MathLabs

解法:旺泽尔利用域扩张给出的代数不可能性证明(1837年)

第 1/7 步:三等分角问题与旺泽尔的计划
通俗地说

古希腊几何学家可以用尺规将任意角平分——只需画几条弧就能精确地切成两半。自然会问:同样的工具能否把任意角三等分。

1837年,皮埃尔·洛朗·旺泽尔找到了一种无需动手作图就能检验这一点的方法:把图形翻译成代数。他证明了尺规能作出的每一个长度都必须遵守关于该长度算术性质的一条非常严格的规则,然后检验三等分一个普通的 60∘60^\circ 角是否遵守这条规则。

60∘=3×20∘60^\circ = 3\times 20^\circ
详细分析

用尺规三等分任意角 θ\theta 意味着仅用这两种经典工具从 θ\theta 作出角 θ/3\theta/3。旺泽尔1837年发表于刘维尔《纯粹与应用数学杂志》的论文,通过把两个问题都归结为代数,连同倍立方问题一起解决了这个问题:一个实数可作图,当且仅当它能通过有限次开平方从 Q\mathbb{Q} 出发到达(Wantzel 1837, §I)。

在接下来的步骤中执行的计划是:(1) 证明每个可作图长度在 Q\mathbb{Q} 上的次数都是 22 的幂;(2) 把三等分 60∘60^\circ 归结为求解关于 x=2cos⁡20∘x=2\cos 20^\circ 的三次方程;(3) 证明该三次方程在 Q\mathbb{Q} 上不可约,从而其根的次数为 33;(4) 由于 33 不是 22 的幂,cos⁡20∘\cos 20^\circ 不可作图,故 60∘60^\circ 不能被三等分。

由于一个反例就足以推翻一般性方法,单单这一个角就已经证明了不存在对所有角都适用的尺规三等分程序,尽管某些特殊角(如 90∘90^\circ)仍然可以被三等分。

本步骤中的术语
可作图(实)数
从单位线段出发,仅通过由已作出的点确定的直线与圆的交点,从 00 与 11 得到的实数。
本步骤用到的知识