【Sonic π】電路學之補充《四》無窮小算術‧中下下‧上

PicassoGuernica

畢卡索名作《格爾尼卡》

 

250px-Niels_Henrik_Abel_(detail)

群論啟始者

250px-Evariste_galois

伽羅瓦理論創造者

220px-Roots_chart

220px-NegativeOne4Root.svg

\sqrt[4]{-1} 之根

220px-NegativeOne3Root.svg

\sqrt[3]{-1}之根

220px-The_graph_y_=_√x

\pm \sqrt{x}

220px-The_graph_y_=_3√x

\sqrt[3]{x}

概念的由來並非是無根之木突然結果,自有歷史的淵源,比較像鐵樹開花,基礎之因和境遇之緣的偶遇,彷彿一道閃光劃破天際,於是人們就知道了雷聲不遠的了。

在『群論』 group theory 的歷史上,兩位重要的興起者,或許因為不同的環境因素,都發生不幸的早夭事件。其一是挪威數學家尼爾斯‧亨利克‧阿貝爾 Niels Henrik Abel 生於一八零二年,一八二五年得到政府之資助,始得遊學柏林和巴黎。由於生前不得志,現實裡一直無法獲得教席而能專心的研究,最終在一八二九年,因肺結核在挪威的弗魯蘭病世。就在死後兩天,家中收到了來自柏林的聘書。阿貝爾他以證明五次方程式『不可能』用『多次方根形式\sqrt[n]{x} 的一般解與對於『橢圓函數論』的研究而聞名於世。

法國著名的數學家埃瓦里斯特‧伽羅瓦 Évariste Galois 生於一八一一年,當他還是十多歲的青年之時,他就已經發現了 N 次多項式可以用『根式解』的『充份必要條件』,這解決了長期困擾數學界的問題。伽羅瓦是第一個使用『』 group 這一個術語的人。據聞他是一位激進的共和主義者,在路易‧菲利普復辟的時期被捕入獄。一八三二年時,伽羅瓦於出獄後,在一次幾乎自殺式的決鬥中喪了命,此事件的起因引起了多方各種的揣測??在今天他與阿貝爾並稱為『現代群論』的創始人 。

過去大數學家『歐拉』曾經著書立論,強調新的數學常常是起源於『觀察』與『實驗』。那麼伽羅瓦和阿貝爾他們又在觀察『什麼』的呢?假使思考 N 階『多項式』和 N 次『方程式』的『融會處

P(x) = \sum \limits_{i=0}^{i=n} c_i \cdot x^i = 0 \ =?= \prod \limits_{k=1}^{k=n} x - x_k

,此處 c_i 是『有理數』,x_k 是對應的『』。

那麼當時果真已經證明了 N 次『方程式』就有 N 個解的嗎?其實並非如此,然而『三次』與『四次』方程式求解的一般的『方法』大概已經知道了。這又和『五次』方程式能不能求解有什麼關係的呢?就樣我們就從 \sqrt{2} 是『有理數』嗎開始,也許可以窺見一斑。為什麼說 \sqrt{2}不可能』是『有理數』的呢?因為它不可能『表達』成『有理數』的『形式\frac{p}{q},一般約定的說此處 pq 是整數而且互質。如果依據『歐幾里得』的證法,假使講一個有理數 Q 的『因式分解』,沒有任何一個『質因子次方』大於二 ── 其內沒有平方數 ──,那麼這個 \sqrt{Q} 也就必然不會是『有理數』的了。這又是為什麼呢?因為假設 \sqrt{Q} = \frac{p}{q},就可以得到 p^2 = q^2 \cdot Q,然而因為 p, q互質』,所以 p = k \cdot Q,而且 k, q 也『互質』,這樣又可以得到 q^2 = k^2 \cdot Q,因此 q = m Q  就一定是當然的了,於是 pq 就有了共同『因子Q,這卻產生了『假設矛盾』,因是之故,『歸謬』的得出了 \sqrt{Q} 不是『有理數』。那麼當我們談及 P(x) = x^2 -2 = 0 = (x + \sqrt{2})(x - \sqrt{2}) 時,這裡所說的『多項式』與『方程式』是一樣的嗎?它們的內在聯繫又是什麼的呢?

如果說一個『』的定義是

群是一個集合 G,這個集合內定義了一種『二元運算\cdot一、對於任何的 a,b \in G,就有 a \cdot b = c \in G,這叫做『封閉性』。二、而且對於任何的 a,b,c \in G,都有 (a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c),這稱之為『結合性』。三、同時在 G 中有一個『單位元素e,對於任意 G 中的元素 a,都滿足 e \cdot a = a \cdot e =a四、其次對於任意 G 中的元素 a 皆存在一個『反元素a^{-1},使得 a \cdot a^{-1} = a^{-1} \cdot a = e

就這麼簡單的『群四條』果真能得到什麼『結果』的嗎?就像有人說『牛頓的運動定律\vec{F} = m \cdot \vec{a} 也只不過是個『因果』原理的嘛?彷彿『中藥』有『藥方』與『藥引』之說法一般;一個理論的抽象『概念』也有『關鍵點』和『下手處』一樣。假使我們設想對於一個『』之『二元運算』形式所無法『表達』的『對象』,那個『對象』在此『運算群』來說就是『不可能』求解的吧!所以 x^2 = 2x^2 = 4 其實很不相同,有理數系的『加法』與『乘法』都滿足『加法群』和『乘法群』的要求,但由於 \sqrt{2} 無法表達成『有理數』的形式,因此才被叫做『無理數』的啊!也可以說『可求解性』和『可表達性』這兩個概念發生了內在的聯繫,於是人們開始用著不同的『觀點』與『角度』理解方程式『求解』的一般性問題的了!!

假使我們思考 a + b \sqrt{Q} 這樣形式之數所構成的集合 S,此處 a,b,Q 都是有理數,Q 中沒有任何的『平方數』因子。如果 p = a_p + b_p \sqrt{Q}q = a_q + b_q \sqrt{Q} 都屬於 Sp + q = (a_p + b_p \sqrt{Q} ) + (a_q + b_q \sqrt{Q}) = (a_p + a_q) + (b_p + b_q) \sqrt{Q} 屬於 S,加法『單位元素』是 0p 的加法『反元素』是 - a_p - b_p \sqrt{Q},又滿足『結合性』,所以說 S 是一個 a + b \sqrt{Q} 這樣形式之數的『加法群』。同理也可以驗證 S 是一個 a + b \sqrt{Q} 這樣形式之數的『乘法群』,當然 0 是沒有『乘法反元素』的,乘法的『單位元素』是 1。這樣任意的有理係數多項式 P(x) = \sum \limits_{i=0}^{i=n} c_i \cdot x^ix = a + b \sqrt{Q} 求值的結果,也只能是 r + s \sqrt{Q} 的形式。如果我們再細想 a + b \sqrt{Q} = c + d \sqrt{Q} \Longrightarrow a = c, b = d,那麼假設 P(x) = 0 有一個 解是 \alpha + \beta \sqrt{Q},它是否就必得有另一個解是 \alpha - \beta \sqrt{Q} 的呢?這就像 a x^2 + b x + c = 0 的符號解是 \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4 a c}}{2a} 一般,那個正負號 \pm 所表達的就是『成對』出現的意思的啊!再舉個例子來說, 3^{500}  除以 5 的餘數計算,由於餘數只可能是 0,1,2,3,4,因此我們計算 3 \ mod \ 5 = 33^2 \ mod \ 5 = 43^3 \ mod \ 5 = 23^4 \ mod \ 5 = 13^5 \ mod \ 5 = 3,所以 3^{500} = {3^4}^{125} \ mod \ 5 = 1。為什麼我們會這麼算的呢?因為餘數的個數僅只五個,所以 3 的連續乘幕不可能不發生重複,由於這個觀點的轉換,簡化了求解的方向。從這個角度來說,『群論』對方程式『可解性』的研究也是這樣,換個方向來看問題。