解法:旺泽尔利用域扩张给出的代数不可能性证明(1837年)
通俗地说
设想从长度为 的线段出发,逐点构造图形。每个新点都来自两条直线、一条直线与一个圆,或两个圆的交点——用坐标写出来,这三种情形都归结为求解一次方程或二次方程。
所以每次用尺规放置一个新点时,描述它的数要么早已存在,要么是从已有的某个数再开一次平方根得来。更奇特的东西——三次根、五次根——都不会在单一步骤中出现。
详细分析
以给定的两个单位点固定坐标系,使 。一个新的可作图点是两个对象的交点,每个对象都是直线或圆,其坐标都已属于当前域 。求解该方程组会得到一个一次方程(两条直线)或一个系数在 中的二次方程(直线与圆,或两圆方程相减消去 项后归结为直线与圆的方程组)。因此每个新坐标要么本身就在 中,要么在某个二次扩张 中(其中 ),从而 (Wantzel 1837, §I)。
经过有限步作图后,我们得到一个塔 ,其中每一步的次数都是 或 。这正是每一个尺规作图背后的代数骨架,也是旺泽尔据以建立其整套不可能性理论的唯一事实。
下一步将通过把塔中各次数相乘,把这个塔转化为对任意单个可作图数的数值约束。
- 域(代数)
- 对加、减、乘以及除以非零元封闭的数集——例如有理数集 。
- 域扩张的次数
- 把 看作较小的域 上的向量空间时的维数;直观地说,是描述 中元素所需要的、在 上独立坐标的个数。