MathLabs

解法: アーベル–ルフィニの定理とガロアの可解性判定条件(1824年)

ステップ 8/8: 具体的な解けない五次方程式:x5−4x+2x^5-4x+2
ざっくり言うと

手順6〜7は、記号的な係数を持つ抽象的な「一般の」五次方程式についてのものだった——懐疑的な人なら、普通の整数係数を持つ実際の方程式に本当にこの手に負えない S5S_5 という対称性があるのか、それとも S5S_5 は架空の記号的な方程式にしか現れないのではないか、と尋ねるかもしれない。方程式 x5−4x+2=0x^5-4x+2=0 はこれに答える:短い既約性の確認と、そのグラフの簡単なスケッチだけで、そのガロア群がまさにその同じ S5S_5 であると突き止めるのに十分であり、記号は一切必要ない。

f(x)=x5−4x+2: irreducible (Eisenstein, p=2), exactly 3 real roots  ⟹  Gal(f/Q)≅S5f(x) = x^5 - 4x + 2 \text{: irreducible (Eisenstein, } p=2\text{), exactly 3 real roots} \;\Longrightarrow\; \mathrm{Gal}(f/\mathbb{Q}) \cong S_5
詳しい解説

f(x)=x5−4x+2f(x)=x^5-4x+2 を考える。素数 p=2p=2 に対するアイゼンシュタインの既約判定法により(最高次係数 11 は 22 で割り切れず、他のすべての係数 0,0,0,−4,20,0,0,-4,2 は 22 で割り切れ、定数項 22 は 22=42^2=4 で割り切れない)、ff は Q\mathbb{Q} 上既約であり、そのガロア群 GG は 55 個の根に推移的に作用するため、位数は 55 で割り切れる。コーシーの定理により GG は 55 次巡回置換を含む。微積分によって実根が絞り込める:f′(x)=5x4−4f'(x)=5x^4-4 はちょうど二つの実点でのみ零になるため、ロルの定理により ff の実根は多くとも 33 個であり、f(−2)<0<f(0)f(-2)<0<f(0)、f(0)>0>f(1)f(0)>0>f(1)、f(1)<0<f(2)f(1)<0<f(2) を評価すると(中間値の定理により)少なくとも 33 個あることがわかる。したがって ff は実根をちょうど 33 個、複素共役の対を一組持つ。複素共役はその対だけを入れ替える体の自己同型であり、すなわち GG における互換である。初等群論のある定理は、SpS_p(pp は素数)の部分群が pp 次巡回置換と互換の両方を含めば、それは SpS_p 全体でなければならないと述べており、したがって Gal(f/Q)≅S5\mathrm{Gal}(f/\mathbb{Q})\cong S_5 となる——これはまさに手順7で可解でないと示された群である——そしてガロアの判定条件(手順5)により、x5−4x+2=0x^5-4x+2=0 はいかなるべき根の公式によっても解くことができない。

このステップの用語
アイゼンシュタインの既約判定法
Q\mathbb{Q} 上での既約性の判定法で、ある素数 pp が最高次係数以外のすべての係数を割り切り、かつ p2p^2 が定数項を割り切らないならば、その多項式はより低次の整数係数多項式の積に分解できない、というもの。
推移的な作用
集合上への群の作用が推移的であるとは、集合のどの元も、群のある元によって他のどの元へも移せることをいう。既約多項式のガロア群は、その根に対して常に推移的に作用する。
互換
ちょうど二つの対象を入れ替え、他のすべてを固定する置換のこと。
このステップで使う知識