近世代数理论基础38:n(≥5)次一般代数方程的根式不可解性

n(\ge 5)次一般代数方程的根式不可解性

根式扩张

定义:若E=F(\alpha),且\exists n\in N使\alpha^n\in F,即E=F(\sqrt[n]{a}),a\in F,则称E/F​为根式扩张

根式可解

定义:设F为域,f(x)\in F[x]且为首1多项式,deg\;f\ge 1,E为f(x)在F上的分裂域,方程f(x)=0称为在域F上根式可解,指存在域的根式扩张序列F=F_1\subset F_2\subset \cdots\subset F_{r+1}=K满足:

1.F_{i+1}/F_i(1\le i\le r)均是根式扩张,即F_{r+i}=F_i(\sqrt[n_i]{a_i}),a_i\in F_i

2.E\subset K

注:

1.从域F扩张成K是由有限次添加元的根号得到的

2.f(x)的全部根都在K中

3.f(x)=0的所有根可通过F中元的四则运算和开根号运算表达

可解群

定义:设有限群G有正规子群列G=G_1\lhd G_2\lhd \cdots\lhd G_{s+1}=\{1\},其中G_i\lhd G_{i+1}表示G_{i+1}G_i的正规子群,若商群G_i/G_{i+1}(1\le i\le s)均是交换群,则称G为可解群

定理:设域F的特征为0,f(x)\in F[x]且为首1多项式,deg\; f\ge 1,则f(x)=0在F上根式可解当且仅当f(x)在F上的伽罗瓦群为可解群

定理:设n\ge 2,t_1,t_2,\cdots,t_n为n个不定元,F是特征为0的域,则一般方程f(x)=x^n-t_1x^{n-1}+t_2x^{n-2}+\cdots+(-1)^nt_n=0在F上的伽罗瓦群为对称群S_n

证明:

设f(x)的根为y_1,y_2,\cdots,y_n

则f(x)=(x-y_1)(x-y_2)\cdots(x-y_n)

=x^n-t_1x^{n-1}+\cdots+(-1)^nt_n

f(x)在F(t_1,t_2,\cdots,t_n)上的分裂域为

E=F(t_1,t_2,\cdots,t_n,y_1,y_2,\cdots,y_n)=F(y_1,y_2,\cdots,y_n)

\because t_1,t_2,\cdots,t_n是y_1,y_2,\cdots,y_n的初等对称多项式

设x_1,x_2,\cdots,x_n是另外n个不定元

令g(x)=(x-x_1)(x-x_2)\cdots(x-x_n)

=x^n-\rho x^{n-1}+\cdots+(-1)^n\rho_n

其中\rho_1,\rho_2,\cdots,\rho_n是x_1,x_2,\cdots,x_n的初等对称多项式

\because t_1,t_2,\cdots,t_n是不定元

\therefore 存在环同态\sigma:F[t_1,t_2,\cdots,t_n]\to F[\rho_1,\rho_2,\cdots,rho_n]

其中\sigma(t_i)=\rho_i(1\le i\le n),\sigma|_F=1

\because x_1,x_2,\cdots,x_n也是不定元

\therefore 有环同态\tau:F[x_1,x_2,\cdots,x_n]\to F[y_1,y_2,\cdots,y_n]

其中\tau(x_i)=y_i(1\le i\le n),\tau|_F=1​

\therefore \tau\sigma(t_i)=\tau(\rho_i)=\tau(x_{j_1}x_{j_2}\cdots x_{j_i})​

=\sum _{j_1}y_{j_2}\cdots y_{j_i}=t_i

\therefore \tau\sigma=1

\therefore h\in Ker(\sigma)\Rightarrow (h)=0\Rightarrow \tau\sigma(h)=0\Rightarrow h=0

\therefore \sigma为单同态

显然\sigma为满同态

\therefore \sigma是F[t_1,t_2,\cdots,t_n]与F[\rho_0,\rho_2,\cdots,\rho_n]的环同构

且可扩充成商域的同构,仍记作\sigma

\sigma:F(t_1,t_2,\cdots,t_n)\cong F(\rho_1,\rho_2,\cdots,\rho_n)

又可扩充为环同构

\sigma:F(t_1,t_2,\cdots,t_n)[x]\cong F(\rho_1,\rho_2,\cdots,\rho_n)[x]

其中\sigma(x)=x

\therefore \sigma(f(x))=\sigma(x^n-t_1x^{n-1}+\cdots+(-1)^nt_n)

=x^n-\rho_1x^{n-1}+\cdots+(-1)^n\rho_n=g(x)

\because \sigma(F(t_1,t_2,\cdots,t_n))=F(\rho_1,\rho_2,\cdots,\rho_n)

\therefore Gal(F(y_1,y_2,\cdots,y_n)/F(t_1,t_2,\cdots,t_n))

\cong Gal(F(x_1,x_2,\cdots,x_n)/F(\rho_1,\rho_2,\cdots,\rho_n))

\because x_1,x_2,\cdots,x_n是n个不定元

\rho_1,\rho_2,\cdots,\rho_n是x_1,x_2,\cdots,x_n的初等对称多项式

\therefore x_1,x_2,\cdots,x_n的任一置换都产生F(x_1,x_2,\cdots,x_n)相对F(\rho_1,\rho_2,\cdots,\rho_n)的自同构

\therefore Gal(F(x_1,x_2,\cdots,x_n)/F(\rho_1,\rho_2,\cdots,\rho_n))是对称群S_n

\therefore f(x)在F(t_1,t_2,\cdots,t_n)上的伽罗瓦群是S_n\qquad\mathcal{Q.E.D}

n\ge 5时,S_n是不可解群

推论:当n\ge 5时,n次一般代数方程是根式不可解的

n=2,3,4时,一般代数方程是根式可解的

n=2时,x^2-px+q=0的解为

{p\pm \sqrt{p^2-4q}\over 2}

n=3时,x^3+a_1x^2+a_2x+a_3=0

代入x=y-a_1/3得关于y的三次方程,且无y^2

故考虑方程x^3+px+1=0,p,q\in F

z_1=\sqrt[3]{-{27\over 2}q+\sqrt{{27\over 4}(4p^3+27q^2)}}

z_2=\sqrt[3]{-{27\over 2}q-\sqrt{27\over 4}(4p^3+27q^2)}

使z_1z_2=-3p

此时方程的三个解为

x_1={1\over 3}(z_1+z_2)

x_2={1\over 3}(\omega^2z_1+\omega z_2)

x_3={1\over 3}(\omega z_1+\omega^2z_2)

其中\omega为3次单位根

n=4时类似,考虑方程x^4+px^3+qx+r=0

解出三次方程\theta^3-2p\theta^2+(p^2-4r)\theta+q^2=0的三个根\theta_1,\theta_2,\theta_3

\alpha_i=\pm\sqrt{\theta_i},且\alpha_1\alpha_2\alpha_3=-q

此时方程的四个解为

x_1={1\over 2}(\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3)

x_2={1\over 2}(\alpha_1-\alpha_2-\alpha_3)

x_3={1\over 2}(-\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3)​

x_4={1\over 2}(-\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3)​

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