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.原載於科學月刊十六卷第一期 .作者當時任教於台大數學系 •註釋 | |||
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代數學基本定理
曹亮吉 |
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狹義的代數學史可以說是一部解多項式方程式的歷史。 解方程式的問題大約可以分成有沒有解、如何找解兩部分;代數學基本定理就是問題第一部份的一個重要答案,它說:一個多項式方程式一定會有一個複數根。
一次方程式當然有一個根,二次方程式 ax2+bx+c=0 當然有兩個根
這些事實很早就知道了;但是前人處理的是實數的問題,如果 b2-4ac<0,他們會說根居然含有虛數(負數的平方根),是荒謬的,該揚棄的。不過就二次方程式而言,什麼時候有(實數)解,如何求解都不成問題。
三次呢?三次(和四次)方程式的求解歷史雖然相當曲折有趣 註1 ,但我們想談的是它與虛數的關係。
一般的三次方程式都可以經由移根的處理而變成 x3+px+q=0。當你注意到
(u+v)3-3uv(u+v)-(u3+v3)=0
這樣的恆等式,就知道三次方程式的解法訣竅在那�堙G令 如果 u,v 有解,那麼 x=u+v 就是 x3+px+q=0 的解了。 因為 u3,v3 滿足, 所以它們滿足二次方程式 所以
所以 可是當 Cardano 用同樣方法解 x3=15x+4 時,卻讓他嚇了一大跳:因為 因此 它含有負數的平方根,但 x=4 明明是一個解啊!
其實,由複數的計算可知
所以 u、v 可取為 正好是所要的答案。虛數居然可以幫助解決實根的問題,它除了荒謬外,又加上一層神秘的色彩。
將 x-4 這個因式從 x3-15x-4 除去後,得商 x2+4x+1。所以 x3=15x+4 還有 x2+4x+1=0 的兩個解
因為
由此可得
從這個例子可知,除了(1)外,x3+px+q=0 的其他兩根為
虛數在 Cardano 公式中出現後,大家又幾乎忘了它的存在。一直到1700年左右,在部分分式的積分中,虛數又重新出現,激起了數學家對虛數及其對數的辯論。雖然 Euler(1707∼1783年)、d'Alembert(1717∼1783年)、Lagrange(1736∼1813年)等數學家使複數的使用有長足的進展,但十八世紀數學家的態度,卻可以用 Euler 的一段話來代表:
所有可能的數不是大於 0 就是小於 0 或等於 0,所以負數的平方根就不能是個數。既然是不可能的數,……,我們只能稱之為虛數,因為只有在虛幻中才會有這樣的數。
從來,在西方的數學中,數總是以幾何量的形態出現,而且要以幾何量的形態出現,才會令人安心,使人接受,
使虛數合法化的努力,經過 Wallis、Kuhn、Buée、Argand 等人的嘗試,總算漸有眉目。到了十九世紀,數學家終於習於把一個複數 x+yi 與平面上的點 (x,y) 對應起來,虛數才完全為人所接受。
隨著虛數使用的日見活躍,任一多項方程式都會有(複數)根的信念就愈加增強。Euler、d'Alembert、Lagrange 等人都嘗試著去證明。直到 Gauss(1777∼1855年)的出現,才使證明有長足的進步。1799年,Gauss 在 Helmstädt 大學的博士論文中,就將前人的證明的缺失一一指出,然後提出自己的見解。除了博士論文外,在1815年及1816年,他又分別提出另外兩種的證法。到了晚年(1849年)Gauss 又回到博士論文的方法,提出更完整的說明。
在博士論文中,Gauss 的想法是這樣的:假定 f(z) 是個複數 z=x+yi 的多項式,f(z) 是個複數,可以寫成為
f(z)=p(x,y)+q(x,y)i
p(x,y)、q(x,y) 都是實數,都是 x,y 的函數。求 f(x)=0 的根就等於求 p(x,y)=0, q(x,y)=0 的共解。p(x,y)=0 及 q(x,y)=0 在 xy 平面上各代表一條曲線,所以 Gauss 的主要論點就是在說明這兩條曲線一定會有交點的;這個交點所對應的 z 值,自然就是 f(z)=0 的根了。
Gauss 的第二個證明用的是兩個多項式的結式 (resultant)。若
就是這兩個多項式的結式。g(x)=0 與 h(x)=0 有共解的條件是 R(g,h)=0,以 g(x)=x(x-a)=x2-ax, h(x)=(x-1)(x-b)=x2-(1+b)x+b 為例,
所以當 a=1 或 b=0 或 a=b 時,R(g,h)=0,而此時 g(x)=0,h(x)=0 有共解顯然是對的。
如果 f(z) 的次數 n 為奇數,則 f(z)=0 至少有一實根,這是因為 z 是很大的正實數時,f(z) 與其首項係數同號,而當 z 是很大的負實數時,f(z) 與其首項係數異號,所以由中間值定理,可知 f(z)=0 必有一根(見圖一),
當 n 為偶數,且只含 2 的一次因數時,Gauss 考慮
它們對 z 而言各為 n 次及 n-1 次。它們的結式 R(g,h) 為 w 的 n(n-1) 次多項式,但是因為在 g 與 h 中,w 的奇次項並不出現,所以 R(g,h)=0 可以看成 t=w2 的
Gauss 的第三個證明,用的是複變函數的積分理論,相當深入,在此略過不表。
Gauss 對代數學基本定理所給的證明是劃時代的。從希臘以來,數學的實體必先找到,才能談它的性質;也就是說證明的過程必須從已知的量出發,一步一步作出中間過程的補助量,以達到最後所要的量。這是所謂建構型的證明。 Gauss 的方法卻不按步就班,他只用學理肯定所要量的存在性,而所要的量是否按步就班可得,卻不是證明所關心的,這是一種存在型的證明。
從 Gauss 開始,存在型的證明逐漸蔚為風氣,變成現代數學的特色之一。
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| 編輯:洪瑛 / 繪圖:簡立欣 | 最後修改日期:3/19/2002 |