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 2/7 步:每一步尺规操作至多只添加一个平方根
通俗地说

设想从长度为 11 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。

Fi=Fi−1(di),[Fi:Fi−1]∈{1,2}F_{i} = F_{i-1}(\sqrt{d_i}), \quad [F_i:F_{i-1}]\in\{1,2\}
详细分析

以给定的两个单位点固定坐标系,使 F0=QF_0=\mathbb{Q}。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 Fi−1F_{i-1}。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 Fi−1F_{i-1} 中的二次方程(直线与圆,或两圆方程相减消去 x2+y2x^2+y^2 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 Fi−1F_{i-1} 中,要么在某个二次扩张 Fi=Fi−1(di)F_i=F_{i-1}(\sqrt{d_i}) 中(其中 di∈Fi−1d_i\in F_{i-1}),从而 [Fi:Fi−1]∈{1,2}[F_i:F_{i-1}]\in\{1,2\}(Wantzel 1837, §I)。

经过有限步作图后,我们得到一个塔 Q=F0⊂F1⊂⋯⊂Fk\mathbb{Q}=F_0\subset F_1\subset\cdots\subset F_k,其中每一步的次数都是 11 或 22。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。

本步骤中的术语
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 Q\mathbb{Q}。
域扩张的次数 [Fi:Fi−1][F_i:F_{i-1}]
把 FiF_i 看作较小的域 Fi−1F_{i-1} 上的向量空间时的维数;直观地说,是描述 FiF_i 中元素所需要的、在 Fi−1F_{i-1} 上独立坐标的个数。
本步骤用到的知识