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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 7/7 步:结论的适用范围:所用工具至关重要
通俗地说

旺泽尔的定理只涉及经典的两种工具:无刻度的直尺和圆规。一旦允许沿直尺滑动一个刻度、直到两段长度对齐——这种技巧叫内插法(neusis),阿基米德在公元前250年左右曾使用过——同一个三次方程 x3−3x−1=0x^3-3x-1=0 就变得可解,60∘60^\circ 也就能被三等分。

所以这个两千年前的希腊问题并非在绝对意义上'不可能';它只是在那套特定规则下不可能。旺泽尔真正的贡献,是把'不可能'从一段漫长而令人沮丧的失败尝试史,变成了一个可以证明、可以核验的数学事实。

x3−3x−1=0  solvable by neusis (marked ruler)x^3 - 3x - 1 = 0 \;\text{solvable by neusis (marked ruler)}
详细分析

旺泽尔的判据严格来说只涉及经典欧几里得意义下的尺规作图:一把无刻度的直尺只用来过两个已作出的点画直线,一副圆规只用来以一个已作出的点为圆心、过另一个已作出的点画圆。放宽任一工具都会改变答案。阿基米德(公元前3世纪)早已给出一种使用内插法(neusis)的三等分方法——将一把有刻度的直尺滑动,直到两段给定长度同时与两条给定曲线重合——这实际上直接求解了三次方程,从而彻底绕开了次数为 2m2^m 的限制。

在同一篇1837年的论文中,旺泽尔用完全相同的策略(归结为三次方程,证明其不可约,指出 3≠2m3\neq2^m)证明了倍立方——作出 23\sqrt[3]{2}——同样不可能,他还补全了高斯关于哪些正多边形可作图的定理。夏尔·斯图姆(Charles Sturm)据说在此后不久就找到了改进的证明,但从未发表(Maths History,旺泽尔传记)。

从历史上看,这一1837年的结果是最早利用域扩张次数论证来证明几何不可能性的例子之一,它先于埃瓦里斯特·伽罗瓦几年前发展的思想,并很快结晶为伽罗瓦理论。它把古代三个最著名的未解决问题变成了确定无疑、已被证明的事实——尽管化圆为方仍需等到45年后即1882年林德曼发表的 π\pi 的超越性证明。

本步骤中的术语
内插作图(neusis)
一种允许滑动并旋转带刻度的直尺、直到给定长度恰好嵌入两条给定曲线之间的作图方法;它比无刻度尺规更强大,可以直接求解某些三次方程,包括用于三等分 60∘60^\circ 的那个方程。