03.05 伽羅華群---數學家避而不談的祕密

普通人要不要了解現代數學的奧秘,或者說數學家要不要向一般人宣傳現代數學,是當代數學家的一個心結。從理智和情感上講,數學家非常想普羅大眾能分享他們的研究成果,絕大多數人都渴望大眾的認可,數學家也不例外。問題在於,現代數學的大多數內容都埋藏在數學邏輯推導的細節中,同時,現代數學的結果往往出乎大家的想象。而且很多結果又沒有直觀性,還需要很多數學上的一系列知識鏈去支撐它,否則外人看來就像天方夜譚。而講清楚那些知識,可不是一朝一夕能辦得到了。所以數學家在數學方面,跟大眾對話非常的累。有一種不在一個頻道的感覺。


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



從另一方面講,可能是數學研究耗盡了數學家太多的精力,有名的大數學家往往講話中氣不足,比如陶哲軒,懷爾斯等,不像影星或者政治家那樣具有煽動性。每當偉崗在油管上看那些思想極其深邃數學家的演講,都有一絲遺憾的感覺,思維如此敏捷的人怎麼說話那麼低調,似乎自信心不強,很多重要內容竟然要要反覆地聽才能注意到!這給大家接觸現代數學造成一定的障礙。


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



當然從好的一方面講,現在的科技手段還能夠給大家展示數學家的風采,聽數學家細細敘述他們的思想。如果沒有視頻,你去讀數學家的著作,你根本就讀不下去。而且可能你連一點知識也學不到。偉崗前面就講過,讀黎曼猜想提出的原始論文,你根本就找不到黎曼猜想!也就是說,你連黎曼猜想怎麼提出的都找不到,更不要說深入的解釋和關聯信息。讀其它的論文也一樣。懷爾斯證明費馬最後定理的論文網上也可以下載到,可是你去讀,也根本讀不出一個知識點,說是天書都不過分。


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怎樣突破數學家跟大眾的隔閡,目前誰也沒有好辦法。數學知識的積累太快了,而一般人受到的教育(指數學方面)又太初級。目前一個高中畢業生大概只能掌握古希臘時代的數學知識。如果你是個悲觀主義的人,你甚至認為一般人可能連古希臘人的數學都掌握不了。也就是說普通人竟然落後數學家幾千年!雖然在數學發展史上,停滯發展了幾百年,但是後來高速發展階段的近代現代數學竟然跟很多人無緣,這是一個極大的悲哀。


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



偉崗的觀點是,我們現代人應該積極地去接觸近代現代數學,雖然貌似學習瞭解這些數學知識沒有什麼現實作用。但是涓涓細流可以匯成大海,如果每個人或者很多人都積極去深入理解學習現代數學,大家就會在很多場合談論數學,在談論的過程中一些思維的火花就會迸發,這些火花肯定會極大推動現代數學被大眾理解從而促進數學的發展。


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



當然瞭解學習現代數學難度還是比較大,這也許是大多數人放棄學習的主要原因。拿這個伽羅華群來說,幾乎所有數學科普書都沒有深入地探討,最多也是提到對稱性。可見這個話題是個禁區,數學家認為難度超過大眾的理解。


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



其實伽羅華群可不是對稱那麼簡單。偉崗前面寫的兩篇可以說是連伽羅華群的邊都沒有摸到,但是但是還是有很多同學朋友反應太難了,閱讀量也嚴重下降,可見很多朋友同學都放棄了。也許目前市面上的數學科普書是對的,群論是科普很難說清楚的領域,深入地探討群論有一點曲高和寡的味道。


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不過偉崗還是想堅持寫下去,雖然偉崗的水平非常有限,但是把高深的數學知識展現給大家一起探討,也是一種樂趣。也希望多一點朋友同學跟偉崗一起嘗試進入數學家的世界,如果大家都不關注數學家在幹什麼,數學的發展就會停滯不前了。


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偉崗前面寫了三篇關於群論的文章,大致總結一下就是,群論是研究一組數的結構,而不是研究具體數或者運算。要實現研究一組數的結構,數學家(伽羅華首創)把一組數放在一起,用4個規則把這些數組合在一起,也就是封閉性,結合律,單位元和逆元。不要小看這簡單的4個規則,它開闢了一個嶄新的世界。很多意想不到的結果都被數學家證明出來,其中最古老最重要的就是證明5次及5次以上方程沒有根式解(事實上群論就是為了解決這個根式解難題而產生的)。


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根式解問題產生的最根本原因是數的性質。伽羅華以他敏銳的洞察力斷言,存在一類數,這類數滿足5次及5次以上方程(也就是說是五次及5次以上方程的解),但是這類數無法通過其他有理數的加減乘除以及開方運算得到。而最最的關鍵地是,那些其他有理數就是5次及以上方程的係數。也就是說,5次及5次以上方程存在這樣的解,它們無法用方程的係數通過加減乘除以及開方運算計算出來。


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



伽羅華證明了他的斷言,用的就是他首創的群論。當然伽羅華也不是憑空想起群論這個理論,他第一步是引進拉格朗日的置換理論,提出置換群理論,這個是證明伽羅華定理(也就是5次及5次以上方程沒有根式解定理)的關鍵。

置換群中的元素不是具體的數,而是置換運算,這是群論的第一個難點。在初等數學階段,我們只習慣對具體的數或圖進行運算推理,雖然有時候用字母來代替具體的數,給我們的運算推理造成很大的麻煩,但還是可以把那些字母想象成具體的數,甚至可以用具體的數去驗算。到了群論階段,你要用更抽象的思維來思考問題。置換群是一個起點。


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要理解伽羅華理論,域論也是一個攔路虎。複雜的域論是證明伽羅華定理的必須。域論的存在,偉崗認為是為了把多項式跟群論結合起來。用群論的方法研究多項式,就是把多項式的係數提煉出來,通過對係數的組合,研究多項式組成方程根的性質,最終得出伽羅華定理。


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分裂域是域論的一個難點,也是連接多項式係數和根的一個橋樑。分裂域不但把多項式的係數和根都組合在一起,而且組合的形式又採用了跟多項式因式分解有關的擴域方法。這些都是後來證明伽羅華定理的必須準備,只可惜到了這一步,偉崗也理解不了埋藏在擴域形式後面的邏輯關係,這個肯定跟伽羅華定理的證明有關,但關聯在哪裡就找不到直接的聯繫了。

有了擴域和分裂域,我們就可以看看什麼是伽羅華群了。這又是一個非常抽象的東西,因為組成伽羅華群的元素既不是具體的數,也不是顯而易見的轉換(比如置換群的元素),而是被數學家定義為自同構的變換!


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



伽羅華群的定義是這樣的(還是按照抽象代數教科書):假定E是F的伽羅華擴域,E的所有使F中元素固定不變的域自同構成為一個群,記這個群為G=Gal(E/F),稱為擴域(E/F)的伽羅華群。

上面這個定義雖短,卻有很多數學秘密,這些秘密現在的數學科普書讀不到,但願不久的將來,大眾的數學水平提高了,這樣的定義就像方程的定義一樣廣為人知。


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



首先,什麼叫伽羅華擴域?伽羅華域實際上就是有限域的代名詞。數學越往深處學,名詞和代號符號會成為巨大的障礙。就連舒爾茨這樣的天才,也有一個專門的櫃子放置關於數學代號符號及名詞的文檔,隨時查閱,可見這些內容的繁雜且不容易記住。我們數學水平比較低的人,之所以讀到現代數學家的文獻感到像天書,最令人困惑的就是一堆數學符號,你根本搞不清這些符號代表什麼意思,怎麼來的。但願以後印刷技術發展了,點一個符號就可以看到它的意思,這樣數學的推廣和發展會上一個臺階。有限域就是元素個數有限的域,這個好理解;


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為什麼要採用擴域的形式來定義伽羅華群也是相當困擾大家的。為什麼不直接就定義一個域呢?這裡面大有講究。把多項式係數跟方程的根既組合又區別對待,這是伽羅華理論的精髓。

事實上從教科書後面的內容看,正是因為有了擴域才使得判斷多項式方程有沒有根式解成為可能。這裡面也有很多數學家不願意講給大眾聽的秘密,因為這些內容有一定的難度。按照偉崗的理解,粗略地講,當一個方程在實數域裡沒有解,這時它在實數域裡因式分解就不可能(數學家稱之為不可約),但是這個方程在複數域裡肯定是有根的,這時多項式的分裂域可以由多項式方程的根來表示。通過這個分裂域可以求出多項式伽羅華群的階數,通過這個階數加上其他條件就可以判斷多項式方程有沒有根式解。


伽羅華群---數學家避而不談的秘密



上面這些敘述蘊含的數學知識還是太多,對於普通人也許暫時忽略它們比較合適,大家只要知道,伽羅華精妙地把多項式係數和多項式組成方程的根結合在一個群中,同時又區別對待了多項式係數和根,這使得在數學證明上有很多特殊手段,找到一個方程有沒有根式解的充分必要條件。


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接下來域的自同構又是一個三言兩語講不清楚的數學概念。第一,你必須理解同構。我們前面講過,群是研究數的結構的。同構的概念就相當於運算中的等號。也就是說,在群論中,如果兩個群同構,那麼就可以當做是一個群來研究。那麼怎樣才使得兩個群同構呢?數學家把兩個群之間如果存在一一對應的關係(數學上叫映射),那麼兩個群就同構。當然還有很多細節要去理解,不過大體上講,兩個群只要群裡的元素能夠對應起來,那麼兩個群的結構就是一致的,也就是同構。至於對應方式,在群論中就很少研究,畢竟群論是研究群結構的,而不是研究怎樣得到一個特定的結構,所以群論中的對應(也就是映射)是個抽象的東西,沒有具體內容,但是又確實存在,這也許是數學家不願意給大眾上課講同構的主要原因。你必須熱愛數學,發揮你的數學想象力,才能真正理解同構和映射這樣的數學知識。


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自同構是建立在同構基礎上。它是指一個群內部的同構。這又怎麼理解呢?簡單講,就是如果存在映射,能把群的一些元素映射到群裡其它元素上,那麼這些映射就是自同構。按照伽羅華群的定義,構成伽羅華群的自同構是把多項式擴域的元素映射到多項式係數上。也就是說,這樣的變換,他們把多項式擴域中的元素通過變換能夠等於多項式的係數。有了這樣的解釋,幾個巨大的疑問就產生了,這樣的變換存在嗎?就算默認這些變換存在,它們真能構成一個群嗎?就算數學家有天才,證明了這些自同構組成了一個群,我們怎麼去求這些自同構啊?畢竟自同構是個抽象的東西,它們甚至沒有固定的形態,這樣的東西在數學上怎麼去操作它們?


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你還別說,伽羅華以及後續的數學家還真是天才,這樣的自同構竟然被他們拿來充分地研究,甚至對於具體的方程,他們也能從某種意義講求出了全部自同構。當然這裡所說的求出,不是具體地列出了自同構,而是把自同構群同構到一類群(具體講就是置換群)上,從而用來證明5次以及5次以上方程在什麼條件下沒有根式解,你不服還真不行。

不過這些內容要寫起來,篇幅又太長,今天就暫時寫到這裡吧。文章結尾還是要感謝朋友同學的鼓勵打賞,謝謝了!


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