光的世界︰派生科學計算二‧中

照說一元二次方程式 x^2 + px + q = 0 用『配方法』來求解,應是自然順理成章之事。若從『發現』之『邏輯』來考察這一『思路』莫非源於 {(x - \Box)}^2 = {\bigcirc}^2 的『形式』之『啟發』耶?如果由二次式函數 f(x) = x^2 + px +q 之觀點來看,難到不能平移『座標系』 x = y + \alpha ,使之簡化為 y \times (y - \Box) 之『形式』乎??一個簡單的例子 x^2 - 4x + 3 = 0 或可說明,如此尋找 \alpha 以求簡化方程式的求解,實無攸利也!那個 \alpha 還得滿足原方程式 {\alpha}^2 - 4 \alpha + 3 = 0 矣!!

 

Figure q_0

Fig 1 : f(x) = x^2 - 4x +3 = (x - 1) \times (x - 3)

 

Figure q_1

Fig 2 : f(y) = y^2 - 1 = (y - 1) \times (y + 1)

 

Figure q_2

Fig 3 : f(y) = y^2 - 2y  = y \times (y - 2)

 

pi@raspberrypi:~ python3 Python 3.4.2 (default, Oct 19 2014, 13:31:11)  [GCC 4.9.1] on linux Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.  >>> from sympy import * >>> x, p, q, α, β, r1, r2 = symbols('x, p, q, α, β, r1, r2') >>> 方程式 = x**2 - 4*x + 3  # Fig 1 >>> plot(方程式) <sympy.plotting.plot.Plot object at 0x75cbba90>  >>> y, α = symbols('y, α') >>> 方程式.subs(x, y + α) -4*y - 4*α + (y + α)**2 + 3 >>> init_printing() >>> 方程式.subs(x, y + α)                     2     -4⋅y - 4⋅α + (y + α)  + 3 >>> 係數式 = collect( (方程式.subs(x, y + α)).expand(), y) >>> 係數式.coeff(y,1) 2⋅α - 4 >>> 係數式.coeff(y,0)  2           α  - 4⋅α + 3  >>> factor(方程式.subs(x, y + 2)) (y - 1)⋅(y + 1)  >>> factor(方程式.subs(x, y + 1)) y⋅(y - 2)  # Fig 2 >>> plot((y - 1)*(y + 1))                    Plot object containing:                    [0]: cartesian line: (y - 1)*(y + 1) for y over (-10.0, 10.0)  # Fig 3 >>> plot(y*(y -2))                 Plot object containing:                 [0]: cartesian line: y*(y - 2) for y over (-10.0, 10.0)  >>> 二次式 = x**2 + p*x + q >>> 常數項 = collect( (二次式.subs(x, y + α)).expand(), y).coeff(y,0) >>> 常數項  2 p⋅α + q + α  >>>  </pre>    <span style="color: #003300;">此正是拉格朗日能以『單位圓』x^2 = 1的兩個『根』x = \pm 1探索二次方程式x^2 + px + q = (x - \alpha)(x -\beta)的『預解式』為</span>r_1 = \alpha + \betar_2 = \alpha - \beta<span style="color: #003300;">不凡創見也。而且及於『三次式』、『四次式』…… 之『系統化』論述,當然得入『<a style="color: #003300;" href="https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%BE%A4%E8%AE%BA">群論</a>』歷史的殿堂吧︰</span> <h2><span id=".E5.8E.86.E5.8F.B2" class="mw-headline" style="color: #808080;">歷史</span></h2> <span style="color: #808080;">群論在歷史上主要有三個來源:<a style="color: #808080;" title="數論" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B0%E8%AE%BA">數論</a>,<a style="color: #808080;" title="代數方程" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%A3%E6%95%B0%E6%96%B9%E7%A8%8B">代數方程</a>理論和<a style="color: #808080;" title="幾何學" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%87%A0%E4%BD%95%E5%AD%A6">幾何學</a>。數論中出現的對群的研究始於<a class="mw-redirect" style="color: #808080;" title="萊昂哈德·歐拉" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%8E%B1%E6%98%82%E5%93%88%E5%BE%B7%C2%B7%E6%AC%A7%E6%8B%89">萊昂哈德·歐拉</a>,之後由<a class="mw-redirect" style="color: #808080;" title="卡爾·弗里德里希·高斯" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%A1%E5%B0%94%C2%B7%E5%BC%97%E9%87%8C%E5%BE%B7%E9%87%8C%E5%B8%8C%C2%B7%E9%AB%98%E6%96%AF">卡爾·弗里德里希 ·高斯</a>在對<a class="mw-redirect" style="color: #808080;" title="模算術" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A8%A1%E7%AE%97%E6%9C%AF">模算術</a>和與<a style="color: #808080;" title="二次體" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E6%AC%A1%E5%9F%9F">二次體</a>相關的乘法和加法的研究中進行了發展 。群論的概念在<a style="color: #808080;" title="代數數論" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%A3%E6%95%B8%E6%95%B8%E8%AB%96">代數數論</a>中首先被隱含地使用,後來才顯式地運用它們。</span>  <span style="color: #808080;">關於<a style="color: #808080;" title="置換群" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BD%AE%E6%8D%A2%E7%BE%A4">置換群</a>的早期結果出現在<a style="color: #808080;" title="約瑟夫·拉格朗日" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BA%A6%E7%91%9F%E5%A4%AB%C2%B7%E6%8B%89%E6%A0%BC%E6%9C%97%E6%97%A5">約瑟夫·拉格朗日</a>、<a class="new" style="color: #808080;" title="保羅·魯非尼(頁面不存在)" href="https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E4%BF%9D%E7%BD%97%C2%B7%E9%B2%81%E9%9D%9E%E5%B0%BC&action=edit&redlink=1">保羅·魯非尼</a>(Paolo Ruffini)和<a style="color: #808080;" title="尼爾斯·阿貝爾" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%BC%E5%B0%94%E6%96%AF%C2%B7%E9%98%BF%E8%B4%9D%E5%B0%94">尼爾斯·阿貝爾</a>等人關於高次方程一般解的工作中。1830年,<a style="color: #808080;" title="埃瓦里斯特·伽羅瓦" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%83%E7%93%A6%E9%87%8C%E6%96%AF%E7%89%B9%C2%B7%E4%BC%BD%E7%BD%97%E7%93%A6">埃瓦里斯特·伽羅瓦</a>第一個用群的觀點來確定<a class="mw-redirect" style="color: #808080;" title="多項式方程" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%9A%E9%A1%B9%E5%BC%8F%E6%96%B9%E7%A8%8B">多項式方程</a>的可解性。伽羅瓦首次使用了術語「群」,並在新生的群的理論與<a style="color: #808080;" title="域論" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%9F%E8%AB%96">體論</a>之間建立起了聯繫。這套理論現在被稱為<a style="color: #808080;" title="伽羅瓦理論" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%BD%E7%BE%85%E7%93%A6%E7%90%86%E8%AB%96">伽羅瓦理論</a>。<a class="mw-redirect" style="color: #808080;" title="阿瑟·凱萊" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%98%BF%E7%91%9F%C2%B7%E5%87%AF%E8%8E%B1">阿瑟·凱萊</a>和<a style="color: #808080;" title="奧古斯丁·路易·柯西" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A5%A7%E5%8F%A4%E6%96%AF%E4%B8%81%C2%B7%E8%B7%AF%E6%98%93%C2%B7%E6%9F%AF%E8%A5%BF">奧古斯丁·路易·柯西</a>進一步發展了這些研究,創立了<a style="color: #808080;" title="置換群" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BD%AE%E6%8D%A2%E7%BE%A4">置換群</a>理論。</span>  <span style="color: #808080;">群論的第三個主要歷史淵源來自幾何。群論在<a style="color: #808080;" title="射影幾何" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E5%BD%B1%E5%87%A0%E4%BD%95">射影幾何</a>中首次顯示出它的重要性,並在之後的<a class="mw-redirect" style="color: #808080;" title="非歐幾何" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9D%9E%E6%AC%A7%E5%87%A0%E4%BD%95">非歐幾何</a>中起到了作用。<a style="color: #808080;" title="菲利克斯·克萊因" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%8F%B2%E5%88%A9%E5%85%8B%E6%96%AF%C2%B7%E5%85%8B%E8%8E%B1%E5%9B%A0">菲利克斯·克萊因</a>用群論的觀點,在不同的幾何學(如<a class="mw-redirect" style="color: #808080;" title="歐幾里德幾何" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AC%A7%E5%87%A0%E9%87%8C%E5%BE%B7%E5%87%A0%E4%BD%95">歐幾里德幾何</a>、<a style="color: #808080;" title="雙曲幾何" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8C%E6%9B%B2%E5%87%A0%E4%BD%95">雙曲幾何</a>、<a style="color: #808080;" title="射影幾何" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E5%BD%B1%E5%87%A0%E4%BD%95">射影幾何</a>)之間建立了聯繫,即<a style="color: #808080;" title="愛爾蘭根綱領" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%88%B1%E5%B0%94%E5%85%B0%E6%A0%B9%E7%BA%B2%E9%A2%86">愛爾蘭根綱領</a>。1884年,<a style="color: #808080;" title="索菲斯·李" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B4%A2%E8%8F%B2%E6%96%AF%C2%B7%E6%9D%8E">索菲斯·李</a>開始研究<a style="color: #808080;" title="數學分析" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B0%E5%AD%A6%E5%88%86%E6%9E%90">分析學</a>問題中出現的群(現在稱為<a style="color: #808080;" title="李群" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9D%8E%E7%BE%A4">李群</a>)。</span>  <span style="color: #808080;">屬於不同領域的來源導致了群的不同記法。群的理論從約1880年起開始統一。在那之後,群論的影響一直在擴大,在20世紀早期促進了<a style="color: #808080;" title="抽象代數" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8A%BD%E8%B1%A1%E4%BB%A3%E6%95%B0">抽象代數</a>、<a style="color: #808080;" title="表示論" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A1%A8%E7%A4%BA%E8%AE%BA">表示論</a>和其他許多有影響力的子領域的建立。<a style="color: #808080;" title="有限單群分類" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%89%E9%99%90%E5%96%AE%E7%BE%A4%E5%88%86%E9%A1%9E">有限單純群分類</a>是20世紀中葉一項規模龐大的工作,對一切的<a style="color: #808080;" title="有限集合" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%89%E9%99%90%E9%9B%86%E5%90%88">有限</a><a style="color: #808080;" title="單純群" href="https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%95%E7%BE%A4">單純群</a>進行了分類。</span>     假使從『N次方程式』的『係數』,與其『根』之『因子式』的『展開式』作觀察,該『係數』都是整體『根』的『對稱』函數。因此r_2 = \alpha - \beta,若是『兩根交換』 \beta - \alpha後等於- r_2,故為『不對稱』也。不過要是能將\alpha - \beta行使『對稱化』{(\alpha - \beta)}^2 = {(\alpha + \beta)}^2 - 4 \alpha \beta,那麼r_2也就可用方程式之『係數』來表達,如是這『一元二次』方程式化成那『二元一次』聯立方程式,此解答呼之欲出也\alpha = \frac{r_1 + r_2}{2}\beta = \frac{r_1 - r_2}{2}   故稱其為『break the symmetry』打破對稱耶!!設想『紙筆計算』的年代,無法以工具『符號運算』,怎麼『想來』一事,誰知誰曉呢??當真是偶然乎☆☆  <div class="wc-shortcodes-row wc-shortcodes-item wc-shortcodes-clearfix"><div class="wc-shortcodes-column wc-shortcodes-content wc-shortcodes-one-half wc-shortcodes-column-first ">  <a href="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/PicassoGuernica.jpg"><img class="alignnone size-full wp-image-17405" src="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/PicassoGuernica.jpg" alt="PicassoGuernica" width="900" height="522" /></a>  <span style="color: #808080;"><strong>畢卡索名作《格爾尼卡》</strong></span>  <a href="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/250px-Niels_Henrik_Abel_detail.jpeg"><img class="alignnone size-full wp-image-17397" src="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/250px-Niels_Henrik_Abel_detail.jpeg" alt="250px-Niels_Henrik_Abel_(detail)" width="250" height="304" /></a>  <span style="color: #808080;"><strong>群論啟始者</strong></span>  <a href="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/250px-Evariste_galois.jpg"><img class="alignnone size-full wp-image-17396" src="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/250px-Evariste_galois.jpg" alt="250px-Evariste_galois" width="250" height="323" /></a>  <span style="color: #808080;"><strong>伽羅瓦理論創造者</strong></span>  <a href="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-Roots_chart.png"><img class="alignnone size-full wp-image-17393" src="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-Roots_chart.png" alt="220px-Roots_chart" width="220" height="246" /></a>  <a href="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-NegativeOne4Root.svg.png"><img class="alignnone size-full wp-image-17399" src="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-NegativeOne4Root.svg.png" alt="220px-NegativeOne4Root.svg" width="220" height="220" /></a>\sqrt[4]{-1}之根  <a href="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-NegativeOne3Root.svg.png"><img class="alignnone size-full wp-image-17392" src="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-NegativeOne3Root.svg.png" alt="220px-NegativeOne3Root.svg" width="220" height="220" /></a>\sqrt[3]{-1}之根  <a href="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-The_graph_y__√x.png"><img class="alignnone size-full wp-image-17395" src="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-The_graph_y__√x.png" alt="220px-The_graph_y_=_√x" width="220" height="125" /></a>\pm \sqrt{x}<a href="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-The_graph_y__3√x.png"><img class="alignnone size-full wp-image-17394" src="http://www.freesandal.org/wp-content/uploads/220px-The_graph_y__3√x.png" alt="220px-The_graph_y_=_3√x" width="220" height="123" /></a>\sqrt[3]{x}</div><div class="wc-shortcodes-column wc-shortcodes-content wc-shortcodes-one-half wc-shortcodes-column-last ">  <span style="color: #808080;">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。</span>  在『<strong>群論</strong>』 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<strong>挪威</strong>數學家<strong>尼爾斯‧亨利克‧阿貝爾</strong> 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『<strong>不可能</strong>』用『<strong>多次方根形式</strong>』\sqrt[n]{x}的一般解與對於『<strong>橢圓函數論</strong>』的研究而聞名於世。  <strong>法國</strong>著名的數學家<strong>埃瓦里斯特‧伽羅瓦</strong> 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『<strong>根式解</strong>』的『<strong>充份必要條件</strong>』,這解決了長期困擾數學界的問題。伽羅瓦是第一個使用『<strong>群</strong>』 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『<strong>現代群論</strong>』的創始人 。  過去大數學家『<strong><a title="網路道荼、蓼" href="http://www.freesandal.org/?p=2944">歐拉</a></strong>』曾經著書立論,強調新的數學常常是起源於『<strong>觀察</strong>』與『<strong>實驗</strong>』。那麼伽羅瓦和阿貝爾他們又在觀察『<strong>什麼</strong>』的呢?假使思考 N 階『<strong>多項式</strong>』和 N 次『<strong>方程式</strong>』的『<strong>融會處</strong>』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『<strong>有理數</strong>』,x_k是對應的『<strong>根</strong>』。  那麼當時果真已經證明了 N 次『<strong>方程式</strong>』就有 N 個解的嗎?其實並非如此,然而『<strong>三次</strong>』與『<strong>四次</strong>』方程式求解的一般的『<strong>方法</strong>』大概已經知道了。這又和『<strong>五次</strong>』方程式能不能求解有什麼關係的呢?就樣我們就從\sqrt{2}是『<strong>有理數</strong>』嗎開始,也許可以窺見一斑。為什麼說\sqrt{2}『<strong>不可能</strong>』是『<strong>有理數</strong>』的呢?因為它不可能『<strong>表達</strong>』成『<strong>有理數</strong>』的『<strong>形式</strong>』\frac{p}{q},一般約定的說此處p與q是整數而且互質。如果依據『<strong>歐幾里得</strong>』的證法,假使講一個有理數Q的『<strong>因式分解</strong>』,沒有任何一個『<strong>質因子次方</strong>』大於二 ── <span style="color: #808080;"><strong>其內沒有平方數</strong></span> ──,那麼這個\sqrt{Q}也就必然不會是『<strong>有理數</strong>』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『<strong>互質</strong>』,所以p = k \cdot Q,而且k, q也『<strong>互質</strong>』,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p和q就有了共同『<strong>因子</strong>』Q,這卻產生了『<strong>假設矛盾</strong>』,因是之故,『<strong>歸謬</strong>』的得出了\sqrt{Q}不是『<strong>有理數</strong>』。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?