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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

经典的"倍立方"(或提洛)问题要求从一条单位线段出发,用尺规作出一个立方体的棱 xx,使其体积是单位立方体体积的两倍:x3=2x^3 = 2,即 x=23x=\sqrt[3]{2},是 P(x)=x3−2P(x) = x^3 - 2 的根。早在希俄斯的希波克拉底(公元前5世纪)时代,这个问题就已经很古老了,他把它归结为求 11 与 22 之间的两个比例中项,这个问题让尺规作图法束手无策超过两千年。

旺泽尔1837年的论文用与三等分角相同的方法解决了它:把可作图性翻译成一个代数次数条件,然后检验 x=23x=\sqrt[3]{2} 是否满足该条件。接下来的步骤将执行这一过程:首先是可作图数在 Q\mathbb{Q} 上的次数必为 22 的幂这一一般判据,然后是 P(x)=x3−2P(x)=x^3-2 在 Q\mathbb{Q} 上不可约这一事实,由此得到 [Q(23):Q]=3[\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}):\mathbb{Q}]=3——不是 22 的幂。

与三等分角问题不同,这里只有一个需要检验的相关数,即 23\sqrt[3]{2} 本身,这使得它成为旺泽尔两个经典不可能性证明中更简洁的一个。

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