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五次方程為什么沒有一般解:一部天才的血淚史

 菌心說 2021-11-23

1930年,20歲的華羅庚終于迎來了人生的轉(zhuǎn)機(jī),他的論文《蘇家駒之代數(shù)的五次方程式解法不能成立之理由》震動了數(shù)學(xué)界,清華大學(xué)數(shù)學(xué)系主任熊慶來也對他拋來了橄欖枝,少年華羅庚開始他數(shù)學(xué)家的一生。

這并不是這位初中畢業(yè)的數(shù)學(xué)家第一次投稿,自16歲起,他就陸續(xù)向雜志投遞數(shù)學(xué)論文,編輯的意見大多是這個問題法國數(shù)學(xué)家已經(jīng)解決了,那個問題德國數(shù)學(xué)家已經(jīng)解決了。

可是五次方程的問題同樣是一鍋冷飯,一百多年前天才數(shù)學(xué)家阿貝爾就已經(jīng)證明了五次方程的代數(shù)解法不可能存在,為什么這鍋冷飯卻炒出了熱度呢?

這是由于人類從走到地面的那一刻起,就對未知世界有一種探索的欲望,對于數(shù)學(xué)家來說,這種欲望就是對未知量的追尋,而解方程就是探求未知量的最好方式。

一、三個“代數(shù)之父”

第一個著手解方程的是古希臘的丟番圖。

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說起丟番圖,自然會想起費(fèi)馬。費(fèi)馬就是在丟番圖的《算術(shù)》的啟發(fā)下寫出了費(fèi)馬大定理,并且聲稱書上的空白太小了,他寫不下證明過程,這要么是費(fèi)馬想錯了,要么就是在吹牛,不過這還真影響了后來的數(shù)學(xué)家。

作為偉大的數(shù)學(xué)家,還要靠晚輩費(fèi)馬的狡猾才能名揚(yáng)于世,這有點(diǎn)說不過去,丟番圖也有著自己的成就,這就是一次方程的解法?,F(xiàn)在我們看一次方程很簡單,只要會移項就可以了,而移項就是丟番圖發(fā)明的。

丟番圖更著名的一件事就是創(chuàng)立了代數(shù)的符號體系。

在丟番圖之前,人們都是用文字表示數(shù)學(xué),在《射雕英雄傳》中,黃蓉給瑛姑出的數(shù)學(xué)題就是這樣的?!敖裼形锊恢鋽?shù),三三數(shù)之剩二,五五數(shù)之剩三,七七數(shù)之剩二,問物幾何?”,要不是專業(yè)數(shù)學(xué)家,聽起來就有點(diǎn)不知所云了。

丟番圖創(chuàng)立的并不是我們現(xiàn)在使用的代數(shù)符號,他的符號體系看起來如同天書,不過這是偉大的一步,他也因此成為了“代數(shù)之父”。

第一位代數(shù)之父解決了一次方程的問題,二次方程就需要第二位代數(shù)之父來解決了,他就是花刺子模。

這個名字聽起來是不是有點(diǎn)耳熟呀,對的,這就是黃幫主相助郭大俠率領(lǐng)蒙古鐵騎攻占的那座城,不過數(shù)學(xué)家花刺子模應(yīng)該算是花刺子模的祖宗了。

花刺子模平生不可考,人們只知道他可能來自花刺子模,于是就叫他花刺子模,這就跟商鞅一樣,因為他來自商國,就叫做了商鞅。

其實二次方程的解法丟番圖也涉及了,不止丟番圖,世界各大文明都對這個問題有興趣,

早在公元前2000年左右,古巴比倫人就找到了二次方程的解法,隨后在公元前480年,中國人用配方法解決了二次方程,印度人也找到了辦法,不過這些都算不上一般解法。

最終的解決辦法還是由花刺子模找到的,花刺子模不但找到了解法,還命名了一個詞,這就是“根”,我們現(xiàn)在把方程的解叫做方程的根就來自于花刺子模。不只是方程的根,“代數(shù)”這個詞也是他發(fā)明的,因此他也被稱為“代數(shù)之父”。

二次方程的求根公式我們都很熟悉了,更值得一提是韋達(dá)。

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韋達(dá)本來是律師,后來當(dāng)過議員,還破譯過密碼,我們的政治家業(yè)余大多成為了詩人文學(xué)家,而韋達(dá)卻成為了業(yè)余數(shù)學(xué)家。

韋達(dá)對丟番圖是代數(shù)符號很感興趣,只是丟番圖的符號猶如天書,他改進(jìn)了丟番圖的符號系統(tǒng),用英語中輔音字母代表已知量,用不常用的xyz代表未知量,我們現(xiàn)在數(shù)學(xué)公式的寫法就來自于韋達(dá),韋達(dá)也成了代數(shù)學(xué)之父

韋達(dá)的貢獻(xiàn)不止于此,在代數(shù)和幾何方面都貢獻(xiàn)頗豐,他最著名的當(dāng)然是韋達(dá)定理。

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推廣開來的話,韋達(dá)定理對高次方程一樣成立。

二、賭徒卡爾丹諾

二次方程已經(jīng)解決了,人們又把目光投向了三次方程,當(dāng)時人們把三次方程的問題分成了兩類,分別是:

  1. ax3+bx=n
  2. ax3+bx2=n

大學(xué)教授費(fèi)羅解決了第一類三次方程的問題,不過他并沒有公布,臨去世前他把解法告訴了一個威尼斯人,還記得莎翁的《威尼斯商人》嗎?在莎翁眼里威尼斯人就是貪婪狡詐的代名詞,這還真不是莎翁的偏見,這個威尼斯人也是這樣的。

得到第一類三次方程的解之后,威尼斯人就打算靠這個掙點(diǎn)錢,他想到的方法就是打擂臺。

咱們沒事喜歡擺個擂臺,會一會江湖好漢,講究的是以武會友,當(dāng)然也不是每個人都這么高尚,這要的是揚(yáng)名立萬,可威尼斯人的擂臺純粹是為了掙錢,在境界上差了不止一籌。

他已經(jīng)知道了第一類三次方程的解法,別人還得通過因式分解之類的數(shù)學(xué)技巧,隨便編幾個數(shù)做不到因式分解也不是什么太難的事,這簡直就是詐騙呀。

可是威尼斯人還是小覷了天下英雄,數(shù)學(xué)擂臺引出來了一位英雄,他就是塔塔尼亞。塔塔尼亞直譯過來就是“口吃的人”,從名字上就可以看出來,這位仁兄不善言辭,雖然嘴不利索,可大腦聰明呀。

塔塔尼亞當(dāng)時已經(jīng)找到了第二類方程的解法,他也認(rèn)為自己穩(wěn)贏不輸。

在武俠小說中,我們經(jīng)常會看到這樣的情節(jié),某位少俠在和大魔頭決戰(zhàn)前夜,一夕之內(nèi)頓悟高深武功,一刀砍下大魔頭狗頭并抱得美人歸,是不是感覺這種橋段很扯淡,事情告訴我們,這是完全可能的。

在比賽之前,他才聽說了威尼斯人已經(jīng)知道了第一類方程的解法,看起來這場比賽要輸了。可塔塔尼亞根本就不在乎,僅僅用了幾個小時就解決了第一類三次方程,結(jié)果自然是少俠塔塔尼亞大獲全勝,因為兩類方程的解法他都知道而威尼斯人只知道第一種。

塔塔尼亞贏得了比賽,可是他并沒有要威尼斯人兌現(xiàn)賭注,看來他是想揚(yáng)名立萬呀。他也確實揚(yáng)名了,連卡爾丹諾都聽說過他了。

卡爾丹諾是一個私生子,他那個不負(fù)責(zé)任的父親有一位好朋友就是著名的達(dá)芬奇,有這么一位好叔叔,卡爾丹諾自然也是才華橫溢。

文章圖片4

他是醫(yī)學(xué)博士,英王的御醫(yī),任教于多所大學(xué),這是不是很牛了呀,不過作為達(dá)芬奇的大侄子,不跨界都對不住他叔叔,他還是一個發(fā)明家,發(fā)明了萬向軸組合鎖,不要忘了,達(dá)芬奇的主業(yè)是藝術(shù)呀,卡爾丹諾自然也要向叔叔靠攏,他寫過一本《安慰》,莎翁的那一句“To be or not to be”就來自于這本書。

他著述頗豐,光出版的就有130多本,而且大多都是暢銷書,不過在那個著作權(quán)得不到保護(hù)的年代,光靠寫書是發(fā)不了財?shù)?,想想也是,就算是達(dá)芬奇這樣的天才伽利略這么偉大的科學(xué)家也是要依附美第奇家族的。

不過錢的事難不倒他,他還有兩個愛好,一個是算命一個是賭博。

賭博這種事情雖然有點(diǎn)靠技巧,但大部分情況下還是靠運(yùn)氣,就算是運(yùn)氣好,也扛不住一直賭下去呀,賭壇老前輩軒轅三光就是天光地光人也光,一輩子都不名一文。

卡爾丹諾也是這樣的賭徒,一怒之下他寫了一本《論賭博游戲》,這就是最早的概率論,不過賭博還只是損失金錢,算命卻要了他的命。

他擅長相面,不過準(zhǔn)確度堪憂,這還沒有什么大不了的,算不準(zhǔn)也就付之一笑罷了,他還精通占星術(shù),這本來是可以發(fā)大財?shù)模诠染褪强空夹切g(shù)發(fā)達(dá)的,要是像第谷一樣老老實實地為達(dá)官貴人們算算吉兇也就罷了,他居然用占星術(shù)推算出來了耶穌的出生星位,這下惹惱了教會,把他送進(jìn)了監(jiān)獄,也因此失去了大學(xué)教職。

當(dāng)時卡爾丹諾正在寫《大衍術(shù)》,聽說了塔塔尼亞的戰(zhàn)績后,就想把塔塔尼亞的解法寫到他的新書中,明著要人家的解法肯定不合適,塔塔尼亞雖然口吃可也不傻。

卡爾丹諾就寫信給塔塔尼亞說可以把他介紹給達(dá)官貴人,卡爾丹諾本來就是這些達(dá)官貴人的座上賓,因為他是御醫(yī)還是占星家,這對于塔塔尼亞來說誘惑太大了,于是塔塔尼亞就跑到卡爾丹諾家里住了兩天,在卡爾丹諾的花言巧語下,塔塔尼亞就把秘密對卡爾丹諾和盤托出了,不過他要求卡爾丹諾嚴(yán)守秘密,可是他忘了,卡爾丹諾才是最不應(yīng)該告訴的人。

1545年,卡爾丹諾出版了《大衍術(shù)》,在書中公布了三次方程的一般解,塔塔尼亞自然是怒火沖天,雙方展開了論戰(zhàn),可能是感覺到了理虧,卡爾丹諾并沒有親自出馬,只是派弟子出戰(zhàn),他的這位弟子也是鼎鼎大名的人物,就是解決了四次方程一般解的費(fèi)拉里。

論戰(zhàn)持續(xù)了三年,以塔塔尼亞的失敗而告終,因為塔塔尼亞忘記了一點(diǎn),在他之前就有人解出了第一類方程,他根本就沒有首創(chuàng)權(quán)。

其實在第一類三次方程的解法出現(xiàn)之后,三次方程的一般解已經(jīng)浮出水面了。

x3+ax2+bx+c=0

這是三次方程的一般形式,只要經(jīng)過一個簡單的變換,方程就可以變形成第一類形式。

我們令y=x+a/3,再把y代入原方程,那么方程就變成了這樣。

y3+(b-a2/3)y+c-ab/3+2a2/27

再整理一下,就成了

y3+py+q=0

這是不是已經(jīng)和第一類三次方程ax3+bx=n完全一樣了,可以看出來,卡爾丹諾實在是占了一個大便宜。

1557年,塔塔尼亞在憤怒中去世了,并沒有帶走他應(yīng)得的名聲。

最后再說一下卡爾丹諾的結(jié)局。

卡爾丹諾對自己的算命本領(lǐng)非常自信,沒人找他算,他就給自己算,他計算出了自己的死期,可是到了那天,他活蹦亂跳的根本就沒有死亡的跡象,卡爾丹諾沉思良久,決定還是保全自己的名聲,干脆自殺了。

三、天才阿貝爾

自四次方程求解公式出現(xiàn)以后,好長時間都沒有高次方程的突破,倒不是沒有天才,歐拉高斯都出現(xiàn)了,怎么可能沒有天才,而是熱度下降了,因為牛頓出世了。

牛頓帶來了微積分,這就好像哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸一樣,天才們都像冒險家一樣沖向了新大陸,另外由于工業(yè)革命的到來,也需要大量的數(shù)學(xué)家去研究和工業(yè)相關(guān)的問題,這樣繼續(xù)耕耘自己家那片自留地的人就少了。

不過大師們并沒有忘記這個問題,只是他們已經(jīng)不想再按部就班地五次方程六次方程這樣解下去了,他們要找到一勞永逸的辦法來徹底解決高次方程的解法問題。

歐拉最早對這個問題做了研究,他指出了高次方程的一般解可能形式,他的解決思路還是降次,其實方程的解一直是這個思路,二次方程就是降成了一次方程,三次方程降成了二次方程,在歐拉看來,只要降次這個思路行得通,就算n次方程也沒關(guān)系,反正可以變成n-1次,以此類推,就可以降到一次了,不過他并沒有對此深入研究。

拉格朗日接過了歐拉的旗幟,他沿著這條路走了下去,可是在把五次方程降為四次方程的過程中,他發(fā)現(xiàn)這是一個不可能完成的任務(wù),拉格朗日只留下了一個拉格朗日定理就放棄了,連拉格朗日都解答不出來的問題不多呀,這是不是意味著五次方程就沒有一般解呢?

高斯也感覺到了五次方程可能不存在一般解,不過高斯從來是謀定而后動,沒有百分之百把握從來不發(fā)論文,以至于后世數(shù)學(xué)家有一個什么新想法先得翻翻高斯的故紙堆,別自己歷盡千辛萬苦爬上山頂,一看商定有一堆高斯烤羊肉串的竹簽子,那不就白費(fèi)勁了,由于高斯的謹(jǐn)慎,他并沒有發(fā)表關(guān)于五次方程的看法。

高斯沒發(fā)表,并不代表別人不發(fā)表。

柯西基本上就是高斯的反面,只要有想法就忙不迭地發(fā)表,不管是不是成熟,為此柯西還專門辦了一個私人雜志來記錄他每一次的智慧閃光,畢竟要投稿的話人家都要審核一下,這就有可能耽誤柯西的想法第一個面世。

只是柯西也沒有解決這個問題,不過他找到了問題的關(guān)鍵所在。

終于輪到阿貝爾出場了。

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要說科學(xué)史上誰最窮,毫無疑問是開普勒,這位“天空立法者”連孩子都養(yǎng)不起,最后自己還死在了討薪路上,可比起阿貝爾來,開普勒簡直就是小康了,畢竟開普勒也闊過,他有過土豪老師第谷,也娶過有錢的名門寡婦,還得到了應(yīng)得的榮譽(yù)。

阿貝爾是挪威人,祖父父親都是牧師,也算是上流社會吧,按理說最不濟(jì)也是個小康吧,可阿貝爾的父母都不著調(diào),父親因為仕途不順,天天酗酒,結(jié)果早逝,留下了一堆孤兒寡母,他母親更沒譜,丈夫尸骨未寒就和情人顛倒鸞鳳。

可是這一切都沒有消磨掉阿貝爾的雄心壯志,在18歲上他就著手研究五次方程的問題,在1824年,22歲的阿貝爾得出了結(jié)論,可是他太窮了,連印刷論文的錢都沒有,于是他把論文壓縮到了六頁。

我們常說德布羅意就靠幾頁紙的論文得到了博士學(xué)位并獲得了諾貝爾獎,也曾取笑費(fèi)馬在書的空白處寫證明,不過德布羅意的故事只是傳說,費(fèi)馬可能是自己的托詞,而阿貝爾的六頁證明卻是實打?qū)嵉摹?/p>

阿貝爾把論文寄給了高斯,可是根本就沒有回音,當(dāng)時高斯已經(jīng)聲名卓著,每天都有無數(shù)人聲稱自己解決了某個難題,這就跟陳景潤出名之后天天有人寫信聲稱證明了哥德巴赫猜想一樣,何況阿貝爾的論文只有六頁紙。

在高斯那碰壁后,阿貝爾又把論文輾轉(zhuǎn)送到了柯西手里,可是一看這六頁紙,柯西就有些輕視,不過柯西好歹答應(yīng)看了,可是轉(zhuǎn)頭就忘了扔在哪了。

阿貝爾此時已經(jīng)不堪重負(fù)了,開普勒最難的時候是吃不上飯,而這就是阿貝爾的日常,開普勒死在了討薪的路上,而阿貝爾一直走在還債的路上。

世界對于這個不世出的天才已經(jīng)是惡意滿滿,不過阿貝爾的厄運(yùn)還沒有完,禍不單行的是阿貝爾還染上了肺結(jié)核,這在當(dāng)時就是絕癥,當(dāng)柏林大學(xué)的聘書到來的時候,阿貝爾已經(jīng)撒手塵寰。

在阿貝爾短暫的一生中,有幸的是遇到一個好友和未婚妻,他的好友就是克雷爾,克雷爾在自己創(chuàng)辦的雜志上刊登了阿貝爾的論文,這讓阿貝爾的智慧火花有了閃耀的機(jī)會,在阿貝爾生命的最后時光,他美麗的未婚妻拒絕了所有人,給了阿貝爾最后的溫柔。

要是高斯看一眼阿貝爾,要是柯西不弄丟他的論文,要是世界給阿貝爾一點(diǎn)善意,那么阿貝爾的成就不可限量,他就會分享伽羅華群論的光榮,可是沒有假設(shè)。

讓我們永遠(yuǎn)紀(jì)念這位偉大的天才。

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