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
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 都位于这样一个塔的某处,因此包含它的最小域 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。
详细分析
由域扩张的塔定律,次数相乘:。由于第2步已表明每个因子都是 或 ,该乘积对某个整数 等于 ——无论用了多少步作图,都是 的幂。
现设实数 可作图,则对某个这样的塔有 ,从而 。对 再次应用塔定律得 ,故 整除 。 的幂的因数只能是 的幂,所以对某个整数 有 (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 的不可约 次多项式,其根的次数为 ,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 上的次数不是 的幂,它的根就一定不可作图,而这正是接下来的步骤用于 的工具。
- 塔定律(次数的可乘性)
- 对于域的链 ,次数相乘:。它使得一长串小扩张可以一次性度量。
常见错误. 在 上次数为 是可作图的必要条件而非充分条件:一个不可约的 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。