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把积分反过来:椭圆函数

从一个熟悉的函数开始,换一种奇怪的角度来看。积分 $$\arcsin x=\int_0^x\frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}$$给出半径为 1 的圆上一段弧的长度,从最低点量起,是高度 $x$ 的函数。这是个复杂的函数。但它的反函数,即把高度表示为弧长的函数,就是正弦,三角学里最简单的函数。而正弦有一个积分所掩盖的性质:它是周期的。因为四分之一圆周的长度是 $$\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}=\frac\pi2,$$所以正弦每隔 $4\cdot\frac\pi2=2\pi$ 重复一次。 没人会算的积分 18 世纪出现了类似的积分,只是把二次多项式换成了三次或四次多项式的根。它们出现在椭圆弧长的计算中,因此得名椭圆积分;也出现在双纽线的弧长中,以及单摆的运动中。 长为 $L$、摆幅很小的单摆,周期为 $T_0=2\pi\sqrt{L/g}$,这是中学里学的。但这个公式只在摆幅小时成立。对于任意摆幅 $\theta_0$,精确的周期是 $$T=4\sqrt{\frac Lg}\,K(k),\qquad K(k)=\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}},\qquad k=\sin\frac{\theta_0}2.$$当 $\theta_0=90°$ 时,$k=\frac{\sqrt2}2$,$K\approx1.8541$。于是 $T\approx7.416\sqrt{L/g}$,而简单公式给出 $6.283\sqrt{L/g}$:单摆要多花 18% 的时间。当 $k=0$ 时,$K=\frac\pi2$,又回到了中学的公式。 积分 $K$ 不能用已知函数写出来。法国人阿德里安–马里·勒让德为这些积分花了四十年,把它们分为三类,并计算了庞大的数值表。他的《椭圆函数论》于 1825 年至 1828 年间出版。 阿贝尔是听从费迪南·德根的建议才研究这些积分的。1821 年,这位哥本哈根的数学家读了这个挪威青年对五次方程的错误解法之后,建议他去研究椭圆积分:它们将是一道通往发现之海的“麦哲伦海峡”。 阿贝尔的想法 阿贝尔想到了勒让德没有想到的:像对反正弦那样,把这些积分反过来。不再研究弧长作为高度的函数,而是研究高度作为弧长的函数。在最简单的情形下,定义 $$s=\int_0^x\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\qquad\Longrightarrow\qquad x=\operatorname{sl}(s),$$即双纽线正弦。和正弦一样,反函数比积分本身性质好得多。当 $s$ 从 0 变到 $$\frac\varpi2=\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\approx1.31103$$时,它从 0 增加到 1,并以 $2\varpi\approx5.2441$ 为周期重复。符号 $\varpi$ 是 π 的另一种写法,称为双纽线常数。 阿贝尔于 1827 年在《克雷勒杂志》第二卷上以《椭圆函数研究》为题发表了这个理论。德国人卡尔·雅可比在同一年独立地得到了相同的思想,两人随后进行了两年的论文竞赛。 两个周期 当允许 $s$ 取复数时,大惊喜出现了。在积分中把 $t$ 换成 $iu$。因为 $(iu)^4=u^4$,$dt=i\,du$, $$\int_0^{ix}\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}=i\int_0^x\frac{du}{\sqrt{1-u^4}}=is.$$这意味着 $\operatorname{sl}(is)=i\operatorname{sl}(s)$。由于 $\operatorname{sl}$ 有实周期 $2\varpi$,它免费获得了一个虚周期 $2\varpi i$:

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拉格朗日点:引力平衡的地方

2021 年 12 月 25 日,一枚火箭从法属圭亚那起飞,载着詹姆斯·韦伯空间望远镜。它没有像哈勃那样被送入绕地球的轨道,而是飞行了一个月,到达离我们 150 万千米、始终位于背向太阳一侧的一个空无一物的点,然后停在那里。这个点的位置来自拉格朗日 1772 年的一篇获奖论文。它叫作 L2。 三个天体 牛顿完全解决了两个相互吸引的天体的运动,比如太阳和一颗行星:每个都画出一个椭圆。换成三个天体,比如太阳、地球和月球,一切就复杂了。每个天体都在拉另外两个,运动可能变得混乱。18 世纪的数学家知道这不容易,巴黎科学院多次把这个问题定为悬赏题目。 1772 年,这项奖由欧拉和拉格朗日分享。拉格朗日的论文《论三体问题》没有找到一般解。事实上,这样的公式解并不存在,庞加莱在 1890 年证明了这一点。但他找到了令人惊讶的东西:一些特殊解,在这些解中三个天体像一个刚体一样一起转动,它们构成的图形形状始终不变。 有两种方式可以做到这一点。三个天体可以排成一直线,欧拉在 1767 年已经找到了这种解。也可以位于一个等边三角形的三个顶点上,三角形大小不限,绕质心旋转。第二种是拉格朗日的发现。 五个点 当三个天体中有一个非常小时,比如太阳和地球附近的一艘飞船,这些解就变成空间中的五个位置。放在其中任意一处的飞船会和地球一起绕太阳转动,相对于两者的位置始终不变。 日地系统的五个拉格朗日点。L1、L2 和 L3 位于连接两个天体的直线上;L4 和 L5 与它们构成等边三角形,分别在地球前方 60° 和后方 60°。Euler’s Eyes 绘图 L1 在地球和太阳之间,那里地球的引力抵消了太阳引力的一小部分。 L2 在地球的另一侧,那里两者的引力相加。 L3 在太阳的另一侧,比地球稍远一点。 L4 和 L5 是等边三角形的顶点。 L2 的计算 为什么 L2 在 150 万千米之外,而不是别处?一个物体位于地球外侧距离 $r$ 处,它到太阳的距离是 $R+r$,其中 $R$ 是日地距离。要和地球一起转动,它必须用同样的时间,也就是一年,绕太阳一周。离太阳更远时,单靠太阳的引力不足以做到这一点;地球的引力朝同一方向拉,补上了缺少的部分。 写出总引力与沿曲线运动所需的力相等的关系,并利用 $r$ 远小于 $R$,就得到一个简单的公式:

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四元数:桥上的公式

在证明复数就是实数对、复数乘法会旋转平面之后,哈密顿想在空间中做同样的事。他在寻找三元数 $a + bi + cj$,以及一种满足模的定律的乘法:乘积的大小应等于大小的乘积。他试了很多年,尤其是在 1843 年,以至于孩子们每天早上都问他会不会乘三元数了。 为什么三个不行 算术里藏着一个障碍。如果存在一种满足模的定律、系数为整数的三元数乘法规则,那么两个三平方和的乘积就总会是三平方和。但是 $$3 = 1^2 + 1^2 + 1^2, \qquad 5 = 2^2 + 1^2 + 0^2, \qquad 3 \times 5 = 15,$$而 $15$ 不是三个平方数之和(试试看:可用的平方数是 $0, 1, 4, 9$,任何三个的组合都凑不出 $15$)。用四个平方数,困难就消失了:$15 = 9 + 4 + 1 + 1$。而且从 1748 年起,人们就知道欧拉的四平方恒等式:两个四平方和的乘积总是四平方和。大自然似乎要求四个部分,而不是三个。 那次散步 1843 年 10 月 16 日是星期一,哈密顿和妻子沿着皇家运河从邓辛克步行去都柏林,去主持皇家爱尔兰学院的一次会议。二十二年后,他亲自向儿子讲述了当时的情景: 虽然她不时和我说话,但我心里一直有一股思想的暗流在涌动,它终于得出了一个结果,说我立刻感到了它的重要性也不为过。仿佛一条电路接通了,迸出了一个火花。[……] 我也无法抗拒那股冲动,尽管它也许并不怎么合乎哲学:在我们经过布鲁厄姆桥时,用小刀在桥的一块石头上刻下了带有符号 i、j、k 的基本公式。 — 威廉·罗恩·哈密顿,致儿子阿奇博尔德的信(1865) 这个公式是 $$i^2 = j^2 = k^2 = ijk = -1.$$ 都柏林布鲁姆桥(旧称布鲁厄姆桥)上的纪念牌:“1843 年 10 月 16 日,威廉·罗恩·哈密顿爵士从这里经过时,灵光一闪,发现了四元数乘法的基本公式 i² = j² = k² = ijk = −1,并把它刻在了这座桥的一块石头上”。Cone83 · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 乘法表 一个四元数是 $q = a + bi + cj + dk$,含四个实数。所有乘积都可以从桥上的公式推出。把 $ijk = -1$ 的右边乘以 $k$:$ijk^2 = -k$,即 $-ij = -k$,于是 $ij = k$。同样可得:

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用尺规等分双纽线

1694 年,雅各布·伯努利研究了一条形如横躺的数字 8 的曲线,称之为 lemniscus,意思是蝴蝶结丝带。以点 $(\pm\frac1{\sqrt2},0)$ 为焦点,它是到两个焦点距离之积等于 $\frac12$ 的点的集合。它的方程是 $$(x^2+y^2)^2=x^2-y^2,$$用极坐标表示则是 $r^2=\cos2\theta$。一个半世纪之后,阿贝尔证明了一个关于它的定理,像是从欧几里得的书里走出来的:对于哪些数 $n$,可以只用尺规把双纽线分成 $n$ 段等长的弧? 伯努利双纽线 r² = cos 2θ,七个点把它分成八段等长的弧。曲线两次经过中心。Euler’s Eyes 绘图 弧长 首先,曲线的一段有多长?在极坐标中,一小段弧满足 $ds^2=dr^2+r^2\,d\theta^2$。对 $r^2=\cos2\theta$ 求导, $$2r\,dr=-2\sin2\theta\,d\theta,\qquad\sin2\theta=\sqrt{1-\cos^22\theta}=\sqrt{1-r^4},$$所以 $d\theta=-\dfrac{r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}$,并且 $$ds^2=dr^2+\frac{r^4\,dr^2}{1-r^4}=\frac{dr^2}{1-r^4}.$$于是,从中心到距中心为 $r$ 的点的弧长是 $$\boxed{s=\int_0^r\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}.}$$这就是双纽线积分,也就是定义双纽线正弦的那个积分。换句话说:双纽线上沿弧距中心为 $s$ 的点,到中心的距离是 $\operatorname{sl}(s)$。双纽线正弦之于双纽线,正如正弦之于圆。从中心到顶端的弧长为 $\frac\varpi2\approx1.3110$,整条曲线长 $2\varpi\approx5.2441$。 1751 年的圣诞节 1718 年,意大利伯爵朱利奥·法尼亚诺发现了如何用尺规把双纽线的一段弧加倍:给定一段弧,作出长度为它两倍的另一段弧。没有人太在意。1751 年 12 月 23 日,柏林科学院把法尼亚诺的著作交给欧拉审阅。欧拉立刻看出了其中的价值,把法尼亚诺的公式推广为这些积分的加法公式。将近一个世纪后,雅可比说那一天是椭圆函数的诞生日。 分成八段 我们用双纽线正弦写出法尼亚诺的公式: $$\operatorname{sl}(2u)=\frac{2\operatorname{sl}(u)\sqrt{1-\operatorname{sl}(u)^4}}{1+\operatorname{sl}(u)^4}.$$要把曲线分成八等份,只需找到平分从中心到顶端那段弧的点。顶端在 $r=1$,所以我们寻找满足 $\operatorname{sl}(2u)=1$ 的 $s=\operatorname{sl}(u)$: $$1+s^4=2s\sqrt{1-s^4}.$$两边平方,并令 $w=s^2$: $$(1+w^2)^2=4w(1-w^2)\quad\Longrightarrow\quad w^4+4w^3+2w^2-4w+1=0.$$这个多项式是完全平方:$(w^2+2w-1)^2$。所以 $w^2+2w-1=0$,正根为 $w=\sqrt2-1$。所求的点到中心的距离是 $$\boxed{r=\sqrt{\sqrt2-1}\approx0.6436.}$$这个数只涉及平方根,而平方根可以用尺规作出。以曲线中心为圆心、$\sqrt{\sqrt2-1}$ 为半径画圆,它与双纽线交于上图中间的四个点。 阿贝尔定理 高斯在 1796 年证明了正十七边形可以用尺规作出,更一般地,当 $n$ 是 2 的幂乘以不同的费马素数(如 3、5、17、257、65537)时,圆可以被分成 $n$ 等份。在 1801 年的书中,他留下了一句神秘的话:同样的原理也适用于积分 $\int\frac{dx}{\sqrt{1-x^4}}$。此后他没有再发表任何相关内容。

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四个平方数就够了

任取一个正整数,试着把它写成完全平方数 $0, 1, 4, 9, 16, 25, \ldots$ 之和,用的项数越少越好: $$\begin{aligned} 5&=4+1,\\ 6&=4+1+1,\\ 7&=4+1+1+1,\\ 30&=25+4+1,\\ 2026&=2025+1=45^2+1^2. \end{aligned}$$有些数本身就是平方数,有些需要两个,有些需要三个。7 需要四个:没有别的办法。会不会有哪个数需要五个?1770 年,拉格朗日证明了:不会。 每个正整数都是四个整数的平方之和。 把 0 也算作平方数,这就是说总存在 $a, b, c, d$,使得 $n=a^2+b^2+c^2+d^2$。 一个延续了十五个世纪的猜想 大约公元 250 年,亚历山大的希腊人丢番图在他的问题中,不加说明地用到了某些数可以写成四个平方数之和这一事实。1621 年,法国人克洛德-加斯帕尔·巴歇出版了丢番图《算术》的拉丁文版本,并明确写出了这个论断。他说自己验证到了 325,但不知道如何证明。 费马正是在巴歇这本书的页边写下了他那些著名的批注。费马宣称自己用无穷递降法证明了它,但和往常一样,从未拿出证明。 欧拉的四十年 欧拉为证明它尝试了大约四十年,始终没有完成。但他在 1748 年找到了关键的一块:一个恒等式,说明两个四平方和的乘积仍然是四平方和。 $$\begin{aligned} &(a^2+b^2+c^2+d^2)(e^2+f^2+g^2+h^2)\\ &\quad=(ae+bf+cg+dh)^2\\ &\qquad+(af-be+ch-dg)^2\\ &\qquad+(ag-bh-ce+df)^2\\ &\qquad+(ah+bg-cf-de)^2. \end{aligned}$$它看起来像魔术,但只要把两边展开就行:所有交叉项都成对抵消。例如,$7=2^2+1^2+1^2+1^2$,$15=3^2+2^2+1^2+1^2$。恒等式给出 $$\begin{aligned}105&=7\cdot15=10^2+1^2+0^2+(-2)^2\\&=100+1+0+4.\end{aligned}$$这个结论威力很大。每个数都是素数的乘积。如果每个素数都是四平方和,恒等式就保证它们的乘积也是。所以只需要对素数证明这个定理。 拉格朗日的证明 就在这里,1770 年已在柏林的拉格朗日登场了。他的证明分两个阶段,两个阶段都属于费马递降法一类。 第一阶段。 对每个奇素数 $p$,存在 $x$ 和 $y$,使 $x^2+y^2+1$ 是 $p$ 的倍数。理由是一个计数:$x$ 从 $0$ 取到 $\frac{p-1}2$ 时,数 $x^2$ 除以 $p$ 留下 $\frac{p+1}2$ 个不同的余数,数 $-1-y^2$ 也是如此。由于 $\frac{p+1}2+\frac{p+1}2=p+1$ 多于 $p$ 个可能的余数,根据抽屉原理,两张表之间必有一个余数重复。所以 $p$ 的某个倍数,比如 $mp$,是四平方和:$x^2+y^2+1^2+0^2$。

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倍立方与三等分角:不可能的作图

希腊人留下了三个作图问题,没有人能用尺规解决,而尺规正是欧几里得《几何原本》的工具: 倍立方:作出一个立方体的棱,使它的体积是已知立方体的两倍。 三等分角:把任意一个角分成三等份。 化圆为方:作出一个与已知圆面积相等的正方形。 传说在一场瘟疫中,提洛斯的神谕命令雅典人把阿波罗的立方体祭坛加大一倍。他们把棱长加倍,体积变成了八倍,瘟疫依旧。两千年来,数学家们一直在尝试。答案直到 19 世纪才随着高斯和伽罗瓦的思想到来:这是不可能的。 尺规能做什么 从一条长为 1 的线段出发。用尺规可以利用相似三角形对长度做加、减、乘、除。还可以开平方根,方法是在半圆中取几何平均。但仅此而已。 原因在解析几何中。作图中的每个新点,都是两条直线、一条直线与一个圆,或者两个圆的交点。直线的方程是一次的,圆的方程是二次的。求这些交点从来不需要比二次方程更高的方程。所以作图的每一步至多添加一个平方根: 用尺规可作的长度,可以从 1 出发用四则运算和平方根写出。特别地,如果它是一个没有有理因式的方程的根,那么这个方程的次数是 2 的幂。 提洛斯的立方体 把棱长为 1 的立方体加倍,就是作出体积为 2 的立方体的棱 $x$: $$x^3=2,\qquad x=\sqrt[3]2\approx1.2599.$$方程 $x^3-2=0$ 没有有理根,也不能分解为更低次的有理多项式。它的次数是 3,不是 2 的幂。因此 $\sqrt[3]2$ 不可作。提洛斯的祭坛不能用尺规加倍。 60° 的角 有些角很容易三等分:直角可以分成三个 $30°$ 的角,而 $30°$ 可以用正三角形作出。但问题要求的是对任意角都适用的方法,一个反例就够了。取 $60°$。三等分它就是作出 $20°$,即长度 $x=\cos20°$。由三倍角的余弦公式 $$\cos3\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta,$$取 $\theta=20°$,$\cos60°=\frac12$: $$4x^3-3x=\frac12\qquad\Longrightarrow\qquad8x^3-6x-1=0.$$可能的有理根只有 $\pm1,\pm\frac12,\pm\frac14,\pm\frac18$,而它们都不满足方程。所以方程不能分解,次数为 3。$60°$ 角不能用尺规三等分。 旺策尔与伽罗瓦 这两个证明都是在 1837 年由 23 岁的法国人皮埃尔·旺策尔发表在刘维尔的杂志上的,他当时是巴黎综合理工学院的学生。旺策尔用的是高斯和拉格朗日的思想;伽罗瓦的著作要再过九年才出版。今天,这个论证用伽罗瓦理论来解释:方程的次数衡量的是它的根所创造的数的世界的大小,而尺规只能两级两级地往上爬。 第三个问题更难。把半径为 1 的圆化为方,就是作出 $\sqrt\pi$。1882 年,德国人费迪南德·冯·林德曼证明,$\pi$ 不是任何有理系数方程的根:它是一个超越数。于是,圆也不能化为方。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 再谈正十七边形 同样的论证也解释了高斯的正十七边形。作正 $n$ 边形就是作出 $\cos\frac{2\pi}n$,当 $n$ 是素数时,这个方程的次数与 $n-1$ 有关。对于 $n=17$,$n-1=16=2^4$ 是 2 的幂,所以可以作出。对于 $n=7$,$n-1=6$ 不是,所以正七边形不能作出。高斯陈述了完整的规则;旺策尔证明了缺失的那一半。

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阿贝尔群:顺序无关紧要的时候

先穿袜子再穿鞋,和先穿鞋再穿袜子,结果不一样。先加 3 再加 5,和先加 5 再加 3,结果一样。当两个操作的先后顺序不改变结果时,我们说它们可交换。数学家用来称呼一切都可交换的结构的那个词,是为了纪念阿贝尔:阿贝尔的(abelian)。 最后的论文 证明了一般五次方程没有公式之后,阿贝尔想知道哪些方程有公式。1829 年,在他发表于《克雷勒杂志》的最后几篇文章之一中,他研究了一类特殊的方程:所有的根都可以由其中一个根 $x$ 通过有理函数 $\theta_1(x), \theta_2(x),\dots$ 得到,而这些函数彼此可交换: $$\theta_1(\theta_2(x))=\theta_2(\theta_1(x)).$$阿贝尔证明这类方程总能用根式求解。它们后来被称为阿贝尔方程,再后来,顺序无关紧要的群被称为阿贝尔群。 单位根 最重要的例子是方程 $x^n=1$。它的一个根是 $$\zeta=\cos\frac{2\pi}n+i\sin\frac{2\pi}n,$$其余的根都是它的幂:$\zeta^2,\zeta^3,\dots,\zeta^n=1$。把一个根变成另一个根的函数是幂函数 $\theta_a(x)=x^a$,它们可交换: $$\theta_a(\theta_b(x))=(x^b)^a=x^{ab}=(x^a)^b=\theta_b(\theta_a(x)).$$由阿贝尔定理,$x^n=1$ 对每个 $n$ 都可以用根式求解。这正是高斯用来作出正十七边形的结构:正多边形的顶点就是 $x^{17}=1$ 的根。 群与交换性 用现代语言说,群是一组可以复合、可以撤销、可以组合的操作,而结果始终留在这组操作之内。如果对任意两个元素都有 $a\circ b=b\circ a$,这个群就是阿贝尔群。 阿贝尔群的例子随处可见: 整数与加法:$3+5=5+3$。 圆的旋转:先转 $30°$ 再转 $50°$,与先转 $50°$ 再转 $30°$ 相同。 时钟算术:在 12 小时制的钟上,9 点再过 5 小时是 2 点。我们写作 $9+5\equiv2\pmod{12}$,加数的顺序同样无关紧要。 也有不是阿贝尔群的群。三角形的对称是最小的例子:先转动三角形再翻转它,与先翻转再转动结果不同。魔方是另一个例子:先转前面再转上面,效果与反过来不同。正是通过研究非阿贝尔群,伽罗瓦解释了五次方程为什么没有公式。 为什么可交换有帮助 阿贝尔证明背后的直觉是:在阿贝尔群中,操作可以一个一个地、以任意顺序进行,而不会互相破坏。每一步对应于开一次方,而这些根可以依次开出。在一个过于复杂的非阿贝尔群里,比如五个根的 120 种置换构成的群,各个步骤互相妨碍,仅靠根式无法走到终点。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 阿贝尔葡萄 英语国家的数学家中流传着一个老笑话:“什么东西是紫色的而且可交换?阿贝尔葡萄。“因为英语里 an abelian grape(阿贝尔葡萄)听起来像 an abelian group(阿贝尔群)。“abelian"这个形容词太常用了,许多书都用小写字母书写,这是很少有数学家享有的荣誉。 练习:在 12 小时的时钟算术中,解 7 + x ≡ 3。再解 5 · x ≡ 1。第一个:$x\equiv3-7=-4\equiv8$,从 7 点往后走 8 小时就到了 3 点。第二个,逐个试:$5\cdot5=25=2\cdot12+1$,所以 $x\equiv5$。在时钟上,5 是它自己的逆元。

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置换根:拉格朗日定理

1770 年,代数学有一个停滞了两个多世纪的问题。二次方程有求根公式,卡尔达诺在 1545 年也发表了三次和四次方程的解法。到了五次,谁也找不到任何东西。最优秀的数学家都试过,每一种直到四次都管用的方法,到了五次就卡住了。 拉格朗日没有再去尝试一种新方法。他提出了一个不同的问题:旧方法为什么管用? 我打算在这篇论文中考察迄今为止找到的各种方程代数解法,把它们归结为一般原理,并先验地说明这些方法为什么对三次和四次方程有效,而对更高次的方程失效。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,《关于方程代数解法的思考》(1771) 这篇论文有 200 多页,由柏林科学院在 1770 年和 1771 年发表。 把根打乱 核心想法是考察由方程的根构成的表达式,看看当根互换位置时这些表达式会怎样。 先从二次开始。方程 $x^2+bx+c=0$ 的根是 $x_1$ 和 $x_2$,自韦达以来人们就知道 $$x_1+x_2=-b,\qquad x_1x_2=c.$$交换 $x_1$ 和 $x_2$,这两个表达式不变。正因为如此,它们可以用系数写出来。而差 $x_1-x_2$ 会变:变成 $x_2-x_1$,即它的相反数。它取两个值。但它的平方又只取一个值,于是可以用系数写出来: $$(x_1-x_2)^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2=b^2-4c.$$现在只需开方:$x_1-x_2=\pm\sqrt{b^2-4c}$。知道了和与差,根立刻就出来了,结果正是二次方程求根公式。公式里的 $\pm$,恰好就是 $x_1-x_2$ 可能取的两个值的符号。 四次的秘密 拉格朗日对三次和四次方程做了同样的分析。在四次方程中,设根为 $x_1, x_2, x_3, x_4$,费拉里的技巧相当于考察表达式 $$t=x_1x_2+x_3x_4.$$打乱四个根共有 $4!=24$ 种方式,但 $t$ 只取三个值: $$\begin{gathered}x_1x_2+x_3x_4,\\ x_1x_3+x_2x_4,\\ x_1x_4+x_2x_3.\end{gathered}$$这三个值是一个三次方程的根,其系数可由原方程的系数算出。既然三次方程已经会解,就能求出 $t$,进而求出根。四次方程之所以可解,是因为存在一个取值少于四个的根的表达式。 对于五次方程,拉格朗日寻找一个取值很少的五个根的表达式,没有找到。他怀疑这个问题无解,但无法证明。意大利人保罗·鲁菲尼在 1799 年给出了几乎完整的证明,说明不存在一般的求根公式;挪威人尼尔斯·阿贝尔在 1824 年彻底解决了这个问题。几年后,埃瓦里斯特·伽罗瓦把拉格朗日的想法发展成一整套理论,即群论。 定理 在这项分析中,拉格朗日证明了一个今天以他命名的结果: 如果把一个含 $n$ 个字母的表达式按所有 $n!$ 种可能的方式打乱,它所取的不同值的个数整除 $n!$。 例如,四个字母的表达式 $t$ 取 3 个值,3 整除 24。两个字母的表达式 $x_1-x_2$ 取 2 个值,2 整除 $2!=2$。

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埃瓦里斯特·伽罗瓦的遗产

这封信,如果按照它所包含的思想的新颖和深刻来评判,也许是人类全部文献中分量最重的一篇文字。 — 赫尔曼·外尔,《对称》(1952) 伽罗瓦留下了大约六十页数学,其中很多是匆忙写成的。人们花了半个世纪才读懂它们。读懂之后,它们改变了人们对数学本身的看法:不再研究数和图形,而是研究使它们保持不变的变换。 群论 第一本关于伽罗瓦理论的书,法国人卡米尔·若尔当的《置换论》,出版于 1870 年。两年后,德国人费利克斯·克莱因在他的埃尔朗根纲领中提出,每一种几何都由它的变换群来定义:欧几里得几何研究在旋转和平移下不变的东西;射影几何研究在投影下不变的东西。阿贝尔的同胞、挪威人索菲斯·李创立了以他命名的连续群,用来研究微分方程,就像伽罗瓦研究代数方程那样。 伽罗瓦的工作与阿贝尔的工作非常相似,但有一个区别。阿贝尔证明了公式不存在。伽罗瓦解释了为什么,而且这个解释同时适用于所有方程。这种谈论运算而非数的新语言的故事,也在本站符号学一书的《伽罗瓦与凯莱》一章中讲述。 自然界中的群 物理。 1918 年,德国的埃米·诺特证明,物理定律的每一种对称都对应一个守恒量:时间上的对称给出能量守恒,空间上的对称给出动量守恒。1961 年,默里·盖尔曼用一个叫做 $\mathrm{SU}(3)$ 的群整理了亚原子粒子,并预言了一种当时还没有人见过的粒子,即 1964 年发现的 Ω⁻ 粒子。 化学。 晶体中原子排列的对称群恰好有 230 种,于 1891 年完成分类。每一种矿物、每一种金属、每一种结晶的蛋白质都属于其中之一。 数论。 1995 年,安德鲁·怀尔斯通过研究与椭圆曲线相关的方程的伽罗瓦群,证明了费马大定理。椭圆曲线正是从阿贝尔的椭圆函数中生长出来的。 计算机。 有限域存在于纠错码和密码学之中。 埃瓦里斯特·伽罗瓦,由他的弟弟阿尔弗雷德绘制,1848 年发表,那时他已去世十六年。Alfred Galois · Wikimedia Commons · 公有领域 魔群 挡住五次方程公式的那个 60 元群是单群:它不能被切成更小的块。单群是所有有限群的"原子",找出全部单群是 20 世纪数学最大的工程之一。这项分类于 2004 年完成,由一百多位数学家写成,长达数万页。除了几个无穷族之外,恰好有 26 个零散单群。其中最大的魔群有 $$808\,017\,424\,794\,512\,875\,886\,459\,904\,961\,710\,757\,005\,754\,368\,000\,000\,000$$个元素,约为 $8\times10^{53}$。 留下了什么 方程论。 方程的群,以及判定哪些方程可以用根式求解的准则。 群论。 “群"这个词本身、正规子群的概念,以及把群分解成若干步骤。 有限域。 以他命名的 $p^n$ 元域。 几何。 通过旺策尔、克莱因和李,对不可能作图的解释,以及把几何看作对称性研究的思想。 科学。 粒子物理、晶体学、密码学和编码。 决斗的各种说法 决斗之谜催生了一个多世纪的传说。作家大仲马在回忆录中说,对手是一个名叫佩舍·德尔班维尔的共和派。也有人说是一名警察密探,或者是为了在葬礼上引发起义而安排的决斗。较新的研究认为,对手是一同坐过牢的欧内斯特·迪沙特莱。真相也许永远无法知道。而数学,至少完整地留了下来。

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尼尔斯·亨里克·阿贝尔的遗产

阿贝尔留给数学家们的工作,够他们忙上一百五十年。 — 据说出自夏尔·埃尔米特 阿贝尔作为数学家工作了不到八年。在这段时间里,他了结了代数中最古老的问题,为级数带来了严格性,创立了椭圆函数,还写下了一篇直到他死后几十年才被完全理解的论文。今天,他的名字出现在数学中的地方,几乎比任何人都多:阿贝尔群、阿贝尔积分、阿贝尔函数、阿贝尔簇、阿贝尔定理、阿贝尔求和、阿贝尔判别法。 巴黎论文 阿贝尔 1826 年交给巴黎科学院、后来被柯西弄丢的那篇著作,包含一个巨大的结果。它表明,对于任何代数曲线,沿曲线的某些积分之和可以化为固定数目的积分,这个数目只取决于曲线。三十年后,黎曼把这个数称为曲线的亏格,即相应曲面上"洞"的个数。今天这个结果被称为阿贝尔定理,代数几何和黎曼曲面理论都由它发展而来。据说勒让德得知这个定理后,借用拉丁诗人贺拉斯的诗句,称它为 monumentum aere perennius,“比青铜更持久的纪念碑”。 手稿的故事几乎像一部小说。阿贝尔死后,挪威驻巴黎领事请科学院寻找这份文稿。柯西找到了它,1841 年发表,但有错误。在印刷过程中,原稿再次失踪。直到 1952 年,挪威数学家维戈·布伦才在佛罗伦萨一座图书馆里,在一位意大利收藏家的文件中重新找到它。 纪念碑与奖项 古斯塔夫·维格兰创作的阿贝尔纪念碑,位于奥斯陆王宫公园。它于 1908 年揭幕,表现一位赤裸的青年站在两个怪物般的形象之上,许多人把它们理解为被他征服的五次方程和椭圆函数。Wolfmann · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 19 世纪末,挪威人索菲斯·李得知诺贝尔奖不设数学奖后,提议设立一个以阿贝尔命名的奖项。随着李在 1899 年去世,以及挪威与瑞典在 1905 年分离,这个想法渐渐搁浅。2002 年阿贝尔诞辰两百周年时,这个想法被重新提起:挪威政府设立了阿贝尔奖,2003 年首次颁给法国人让–皮埃尔·塞尔。今天它被视为数学界的诺贝尔奖。2015 年,它颁给了约翰·纳什和路易斯·尼伦伯格。 留下了什么 1929 年挪威邮票,为纪念阿贝尔逝世一百周年而发行。挪威邮政 · Wikimedia Commons · 公有领域 代数。 五次方程一般公式的不可能性、阿贝尔方程和交换群。 分析。 级数的严格性、任意指数的二项式级数,以及关于幂级数的阿贝尔定理。 椭圆函数。 积分的反演、双周期性和加法公式,与雅可比共同完成。 代数几何。 关于代数函数积分的阿贝尔定理,黎曼理论的根源。 古典几何。 用尺规等分双纽线,可分的数与圆相同。 迟到的信 阿贝尔的一生充满了阴差阳错的书信:高斯没有打开的小册子、柯西弄丢的论文、在他死后两天才到的柏林来信。1830 年巴黎科学院授予他大奖时,他已去世一年多。在挪威,他的肖像曾出现在邮票和 500 克朗纸币上,月球上还有一座以他命名的环形山。 要点回顾 尼尔斯·亨里克·阿贝尔生于 1802 年,卒于 1829 年。他的全部工作完成于 19 到 26 岁之间。 对于五次或更高次的一般方程,不存在用根式表示的公式:这就是阿贝尔–鲁菲尼定理。 二项式级数 $(1+x)^m=1+mx+\cdots$ 在 $|x|<1$ 时收敛;阿贝尔第一个对任意 $m$ 证明了这一点。 把积分 $\int\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}$ 反过来,得到双纽线正弦,一个有两个周期(一实一虚)的函数。 平分双纽线每个四分之一段的点距中心 $\sqrt{\sqrt2-1}$,这是一个可作图的数。 当操作的顺序无关紧要时,群是阿贝尔群;群为阿贝尔群的方程可以用根式求解。 来源: Arild Stubhaug,Niels Henrik Abel and his Times(Springer,2000)· 阿贝尔奖,挪威科学与文学院 · 阿贝尔传记,MacTutor。