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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

用尺规三等分一个给定角 θ\theta,是指通过有限步合法的欧几里得操作从该角作出角 θ/3\theta/3。为使"合法操作"可检验,旺泽尔把整个问题算术化:在坐标中,作一个角等价于作它的余弦(向单位圆作垂线可从 cos⁡θ\cos\theta 恢复 θ\theta,反之亦然),所以三等分 θ\theta 当且仅当 cos⁡(θ/3)\cos(\theta/3) 是可作图实数。

选 θ=60∘\theta = 60^\circ 是最经济的反例:cos⁡60∘=1/2\cos 60^\circ = 1/2 可作图,故 60∘60^\circ 本身画得出来——于是只需证明 20∘20^\circ,等价地 x=2cos⁡20∘x = 2\cos 20^\circ,作不出来。一个不可作图的实例就足以推翻普遍命题,因为任何声称普遍适用的三等分程序都必须对这个特定角有效。

旺泽尔1837年发表于刘维尔期刊的论文以三个代数步骤实施这一计划:(1) 尺规每一步至多把可用坐标域扩大一个二次扩张,故可作图数在 Q\mathbb{Q} 上的次数是 22 的幂(第1–2步);(2) 三倍角公式把 cos⁡20∘\cos 20^\circ 变成三次方程 x3−3x−1=0x^3 - 3x - 1 = 0 的根(第3步);(3) 该三次方程在 Q\mathbb{Q} 上不可约(第4步),给出次数 33——不是 22 的幂(第5步)。

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