Math Labs

Lời giải: Định lý Abel–Ruffini và tiêu chuẩn giải được của Galois (1824)

Bước 1 trên 8: Tháp căn thức hình thức hóa khái niệm 'giải được bằng căn thức'
Hiểu nôm na

Một công thức căn thức, như công thức nghiệm bậc hai x=(−b±b2−4ac)/2ax=(-b\pm\sqrt{b^2-4ac})/2a, thực chất chỉ là một công thức gồm hữu hạn phép cộng, nhân, chia và khai căn áp dụng lên các hệ số. Viết công thức đó ra thành một dãy các trường — bắt đầu từ Q\mathbb{Q}, mỗi lần ghép thêm một căn thức mới — biến một hy vọng mơ hồ ("có công thức hay không?") thành một đối tượng toán học chính xác có thể nghiên cứu được.

Q=K0⊂K1⊂⋯⊂Kr,Ki=Ki−1(aini)\mathbb{Q} = K_0 \subset K_1 \subset \cdots \subset K_r, \quad K_i = K_{i-1}(\sqrt[n_i]{a_i})
Phân tích chi tiết

Nói một nghiệm của ff 'biểu diễn được bằng căn thức' nghĩa là tồn tại một tháp trường hữu hạn Q=K0⊂K1⊂⋯⊂Kr\mathbb{Q} = K_0 \subset K_1 \subset \cdots \subset K_r với Ki=Ki−1(aini)K_i = K_{i-1}(\sqrt[n_i]{a_i}), trong đó ai∈Ki−1a_i \in K_{i-1} và số mũ ni≥2n_i \ge 2, sao cho nghiệm đó nằm trong KrK_r. Trong tháp, bốn phép toán trường được dùng tự do — chúng không bao giờ làm trường lớn lên — nên các phần tử mới thực sự duy nhất được tạo ra là các căn bậc nin_i. Các công thức cổ điển đúng là những tháp như vậy đọc theo chiều ngược: công thức bậc hai chỉ dùng một tầng Q(b2−4ac)\mathbb{Q}(\sqrt{b^2-4ac}), còn công thức Cardano cho bậc ba cần một tầng thêm căn bậc ba của đơn vị và một tầng thêm −q/2+D3\sqrt[3]{-q/2+\sqrt{D}}.

Cách phát biểu 'chứa trong' rất quan trọng: ta không đòi KrK_r bằng trường phân rã EE của ff, chỉ cần E⊆KrE \subseteq K_r. Điều đó biến 'giải được bằng căn thức' thành một tính chất về nhúng trường, và chuyển câu hỏi về hoán vị nghiệm mà Ruffini và Abel đặt ra thành lý thuyết trường thuần túy: có tồn tại hay không một tháp căn thức có đỉnh chứa EE?

Hai điểm tinh tế đã thấy trong định nghĩa sẽ quan trọng về sau. Thứ nhất, biểu thức dưới căn aia_i chạy trên toàn bộ Ki−1K_{i-1}, không chỉ trên Q\mathbb{Q}, nên việc lồng nhau là cốt yếu — đó chính là ý nghĩa hình thức của 'công thức có căn lồng trong căn'. Thứ hai, nói chung Ki/Ki−1K_i/K_{i-1} không chuẩn tắc cũng không Galois, nên tháp thô chưa sẵn sàng cho lý thuyết nhóm; Bước 1 sẽ làm mịn nó.

Thuật ngữ trong bước này
Trường
Một tập hợp số, chẳng hạn Q\mathbb{Q} hay R\mathbb{R}, đóng kín với phép cộng, trừ, nhân và chia cho bất kỳ phần tử khác không nào.
Mở rộng trường
Một trường LL chứa một trường nhỏ hơn KK, viết là L/KL/K; các phần tử mới được dựng từ KK bằng cách ghép thêm những số khác, chẳng hạn các căn.
Mở rộng căn thức
Một bước mở rộng trường Ki−1(an)K_{i-1}(\sqrt[n]{a}) được tạo bằng cách ghép thêm một căn bậc nn của một phần tử aa đã có sẵn trong Ki−1K_{i-1}.
Kiến thức dùng ở bước này