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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 3/7 步:沿塔累乘次数:旺泽尔判据
通俗地说

域扩张的次数会沿着塔相乘,就像汇率沿着一连串货币兑换相乘一样:两个各自使某量翻倍的步骤合起来会使该量变为四倍。由于作图塔中的每一步都是翻倍(或者什么也不做),整个塔的总大小就是2的幂。

任何可作图数 α\alpha 都位于这样一个塔的某处,因此包含它的最小域 Q(α)\mathbb{Q}(\alpha) 的大小必须整除某个2的幂——而2的幂的因数本身也是2的幂。

[Fk:Q]=∏i=1k[Fi:Fi−1]=2k  ⟹  [Q(α):Q]=2m[F_k:\mathbb{Q}] = \prod_{i=1}^k [F_i:F_{i-1}] = 2^k \implies [\mathbb{Q}(\alpha):\mathbb{Q}] = 2^m
详细分析

由域扩张的塔定律,次数相乘:[Fk:Q]=∏i=1k[Fi:Fi−1][F_k:\mathbb{Q}] = \prod_{i=1}^{k} [F_i:F_{i-1}]。由于第2步已表明每个因子都是 11 或 22,该乘积对某个整数 k≥0k\ge 0 等于 2k2^k——无论用了多少步作图,都是 22 的幂。

现设实数 α\alpha 可作图,则对某个这样的塔有 α∈Fk\alpha \in F_k,从而 Q(α)⊆Fk\mathbb{Q}(\alpha)\subseteq F_k。对 Q⊂Q(α)⊂Fk\mathbb{Q}\subset\mathbb{Q}(\alpha)\subset F_k 再次应用塔定律得 [Fk:Q]=[Fk:Q(α)]⋅[Q(α):Q][F_k:\mathbb{Q}] = [F_k:\mathbb{Q}(\alpha)]\cdot[\mathbb{Q}(\alpha):\mathbb{Q}],故 [Q(α):Q][\mathbb{Q}(\alpha):\mathbb{Q}] 整除 2k2^k。22 的幂的因数只能是 22 的幂,所以对某个整数 m≥0m\ge 0 有 [Q(α):Q]=2m[\mathbb{Q}(\alpha):\mathbb{Q}] = 2^m(Wantzel 1837, §I)。

这是旺泽尔给出的可作图性必要条件,它对充分性未作任何断言:例如伽罗瓦群为 S4S_4 的不可约 44 次多项式,其根的次数为 4=224=2^2,却仍然不可作图。这一条件真正给出的是一个锋利的障碍——如果一个方程在 Q\mathbb{Q} 上的次数不是 22 的幂,它的根就一定不可作图,而这正是接下来的步骤用于 60∘60^\circ 的工具。

本步骤中的术语
塔定律(次数的可乘性)
对于域的链 F0⊂F1⊂F2F_0\subset F_1\subset F_2,次数相乘:[F2:F0]=[F2:F1]⋅[F1:F0][F_2:F_0]=[F_2:F_1]\cdot[F_1:F_0]。它使得一长串小扩张可以一次性度量。
本步骤用到的知识
常见错误. 在 Q\mathbb{Q} 上次数为 2m2^m 是可作图的必要条件而非充分条件:一个不可约的 44 次多项式,若其伽罗瓦群不是由重复开平方构成的,其根仍可能不可作图。