五次方程式の非可解性
解決済み、1824年代数学
問題の内容
5次(あるいはそれ以上の次数)の多項式方程式については、その係数から加減乗除と 乗根(べき根)だけを用いて根を表す一般公式は存在しない。これは2次、3次、4次に対しては公式が存在するのと対照的である。
パオロ・ルフィニは1799年(1813年に拡張)、一般の五次方程式にはべき根による公式が存在しないという証明を発表したが、その論証には重大な欠落があった。完全かつ厳密な最初の証明——アーベル・ルフィニの定理——はニールス・ヘンリク・アーベルによるもので、彼は1824年に自費出版し、1826年にクレレ誌でより完全な版を発表した。その数年後、エヴァリスト・ガロアはさらに踏み込み、すべての多項式方程式に対してその根の置換からなる群(ガロア群)を対応させ、その方程式がべき根で解けるのは、まさにその群が可解群であるときに限ることを証明した。これにより、なぜ単一の公式がすべての五次方程式に通用しないのかだけでなく、任意の次数の個々の方程式がべき根で解けるかどうかを正確に説明できるようになった。
ガロア理論は、対称群 (個の根のすべての置換)が では可解だが では可解でないことを示しており、これがまさに次数5から解の公式が崩れる根本的な理由である。 のような特別な五次方程式や、可解なガロア群を持つ方程式は、なおべき根で解ける。1858年、シャルル・エルミートは、べき根に加えて楕円(モジュラー)関数を用いることを許せば一般の五次方程式が解けることを示し、代数的な道具立ての外側にある完全な公式を与えた。この考え方は、超幾何関数やテータ関数を用いてより高次の方程式を解く方向へと一般化される。
参考文献
- Niels Henrik Abel (1824). Mémoire sur les équations algébriques, où l'on démontre l'impossibilité de la résolution de l'équation générale du cinquième degré · DOI:10.1017/cbo9781139245807.004
- Évariste Galois (1846). Sur les conditions de résolubilité des équations par radicaux · DOI:10.4000/bibnum.616
- Ian Stewart (2015). Galois Theory · DOI:10.1201/b18187