一元代数方程都有求解公式吗?
像2x-6=0,x2-3x+2=0,x3-5x-12=0,…这样的方程都称为一元代数方程。根据最高项的次数,它们又分别称为一元一次方程、一元二次方程、一元三次方程,等等。对一元一次方程来说,解法极其简单。而一元二次代数方程的求解方法,许多古代文明也都在探索中得到了正确的结果。事实上,对一般的一元二次方程ax2+bx+c=0,(a≠0),我们有求解公式: 公式中,通过方程的系数加减乘除与根式运算表示出了方程的解,因此由这样的公式给出的解称为方程的根式解。
欧洲数学家在12世纪时掌握了二次方程的求解方法。之后,他们开始探讨一元三次方程的根式解问题。几个世纪过去了,许多人的努力都以失败而告终。1494年,有数学家甚至做出悲观的预言:求解三次方程,犹如化圆为方问题一样,是根本不可能的。
然而就在公元1500年前后,意大利数学家费罗初获成功,他得到x3+mx=n这样一类缺项一元三次方程的求解公式。但他没有发表自己的成果,直到临终前,才将自己的解法传给学生菲奥尔等人。不久,另一位意大利数学家塔尔塔利亚声称获得了三次方程求解的方法。1535年,一次公开较量在菲奥尔与塔尔塔利亚之间展开。两人相约在米兰进行公开比赛,双方各出30个三次方程的问题,约定谁解出的题目多谁就获胜。最初,塔尔塔利亚只掌握了x3+mx2=n这类没有一次项的一元三次方程的求解,为了在比赛中获胜,他经过多日的苦思冥想,在比赛前夕终于找到了多种类型一元三次方程的解法。比赛的结果是,塔尔塔利亚获得了辉煌的胜利。
竞赛后不久,另一位数学家卡尔达诺(又译“卡丹”)听说了这件事。此后,他多次向塔尔塔利亚求教三次方程的解法,最终在立下永不泄密的誓言后,塔尔塔利亚向卡尔达诺公开了自己的秘密。此后,卡尔达诺经过钻研,终于对各种类型的三次方程都得到了解法及证明。1545年,卡尔达诺出版了他最重要的数学著作《大术》,将自己的发现公之于世,同时此书中还包括了他的学生费拉里的一项重要发现:一元四次方程的一般解法。卡尔达诺的失信激怒了塔尔塔利亚,一场争吵无可避免地发生了。1548年8月10日在米兰举行的公开辩论使这场冲突达到白热化。在这次与费拉里的公开然而并不公正的竞赛中,塔尔塔利亚失败了。直到现在,三次方程的求解公式仍被称为卡尔达诺公式。
然而,数学是永不止步的。一个问题的解决往往意味着新问题的诞生。在《大术》之后,人们马上投入到下一场角逐中,即如何找到五次方程的求根公式。没有人怀疑,只要有足够的天才,一元五次方程应该也是可以解决的。但一个世纪过去了,又一个世纪过去了,没有人取得成功。
1823年底,真正的突破出现了。年仅21岁的挪威数学家阿贝尔证明了一般的一元五次代数方程没有根式解。这正是之前两个多世纪里人们对这个“圣杯”的寻求无功而返的原因。阿贝尔把自己的研究成果复制了几份。为了节省印刷费用,他把自己思想的核心浓缩出来,只有6页纸。过于简化的证明让他的论文变得晦涩难懂,因而当时未能给数学界留下印象。一生被贫困与疾病折磨的阿贝尔于1829年4月6日因病离开了人世,还不满27岁。
阿贝尔死后不久,他的证明开始被人接受,但还有新的难题有待解决。哪些方程可以用根式求解,哪些不能,有没有一个适当的判别方法,过早去世使阿贝尔没有来得及解决这个问题,于是它被留给了伽罗瓦,一位在整个数学史上最具传奇和悲剧色彩的数学家。
17岁时,伽罗瓦在这方面的研究已经取得进展,之后他在几年的时间里陆续提交了多篇研究论文。然而,他的论文或被退回或被遗失或不被理解,一直未被数学界认可的伽罗瓦感到越来越沮丧。随后,一连串不幸的个人遭遇也随之而来。在沉重的打击下,他的热情转向了政治,为此两次入狱。1832年,他介入了一场无谓的决斗。决斗前的晚上,他彻夜工作,对自己的研究成果做了简要叙述。1832年5月30日,在决斗中伽罗瓦不幸倒下,并于第二天去世,年仅21岁。10多年后,他的论文重新被编辑发表,人们承认了他的天才思想。
伽罗瓦思想之美,在于他不但证明了一般的一元五次(及五次以上)代数方程无法用根式求解,还解释了为什么一般的一元二次、三次和四次方程可以求解。他的研究同时给出了代数方程有无根式解的一个明确的判据,从而为代数方程根式可解性这一经历了300年的难题画上了圆满的句号。伽罗瓦工作的划时代意义更体现在,在解决这一问题的过程中,他引入了群论的思想,开启了数学研究的全新局面。
【科学家】阿贝尔
阿贝尔(1802—1829),挪威数学家。曾就读于奥斯陆大学。1824年,年轻的阿贝尔出版了一本小册子,证明“一般五次方程不存在求根公式”。然而,阿贝尔未得到足够重视,他在欧洲大陆没有取得合适职位,经济拮据使他回到挪威,一年多后在贫病交困中去世。死后两天,家人得到通知,他已被柏林大学任命为数学教授。
阿贝尔的另一大成就是与雅可比奠定了椭圆函数论的基础,他在数学分析中也有重要的贡献。挪威政府于2002年设立了一项数学奖——阿贝尔奖,不仅奖金极高,也是与菲尔兹奖、沃尔夫数学奖齐名的世界数学大奖。此奖于2003年起颁发,一年一次。
伽罗瓦
伽罗瓦(1811—1832),法国数学家。他天才地发现每个代数方程都有反映其特性的置换群存在,从而比阿贝尔更进一步,给出了代数方程能否有根式解的判定,创立了伽罗瓦理论。这为群论的建立、发展和应用奠定了基础。
伽罗瓦的这些惊人成就都是在中学毕业之际取得的,论文三次遭到当时法国最著名数学家的忽视,幸好在1830年出版。进入师范学校后,失望的伽罗瓦投身于革命,结果被关进监狱。出狱后不久,因为感情问题(一说实为政治迫害),伽罗瓦被人唆使决斗而死。