Math Labs

Lời giải: Chứng minh bất khả thi bằng đại số của Wantzel qua mở rộng trường (1837)

Bước 1 trên 7: Bài toán chia ba góc và kế hoạch của Wantzel
Hiểu nôm na

Các nhà hình học Hy Lạp cổ đại có thể chia đôi một góc bất kỳ bằng thước kẻ và compa — cắt nó làm hai phần bằng nhau chính xác — chỉ bằng vài cung tròn. Câu hỏi tự nhiên đặt ra là liệu cùng những công cụ đó có thể chia một góc bất kỳ thành ba phần bằng nhau hay không.

Năm 1837, Pierre Laurent Wantzel tìm ra cách kiểm tra điều này mà không cần cầm compa lên: dịch bức tranh hình học sang đại số. Ông chỉ ra rằng mọi độ dài mà thước kẻ và compa dựng được phải tuân theo một quy tắc rất chặt về số học của độ dài đó, rồi kiểm tra xem việc chia ba một góc 60∘60^\circ đơn giản có tuân theo quy tắc đó hay không.

60∘=3×20∘60^\circ = 3\times 20^\circ
Phân tích chi tiết

Chia ba một góc cho trước θ\theta bằng thước kẻ và compa nghĩa là tạo ra góc θ/3\theta/3 từ góc đã cho qua một dãy hữu hạn các nước đi Euclid hợp lệ. Để 'nước đi hợp lệ' kiểm tra được, Wantzel đưa toàn bộ câu hỏi về số học: trong hệ tọa độ, dựng một góc tương đương dựng cosin của nó (hạ đường vuông góc xuống đường tròn đơn vị khôi phục θ\theta từ cos⁡θ\cos\theta, và ngược lại), nên chia ba θ\theta khả thi đúng khi cos⁡(θ/3)\cos(\theta/3) là một số thực dựng được.

Chọn θ=60∘\theta = 60^\circ là phản ví dụ tiết kiệm: cos⁡60∘=1/2\cos 60^\circ = 1/2 dựng được, nên bản thân 60∘60^\circ vẽ được — và khi đó chỉ cần chứng tỏ 20∘20^\circ, tương đương x=2cos⁡20∘x = 2\cos 20^\circ, không dựng được. Một trường hợp không dựng được đủ để giết khẳng định tổng quát, vì mọi thủ tục chia ba phổ quát được tuyên bố đều phải hoạt động trên riêng góc này.

Bản báo cáo 1837 của Wantzel trên tập san của Liouville triển khai kế hoạch qua ba nước đi đại số: (1) mỗi bước thước kẻ–compa mở rộng trường các tọa độ khả dụng nhiều nhất một mở rộng bậc hai, nên các số dựng được có bậc là lũy thừa của 22 trên Q\mathbb{Q} (Bước 1–2); (2) công thức góc ba lần biến cos⁡20∘\cos 20^\circ thành một nghiệm của bậc ba x3−3x−1=0x^3 - 3x - 1 = 0 (Bước 3); (3) bậc ba đó bất khả quy trên Q\mathbb{Q} (Bước 4), cho bậc 33 — không phải lũy thừa của 22 (Bước 5).

Thuật ngữ trong bước này
Số thực dựng được
Một số thực đạt được từ 00 và 11 chỉ bằng các bước dựng thước kẻ và compa: giao của các đường thẳng và đường tròn xác định bởi các điểm đã dựng trước đó, xuất phát từ một đoạn thẳng đơn vị.
Kiến thức dùng ở bước này