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解法:阿贝尔–鲁菲尼定理与伽罗瓦可解性判据(1824年)

第 8/8 步:一个具体不可解的五次方程:x5−4x+2x^5-4x+2
通俗地说

第6至7步讨论的是带有符号系数的抽象“一般”五次方程——怀疑者可能会问,是否真的存在系数为普通整数的实际方程,具有这种难以驯服的 S5S_5 对称性,还是说 S5S_5 只出现在虚构的符号方程中。方程 x5−4x+2=0x^5-4x+2=0 回答了这个问题:只需一次简短的不可约性检验,加上对其图像的快速勾勒,就足以确定它的伽罗瓦群正是同一个 S5S_5,完全不需要任何符号。

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
详细分析

考虑 f(x)=x5−4x+2f(x)=x^5-4x+2。由素数 p=2p=2 处的爱森斯坦判别法(首项系数 11 不被 22 整除,其余系数 0,0,0,−4,20,0,0,-4,2 都被 22 整除,常数项 22 不被 22=42^2=4 整除),可知 ff 在 Q\mathbb{Q} 上不可约,因此其伽罗瓦群 GG 在 55 个根上传递地作用,从而阶数被 55 整除;由柯西定理,GG 中含有一个 55 阶轮换。微积分可以确定实根的个数:f′(x)=5x4−4f'(x)=5x^4-4 只在两个实数点处为零,所以由罗尔定理,ff 至多有 33 个实根,而计算 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)(借助介值定理)表明它至少有 33 个;因此 ff 恰好有 33 个实根和一对共轭复根。复共轭这时就是一个只交换那一对根的域自同构,即 GG 中的一个对换。初等群论中的一条定理指出,SpS_p(pp 为素数)的子群若同时含有一个 pp 阶轮换和一个对换,就必定是整个 SpS_p,因此 Gal(f/Q)≅S5\mathrm{Gal}(f/\mathbb{Q})\cong S_5——正是第7步中被证明不可解的那个群——由伽罗瓦判据(第5步)可知,x5−4x+2=0x^5-4x+2=0 无法用任何根式公式求解。

本步骤中的术语
爱森斯坦判别法
一种在 Q\mathbb{Q} 上判断不可约性的方法:若某个素数 pp 整除除首项系数外的所有系数,且 p2p^2 不整除常数项,则该多项式不能分解为更低次的整系数多项式之积。
传递作用
一个群对一个集合的作用是传递的,是指集合中任意元素都能被群中某个元素移动到任意其他元素;不可约多项式的伽罗瓦群总是在其根集上传递地作用。
对换
恰好交换两个对象、其余全部保持不变的置换。
本步骤用到的知识