми. Лицеисты подозревали его в намерении отдать школу иезуитам, которые символизировали реакцию, пришедшую на смену наполеоновской эпохе. Ученики доступными им средствами выражали свой протест: отказывались петь в церкви, отвечать в классе, провозглашать тост за здоровье Людовика XVIII на школьных банкетах. Директор исключил сразу сорок учеников как зачинщиков. Галуа не исключили (и неизвестно, принимал ли он участие во всем этом), но произвол директора, несомненно, усилил недоверие Галуа к властям.
В первые годы обучения Галуа завоевал несколько наград по греческому и латыни и получил полдюжины хвалебных отзывов. Правда, на третьем курсе лицея он недостаточно хорошо занимался по классу риторики и был оставлен на второй год. Галуа было тогда пятнадцать лет. Занятия в его классе вел Ипполит Жан Вернье, который пробудил в Галуа интерес к математике. Без труда освоив учебную программу, он сразу взялся за работы выдающихся ученых того времени, увлеченнно изучил книгу геометра Лежандра и труды Лагранжа «Решение алгебраических уравнений», «Теория аналитических функций» и «Лекции по дифференциальному исчислению». По-видимому, Вернье по достоинству оценил талант своего ученика: в отзыве на отчет Галуа за триместр он пишет о «старании и успехе», «старании и очень заметном прогрессе».
Открыв для себя мир математики, Галуа сильно переменился. Он стал небрежно относиться к занятиям по другим предметам, чем вызвал недовольство учителей по гуманитарным наукам. Преподаватели риторики называют его рассеянным, в отчете за триместр и в отзывах появляются слова «замкнутый», «странный», «своеобразный». Даже Вернье, который не стремился охладить страсть Галуа к математике, советовал ему заниматься более систематически. Галуа не последовал совету: он решил держать вступительный экзамен в Политехнический институт на год раньше и без обычного подготовительного курса по математике. И провалился, так как недостаточно глубоко знал ее основы.
У истоков теории групп
Галуа считал, что с ним обошлись несправедливо, провал еще более настроил его против властей. Тем не менее он продолжал делать успехи в математике и записался в лицее в математический класс более высокого уровня, который вел очень опытный преподаватель Луи Поль Эмиль Ришар. Ришар сразу понял, сколь одарен Галуа, и обратился с просьбой принять в Политехнический институт без экзаменов. Просьба эта последствий не возымела, но одобрение Ришара оказало на юношу чудесное влияние. В марте 1829 года, когда Галуа был еще студентом, вышла его первая статья. Она называлась «Доказательство одной теоремы о периодических непрерывных дробях» и появилась в журнале Annales de mathématiques pures et appliquées, который издавал Жозеф Диаз Жергон.
Однако тема статьи была в стороне от главных научных интересов Галуа. В то время он уже обратился к теории алгебраических уравнений, которую начал изучать по трудам Лагранжа. В возрасте семнадцати лет Галуа взялся за одну из самых трудных в математике проблем, которая сто с лишним лет заводила ученых в тупик.
В 1829 году центральной проблемой теории уравнений был вопрос, каким должен быть метод решения уравнения с одним неизвестным x, все коэффициенты которого являются рациональными числами, причем член наивысшей степени равен x n . Метод должен быть общим, применяться ко всем подобным уравнениям и включать в себя лишь четыре элементарные операции (сложение, вычитание, умножение и деление) и операцию извлечения корня. Если решения (корни) уравнения можно получить из коэффициентов уравнения только при помощи этих операций, то говорят, что уравнение разрешимо в радикалах.
Накопленный опыт как будто подсказывал, что решение уравнения n-й степени не потребует более сложных операций, чем извлечение корня n-й степени. Решение квадратного уравнения общего вида или уравнения второй степени ax 2 + bx + c = 0, известное еще вавилонянам, требует извлечения квадратного корня из некоторой комбинации коэффициентов, а именно из выражения b 2 − 4ac. Таким образом, общее квадратное уравнение разрешимо в радикалах. Точно так же общее решение кубического уравнения, которое нашли в начале XVI века итальянские математики Сципион дель Ферро и Никколо Фонтана (Тарталья), сводится к извлечению кубического корня из некоторой комбинации коэффициентов. Решение уравнения четвертой степени общего вида, впервые полученное итальянским математиком Лудовико Феррари примерно в то же время, требует извлечения корней четвертой степени.
До Галуа почти триста лет никому не удавалось решить в радикалах общее уравнение пятой степени или выше. Многие математики склонялись к мысли, что общее решение такого вида невозможно, хотя в частных случаях, например в случае уравнения x 7 − 2 = 0, решение можно найти в радикалах. (В этом примере одно из решений — 7 √2.) Галуа нашел окончательные критерии, которые позволили определить, существует ли решение данного уравнения в радикалах. Его исследования привели к теории, ныне называемой теорией групп, приложения которой выходят далеко за рамки теории уравнений.
Свою первую статью в той области, которая в дальнейшем превратится в теорию групп, Галуа представил во Французскую академию наук 25 мая 1829 года, незадолго до окончания лицея. Менее чем через два месяца ему снова предстояло держать вступительный экзамен в Политехнический институт, однако события приняли несчастливый оборот. Второго июля, за несколько недель до экзамена, отец Эвариста покончил жизнь самоубийством, не вынеся скандала вокруг своего имени. (Приходский священник-иезуит Бур-ла-Рена оклеветал старшего Галуа, распространив среди родственников и знакомых Галуа злые эпиграммы на него.) Обстановка для экзамена сложилась крайне неблагоприятная. Кроме того, на экзамене Эварист, по-видимому, отказался следовать предложенной экзаменатором схеме ответа; в результате Галуа провалился опять, на этот раз окончательно.
Отвергнутый академией
Вынужденный теперь подумать о менее престижной Эколь Нормаль, Галуа в ноябре 1829 года выдержал необходимый для поступления экзамен. На этот раз его приняли благодаря очень высокому баллу по математике, и примерно в то же время, когда его статья по теории групп была представлена в Академию наук, он стал студентом. Однако статья Галуа не была зачитана на заседании академии.
Дело в том, что рецензентом назначили Огюстена Луи Коши — самого известного в ту пору французского математика, который был верным сторонником консервативной реставрации. Коши уже занимался комбинаторикой, предшественницей теории групп; позднее он написал много работ, посвященных этой теории. Распространена версия, что Коши потерял, забыл или выбросил рукопись Галуа; но больше похоже на правду, что Коши, понимая ее значение, обращался с ней бережно. Действительно, из письма, обнаруженного Татоном в 1971 году в архивах академии, явствует, что 18 января 1830 года Коши намеревался выступить на заседании академии с изложением результатов Галуа.
Однако на следующей неделе, когда Коши выступал перед академией со своим собственным докладом, он не представил работу Галуа. Почему так получилось — остается предметом догадок. По мнению историка Татона, Коши настаивал на том, чтобы Галуа расширил свою статью и представил ее на соискание высшей награды академии по математике. Хотя предположение Татона не подтверждается документами, Галуа действительно представил свою работу на конкурс в феврале, за месяц до истечения срока конкурса. Статья была послана постоянному секретарю академии Жану-Батисту Фурье, математику, разработавшему метод анализа, который ныне называют анализом Фурье. Однако в мае Фурье умер, и рукопись Галуа среди его бумаг не нашли. Впоследствии Галуа приписывал свое невезение козням со стороны Академии, обвиняя конкурсную комиссию в произволе: его работу отклонили только потому, что его фамилия Галуа и он всего лишь студент.
Несмотря на неудачи, Галуа продолжал плодотворно работать и начал публиковать свои труды в Bulletin des sciences mathématiques, astronomiques, physiques et chimiques, издававшемся бароном Феруссаком, — менее видном издании, чем публикации Академии наук. Из его статей ясно, что в 1830 году он ушел далеко вперед в исследовании условий, определяющих разрешимость уравнений, хотя еще и не получил полного решения этой проблемы. В январе 1831 года он завершил работу и, следуя настоятельным советам математика Симеона Дени Пуассона, представил ее в Академию наук. Эта статья — самая значительная работа Галуа, и тот факт, что она вышла в свет более чем за год до дуэли, лишает смысла историю о том, что все свои работы по теории групп Галуа написал за одну ночь.
Чтобы понять работу Галуа, бесполезно изучать его оригинальные статьи. Пуассон, несомненно, старался разобраться в рукописи 1831 года, но в конце концов рекомендовал Академии наук отклонить ее, посоветовав Галуа расширить статью и сделать изложение более ясным. Пуассон также отверг одно из доказательств Галуа, посчитав его неверным. Действительно, как считают историки науки, аргументация Галуа была очень кратка и сжата, что чрезвычайно затрудняет ее понимание; кроме того, встречаются и неточности. Это было не случайно. Галуа сознательно пренебрегал разъяснениями. Он писал: «Вместо алгебраических формул они [его критики] используют длинные рассуждения — и к громоздкости математических преобразований добавляют громоздкость словесного описания этих преобразований, пользуясь языком, не приспособленным для выполнения таких задач. Эти математики отстали на сто лет».
Теория групп, у истоков которой стоял Галуа, ныне является одной из самых плодотворных областей математики. Ученый и изобретатель Александр Белл писал, что она на сотни лет дала математикам пищу для исследований. А известный математик Иэн Стюарт отметил, что «никто не мог бы предположить, что вопросы о разрешимости уравнений приведут к одной из ключевых концепций в математике — концепции группы или что группы окажутся языком, на котором описывается симметрия. Еще менее того можно было полагать, что симметрии откроют нам дверь к тайнам физического мира».
Математика и революция
Когда Галуа заканчивал работу над теорией групп, в его жизнь ворвались политические события. В июле 1830 года республиканцы — противники восстановленной монархии вышли на улицы. Карл X был вынужден эмигрировать. В то время как революционно настроенные студенты Политехнического института активно участвовали в этих событиях, Галуа и его товарищей по Эколь Нормаль заперли внутри школы по приказу директора. Возмущенный Галуа пытался сбежать, но ему это не удалось, так что он остался в стороне от событий июльской революции.
Отречение Карла X казалось большой победой республиканцев, однако на троне оказался Луи-Филипп, к великому разочарованию Галуа и других республиканцев. В последовавшие за революцией месяцы Галуа посещал собрания республиканцев, встречался с их лидерами (особенно с Франсуа Венсаном Распаем) и, по-видимому, принимал участие в волнениях и демонстрациях, лихорадивших Париж. Он вступил в артиллерию Национальной гвардии — подразделение милиции, состоявшее почти исключительно из республиканцев. В декабре Галуа написал в одну из парижских газет письмо, в котором называл директора Эколь Нормаль предателем, имея в виду его поведение во время июльской революции; неудивительно, что после этого Галуа исключили.
В противоположность традиционной легенде, Галуа вовсе не производит впечатления жертвы обстоятельств. Напротив, он, похоже, был сорвиголовой и постоянно попадал в переделки. Из письма математика Софи Жермен следует, что Галуа регулярно присутствовал на заседаниях Академии наук и обычно всячески нападал на выступающих. Когда Галуа исключили из Эколь Нормаль, он переехал в парижский дом своей матери, но ей оказалось трудно с ним ужиться, и она уехала.
Для Галуа кульминация бурной весны 1831 года наступила 9 мая во время банкета республиканцев, которые праздновали оправдание девятнадцати артиллерийских офицеров, обвиненных в заговоре против правительства. В своих мемуарах Александр Дюма-отец, который присутствовал на этом банкете, пишет, что Галуа встал и предложил тост за Луи-Филиппа, при этом одновременно с бокалом он поднял кинжал. На следующий день Галуа арестовали, и он провел больше месяца в тюрьме св. Пелагеи.
На суде защитник Галуа утверждал, что тост на самом деле звучал так: «За Луи-Филиппа, если он предаст», однако конец фразы потонул в шуме. Либо судьи поверили защите, либо их тронула молодость Галуа, но они его оправдали. Тем не менее в день взятия Бастилии, 14 июля 1831 года — не прошло и месяца после суда, — Галуа снова арестовали, на этот раз за незаконное ношение формы артиллерийской гвардии. Гвардия была распущена как угроза короне, поэтому поступок Галуа был вызывающим. На этот раз он провел в тюрьме св. Пелагеи восемь месяцев.
Сохранившиеся рукописи Галуа свидетельствуют, что и попав в тюрьму, он продолжал вести математические изыскания и не оставлял их вплоть до самой смерти. То, что он мог продуктивно работать в таких условиях, говорит о необыкновенной силе его воображения и интеллекта
«Подлая кокетка»
Но тюремное заключение не прошло даром: он впадал то в ярость, то в уныние. Его приятель Распай, который находился в тюрьме в это же время, позже вспоминал, что однажды Галуа в состоянии опьянения пытался покончить с собой. Согласно Распаю, Галуа говорил, что его преследует видение собственной кончины: «Я умру на дуэли по вине какой-нибудь кокетки низкого пошиба. Почему? Потому что она заставит меня защищать ее честь, которую оскорбит другой». Когда погиб один из заключенных, Галуа, по-видимому, обвинил тюремного надзирателя в том, что тот подстроил убийство. За это Галуа посадили в карцер.
Самой большой неприятностью было то, что статьи, написанные Галуа в течение 1831 года, не напечатали. В исполненном горечи предисловии к тюремным запискам он утверждал: «Мне некого благодарить ни за совет, ни за поддержку. Благодарность была бы ложью».
В середине марта 1832 года из-за свирепствовавшей тогда в Париже эпидемии холеры Галуа перевели из тюрьмы св. Пелагеи в частную лечебницу Фолтрие. По-видимому, именно здесь он и встретил ту самую «подлую кокетку». Роман был коротким, однако нелепо утверждать, что героиня его была продажной женщиной или платным агентом и намеренно подстроила убийство. Согласно свидетельству Распая, фразу о кокетке низкого пошиба Галуа произнес за год до дуэли; вполне возможно, что это слова самого Распая. Кроме того, 25 мая, за шесть дней до смерти, в письме к Огюсту Шевалье Галуа намекает, что его роман оборвался: «Но как изгладить следы той бури страстей, через которую я прошел? Как утешиться, когда за один месяц исчерпан до дна источник самого сладостного блаженства, отпущенного человеку, когда он выпит без радости и без надежды, когда знаешь, что он иссяк навсегда?» Кто же была эта женщина? Имя женщины, которую Галуа обвиняет в своих бедах в письме, написанном в ночь накануне дуэли, часто появляется на полях статей Галуа. На факсимиле под именем Эварист можно прочесть имя Стефания; Галуа также объединил буквы «С» и «Э» в монограмме. Из писем и других рукописей ясно, что злой эпитет «подлая кокетка» вышел из-под пера Галуа в связи с разочарованием в любви к женщине, которую он встретил всего за несколько месяцев до дуэли. Ее личность установлена: это Стефания Фелисия Потерэн дю Мотель, дочь парижского врача.
Брат Галуа Альфред утверждал, что Эвариста убили преднамеренно, но маловероятно, чтобы убийцу подкупили антиреспубликанцы. Согласно Дюма, противником Галуа был Пеше д’Эрбенвиль, пылкий республиканец. В самом деле, д’Эрбенвиль — один из тех девятнадцати офицеров, чье оправдание послужило поводом для вызывающего тоста Галуа. Кроме того, когда во время революции 1848 года разоблачали агентов короля, имя д’Эрбенвиля не упоминалось. Историки считают, что дуэль происходила между друзьями и представляла собой что-то вроде «русской рулетки», когда заряжают только один пистолет.
В предрассветные часы 30 мая 1832 года Эварист Галуа писал своим друзьям Лебону и Делонэ: «Меня вызвали на дуэль два патриота… Я не мог отказаться. Простите, что я не дал знать никому из вас. Противники взяли с меня честное слово, что я не предупрежу никого из патриотов. Ваша задача очень проста: вам надо подтвердить, что я дрался против воли, то есть после того, как были исчерпаны все средства мирно уладить дело, и что я не способен лгать даже в таком пустяке, как тот, о котором шла речь. Не забывайте меня! Ведь судьба не дала мне прожить столько, чтобы мое имя узнала родина.
Умираю вашим другом. Э. Галуа».
В десять часов утра 31 мая 1832 года Галуа скончался от смертельного ранения.
Математические работы Галуа, по крайней мере те, что сохранились,
составляют всего шестьдесят страниц. Как заметил кто-то из математиков, никогда еще труды столь малого объема не приносили автору такой широкой известности.
Исполняя желание Эвариста Галуа, его младший брат Альфред и Огюст Шевалье разослали копии рукописи Карлу Гауссу, Карлу Якоби и другим известным математикам. Но прошло почти десять лет, прежде чем его работа была оценена по достоинству. Это произошло в 1846 году, когда одна из копий была вручена выдающемуся французскому математику Жозефу Лиувиллю. Ученый уделил много времени работе Галуа, отредактировал его мемуары и опубликовал в своем престижном издании — «Журнале чистой и прикладной математики» (Journal de Mathèmatiques pures et appliquées).
О теореме Абеля-Руффини без групп и теории Галуа
Историческая справка
Поиск решения алгебраических уравнений оказал колоссальное влияние на развитие математики. Формула решения общего кубического уравнения впервые была получена итальянскими математиками 16-го века. Это событие ставшее первопричиной рассмотрения комплексных чисел, считается одним из поворотных моментов в истории математики. Судьбы Джероламо Кардано, Никколо Тартальи, Сципиона дель Ферро и их поисков решения кубического уравнения заслуживают отдельного романа со своими интригами, скандалами и расследованиями. Столь яркие истории достаточно редки в математике.
Начиная с 19-го века поиск формул для решения уравнений произвольных степеней положил начало теории групп и абстрактной алгебре, которые преобразили практически все разделы современной математики. Думаю, многие, кто интересовался историей и развитием алгебры, знают, что формулы для решения общего алгебраического уравнения степени выше четвертой не существует. Как сообщается, первое доказательство этого факта было дано итальянским математиком Паоло Руффини в самом конце восемнадцатого века, оно составляло около 500 страниц и все же содержало некоторые пробелы. Хотя отдельные математики, как Огюстен Коши, и признавали данное доказательство, но ввиду столь большого объема и сложности изложения, оно так и не было принято математическим сообществом. Считается, что первое полное доказательство дано норвежским математиком Нильсом Абелем и содержалось в двух работах, изданных в 1824 и 1826 годах. С тех пор оно носит название теоремы Абеля или теоремы Абеля-Руффини.
Если вы попытаетесь изучить это доказательство в его современном изложении, то окажется, что оно практически полность опирается на Теорию Галуа. Эварист Галуа был французским математиком 19-го века и современником Нильса Абеля. Помимо занятий математикой он вел активную политическую жизнь из-за чего несколько раз попадал в тюрьму. В возрасте всего двадцати лет был застрелен на дуэли, поводом для которой послужила любовная интрига, хотя есть предположения, что дуэль была подстроена его политическими противниками. Об этой истории написано достаточно много, кроме того, имеется перевод на русский язык его мемуаров и писем. Последнее письмо его другу Огюсту Шевалье было написано в ночь накануне дуэли, в нем он наспех излагает свои последние идеи. Несмотря на столь короткую жизнь, Эварист Галуа считается одним из родоначальников современной алгебры. Хотел бы заметить, что в популярном изложении создается некий романтический образ Галуа, как подростка-гения, который в одиночку, с нуля создал теорию групп и преобразил всю алгебру. Несомненно его идеи сыграли огромную роль, но если почитать его сочинения, то мы увидим, что он хорошо знал и опирался на знаменитые работы Лагранжа, Эйлера, Гаусса, Абеля, Якоби. Зачатки теории групп и перестановок появляются еще в работах Жозефа Луи Лагранжа по теории алгебраических уравнений, а также Карла Фридриха Гаусса в его знаменитых «Арифметических исследованиях». К тому же, теория Галуа в современном изложении была оформлена многими последующими математиками — Дедекиндом, Кронекером, Гильбертом, Артином и другими.
Мотивация данной статьи
Чуть менее года назад меня сильно увлекла статья об истории решения кубического уравнения и последующих безуспешных поисков формулы уравнения 5-й степени, длившихся почти триста лет. Сразу хочу отметить, что специального математического образования у меня нет и поэтому, попробовав прочесть современную версию доказательства теоремы Абеля-Руффини, я естественно ничего не понял. В моем сознании термины группа, кольцо и поле никак не ассоциировались с алгебраическими структурами. Но желание разобраться было столь велико, что я принялся за изучение курса высшей алгебры.
На первых этапах абстрактная алгебра была наверное самым сложным из того, что мне приходилось изучать ранее. Объем новых терминов и определений просто зашкаливал: группы, факторгруппы, моноиды, поля, кольца, тела, модули, идеалы, ядра, векторные пространства, биекции, сюръекции, инъекции, изоморфизмы, автоморфизмы, гомоморфизмы, эндоморфизмы и тд. Спустя несколько месяцев упорных занятий, я начал понимать формальную часть, но, к сожалению, интуитивного понимания, которое и являлось моей изначальной целью, я так и не достиг.
Дело в том, что практически все современные доказательства неразрешимости уравнений 5-й степени в радикалах сводятся к следующему. Рассматривается некоторое неприводимое уравнение, например x 5 -10x+2, после чего методами мат анализа определяется, что оно имеет три действительных и два комплексно-сопряженных корня. После чего заключается, что группой Галуа данного уравнения есть группа S5, которая не является разрешимой, и следовательно данное уравнение неразрешимо в радикалах. Доказательство теоремы Абеля-Руффини о неразрешимости общего уравнения также сводится к неразрешимости группы Sn. Для меня данные доказательства были слишком абстрактными и оторванными от конкретных уравнений. Когда я пытался представить их в терминах элементарных алгебраических операций, чтобы понять в чем заключается главная причина неразрешимости уравнений, у меня ничего не получалось. Возможно для тех, кто занимается этим достаточно долго, эти вещи могут казаться интуитивно понятными.
Немного иной подход описан в книге Алексеева «Теорема Абеля в задачах и решениях», основанной на лекциях Владимира Арнольда, но в изложенном там доказательстве помимо теории групп используются элементы комплексного анализа и Римановых поверхностей. Я также находил похожие статьи, использующие топологические аргументы в виде комбинаций петель и коммутаторов, но мне хотелось найти что-то чисто алгебраическое.
Параллельно изучая историю математики и понимая, что современная формулировка и доказательство сильно отличаются от того, как излагали свои идеи Лагранж, Руффини, Абель и Галуа, я решил прочесть первоисточники. К сожалению, на русский или английский по этой теме переведены лишь сочинения Галуа и одна из работ Абеля.
После некоторых поисков я наткнулся на статью 1845 года французского математика Пьера Лорана Ванцеля, в которой он переработал и сильно упростил доказательство Абеля-Руффини, о чем он пишет во введении. В этой работе, он так же упоминает мемуары Галуа и отмечает, что они будут опубликованы в скором времени. Для заметки — работы Галуа были опубликованы лишь в 1846 году Жозефом Лиувиллем, спустя почти 15 лет после смерти Галуа. Кстати, Пьер Лоран Ванцель, также был первым, кто доказал неразрешимость трисекции угла и удвоения куба с помощью циркуля и линейки — знаменитых задач стоявших еще со времен античности. Доказательства Ванцеля были изложены без использования абстрактной алгебры и теории Галуа, поскольку на тот момент они еще не были разработаны. Хотя работа и была доступна лишь на французском, которого я до этого практически не знал, но ввиду специфической темы, небольшого размера (всего 7 страниц) и наличия гугл переводчика, я справился достаточно быстро. По моему субъективному мнению, его доказательство теоремы Абеля-Руффини является наиболее простым для понимания.
Уже позже я нашел пример подобного доказательства основанного на работе Руффини в книге Чеботарёва “Основы Теории Галуа”. Далее я постараюсь кратко изложить принцип решения уравнений в радикалах и идею доказательства неразрешимости уравнения 5-й степени.
Решения уравнений в радикалах
Для дальнейшего понимания, потребуются минимальные пререквизиты:
Формулы Виета — напомню, что коэффициенты произвольного уравнения являются элементарными симметрическими функциями от его корней, то есть функциями, которые не меняют своего значения при любых перестановках корней. Примеры: x1 + x2 + x3, x1x2x3, x1x2 + x1x3 + x2x3.
Теорема о симметрических многочленах — каждую симметрическую функцию от корней, можно выразить с помощью элементарных симметрических функций (коэффициентов уравнения).
Первообразные корни n-й степени из единицы — комплексные величины не равные единице, но n-я степень которых, равна единице. Примеры: (-1) 2 = 1, (-1/2 + sqrt(-3)/2) 3 = 1, i 4 = 1 соответственно квадратный, кубический и биквадратный корни из единицы.
Основная теорема алгебры — гласит о том, что уравнение n-й степени с комплексными коэффициентами имеет ровно n комплексных корней с учетом кратности (корни могут быть одинаковые).
Первоначальная идея восходит к работе Жозефа Луи Лагранжа “Размышления о решении уравнений” 1770-1771 годов. Это достаточно объемное сочинение и я не нашел его перевода на русский или английский язык. Как указывается в разных источниках, в попытке найти формулу для уравнения 5-й степени, Лагранж проанализировал все имеющиеся к тому времени способы решения уравнений и выделил общий принцип, позволяющий решить уравнения 4-й и низших степеней. В этой же работе, изучая перестановки корней, он пришел к теореме, которая сейчас носит его имя. Принцип, открытый Лагранжем, заключался в том, чтобы найти выражения от корней заданного уравнения n-й степени, которые при всех возможных перестановках этих корней принимали n-1 значений, но в тоже время через них выражались первоначальные корни. На эти значения, можно составить уравнение n-1 степени и повторить операцию, тем самым сводя изначальное уравнение к цепочке уравнений меньших степеней, решив которые, можно получить корни первоначального уравнения. Рассмотрим один из примеров:
Пусть f(x) = x 4 + ax 3 + bx 2 + cx + d общее уравнение 4-й степени с произвольными коэффициентами a, b, c, d и x1, x2, x3, x4 его корни.
Напомним, что его коэффициенты — это элементарные симметрические функции от корней, в чем можно убедиться просто раскрыв скобки в выражении (x — x1)(x -x2)(x — x3)(x — x4):
Так как корни являются произвольными, то существует 4! = 24 различных вариантов их расположения, но можно составить выражение x1x2 + x3x4, которое принимает всего три разных значения при всех 24-х перестановках корней:
На эти три значения мы можем составить уже кубическое уравнение, корнями которого они и будут являться. Таким образом, мы сводим решение уравнения 4-й степени к уравнению 3-й степени. Для решения кубического уравнения мы можем воспользоваться резольвентой Лагранжа (y1 + wy2 + w 2 y3) 3 , где w — это кубический корень из единицы. Данное выражение принимает всего два разных значения при всех возможных 3! = 6 перестановках. Оно будет сохранять значение при циклических перестановках и менять знак при любой транспозиции. Получим:
Теперь составим квадратное уравнение на z1 и z2:
z1+z2 и z1z2 — будут симметрическими функциями от корней нашего изначального уравнения f(x), следовательно, по теореме о симметрических многочленах, напрямую выражаться через коэффициенты a, b, c, d. Решив квадратное уравнение мы получим значения z1, z2. После чего, извлекая кубические корни из z1, z2, и складывая с коэффициентом b, сможем выразить y1. Далее, c помощью y1 и коэффициентов a, b, d, решив два квадратных уравнения, мы доберемся до корней x1, x2, x3, x4 изначального уравнения.
Данный пример показывает, что произвольное уравнение 4-й степени решается путем составления вспомогательных кубического и квадратных уравнений. Далее я приведу рассуждение, почему подобный прием невозможен для общего уравнения 5-й степени.
Неразрешимость уравнения 5-й степени
Итак, мы хотим показать, что ни один корень общего уравнения 5-й степени не может быть выражен через его коэффициенты путем решения цепочки вспомогательных двучленных уравнений низших степеней.
Пусть f(x) = x 5 + ax 4 + bx 3 + cx 2 + xd + e общее уравнение 5-й степени с произвольными коэффициентами a, b, c, d, e и x1, x2, x3, x4, x5 его корни. Обозначим за y1 первый радикал входящий в значение x1 в порядке вычисления. Пусть y1 n = p, где p будет какой-то симметрической функцией от корней и, следовательно, напрямую выражаться через коэффициенты a, b, c, d, e. Заметим, что y1 уже не будет симметрической, а лишь рациональной функцией g от корней — g(x1, x2, x3, x4, x5). Следовательно, g должно менять значение при перестановке любых двух корней. Тогда эти значения будут являться корнями уравнения y1 n = p, которые имеют вид g, zg, z 2 g, z 3 g … z n-1 g, где z — первообразный корень n-й степени из единицы (z n =1). Рассмотрим произвольную транспозицию, например (x1, x2), тогда
если мы применим ее еще раз, то получим:
Из этого следует, что z 2 = 1, то есть z должен быть квадратным корнем из единицы (z = -1) и соответственно первый радикал y1 будет квадратным. Поясним: так как корни являются произвольными, то g должно сохранять значение при любых четных перестановках корней и менять знак при нечетных. Теперь покажем, что значение функции g не будет меняться при циклической перестановке трех корней (x1, x2, x3). Здесь стоит пояснить, что циклическая перестановка (x1, x2, x3) четная и может быть представлена, как произведение транспозиций (x1, x2)(x2, x3). То есть, функция g не поменяет своего значения при данной перестановке. Еще заметим, что функция g не изменится при циклической перестановке пяти корней, так как она так же раскладывается в произведение четного количества транспозиций. Присоединяя радикал y1 к выражениям от коэффициентов с помощью базовых арифметических операций, мы будем получать симметрические функции относительно всех циклов на трех и пяти корнях и вообще любых четных перестановок, но при перестановке содержащей нечетное количество транспозиций, y1 будет менять знак. Дальнейшее присоединение квадратных радикалов не даст нам ничего нового. Теперь предположим, что мы пришли к радикалу, который меняет свое значение лишь при тройных циклах. Обозначим его y2, тогда y2 n = q, где q — это рациональная функция от коэффициентов a, b, c, d, e и радикала y1.
В данном случае z 3 = 1, то есть z здесь будет кубическим корнем из единицы.
Теперь произведем циклическую перестановку 5-и корней
Так как z должен быть кубическим корнем из единицы, как мы выяснили ранее, то единственным вариантом будет z = 1 и g должна быть инвариантна при любой из этих циклических перестановок. Но тогда она должна быть инвариантна и при циклической перестановке x3,x2,x5,x1,x4 -> x2,x5,x1,x4,x3. Отсюда, одной транспозицией мы можем получить, что
но, выше мы уже видели, что
а из этого следует
что приводит нас к противоречию, так как мы предполагали, что g меняет значение при циклической перестановке трех корней (x1, x2, x3).
Еще одним вариантом, было бы показать что все четные перестановки на пяти корнях порождаются тройными циклами, то есть, если есть тройные циклы, то никаких выражений от корней, которые бы сохраняли набор значений при всех четных перестановках, не существует. Если теперь перевести это на теоретико-групповой язык, то получается, что группа общего уравнения пятой степени есть симметрическая группа S5, в которой существует 5! = 120 различных перестановок пяти корней. Далее, путем присоединения квадратного корня из дискриминанта, мы можем понизить ее до знакопеременной группы четных перестановок A5, которая содержит 120/2 = 60 перестановок. Но A5 является простой группой, в которой нет никаких нетривиальных нормальных подгрупп, которым бы соответствовали выражения от корней сохраняющие значения при определенных перестановках, из чего следует, что присоединение любых дополнительных радикалов не приблизит нас к решению.
Заключение
Поводом для написания данной статьи послужило желание структурировать свои мысли по этой теме и представить идеи о неразрешимости уравнений в радикалах без привлечения абстрактной алгебры и теории Галуа. По моему мнению, в подавляющем большинстве современных изложений теряется связь между областью, в которой происходит доказательство и конкретными уравнениями. Если у кого-то есть замечания, дополнения или ссылки на подобные элементарные изложения, буду рад услышать.
http://stimul.online/historical-dates/uravnenie-ne-reshaemoe-v-radikalakh/
http://habr.com/ru/post/568552/