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解法:旺泽尔给出的倍立方问题代数不可能性证明(1837年)

第 1/5 步:提洛问题:作出 x=23x=\sqrt[3]{2}
通俗地说

传说提洛岛居民遭遇瘟疫,向神谕求助,得到的答复是要把他们立方体祭坛的体积加倍。他们把每条棱都加倍,结果错误地得到了八倍的体积——真正的答案需要把每条棱乘以 23≈1.26\sqrt[3]{2}\approx1.26,而不是乘以 22。

于是问题被精确地表述为:给定一个棱长为 11(体积为 11)的立方体,仅用尺规作出长度为 xx 的线段,使以该线段为棱的立方体体积恰好等于 22。旺泽尔1837年的论文证明了这条特定的线段永远无法作出。

x3=2,x=23x^3 = 2, \qquad x = \sqrt[3]{2}
详细分析

提洛问题要求用尺规从单位线段出发,作出体积为单位立方体两倍的立方体的棱 xx:条件 x3=2x^3 = 2 迫使 x=23x = \sqrt[3]{2},即 P(x)=x3−2P(x) = x^3 - 2 的一个根。此问题在公元前5世纪就已古老:希俄斯的希波克拉底将其归结为在 11 与 22 之间插入两个比例中项——长度 x,yx, y 满足 1/x=x/y=y/21/x = x/y = y/2,代数上即 x2=yx^2 = y 且 y2=2xy^2 = 2x,从而 x4=2xx^4 = 2x,进而 x3=2x^3 = 2。

这一归结很重要,因为它表明提洛问题实际上是关于单个实数之地位的问题,而非一般几何问题:一切取决于特定长度 23\sqrt[3]{2} 能否用两件古典工具作出。旺泽尔1837年发表于刘维尔期刊的论文用与他在同一篇论文中处理三等分角相同的方法作答——把可作图性翻译成关于次数的代数条件,再检查所需之数是否满足它。

后续步骤执行这一方案:第1步证明一般判据——每个可作图数在 Q\mathbb{Q} 上的次数是 22 的幂;第2步表明 x3−2x^3 - 2 不可约,故 [Q(23):Q]=3[\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}):\mathbb{Q}] = 3;第3步让这两个事实碰撞。这是旺泽尔两个古典不可能性证明中更紧凑的一个,因为只有单个数需要检验。

本步骤中的术语
比例中项
插入在 aa 与 bb 之间、满足 a:x=x:y=y:ba:x = x:y = y:b 的数 x,yx, y;希波克拉底证明了倍立方等价于求 11 与 22 之间的两个比例中项。
本步骤用到的知识