伽罗华与群论


      伽罗华与群

 

                          蔡笑晚推荐好书

 

      伽罗华所提出并为之坚持的理论是一场对权威、对时

      代的挑战,他的完全超越了当时数学界能理解

      的观念。也许正是由于年轻,他才敢于并能够以崭新

      的方式去思考,去描述他的数学世界。也正因如此,

      他才受到了冷遇。但是,历史的曲折并不能埋没真理

      的光辉。今天由伽罗华开始的群论,不仅对近代数学

      的各个方向,且对物理学、化学的许多分支都产生

      了重大的影响。

            现代数学得出的一个伟大教训是:一个很小的原因可以

            引出惊人的结果。21岁的伽罗华成为有史以来二十五位

            大数学家之一足以证明这一点。

 

          

 

    18111025,伽罗华出生于法国巴黎郊区拉赖因堡伽罗瓦街的第54号房屋内。现在这所房屋的正面有一块纪念牌,上面写着:法国著名数学家埃瓦里斯特·伽罗瓦生于此,卒年20岁,18111832。伽罗瓦的双亲都受过良好的教育。在父母的熏陶下,伽罗瓦童年时代就表现出有才能、认真、热心等良好的品格。伽罗瓦曾说过:父亲是他的一切。可见父亲对他有较大的影响。伽罗瓦的母亲曾积极参与儿子的启蒙教育。有关伽罗瓦的传记中,特别谈到伽罗瓦的第一位教师是他的母亲,一个聪明兼有好教养的妇女,当他还在童稚时,她一直给他上课。这就为伽罗瓦在中学阶段的学习和以后攀登数学高峰打下了坚实的基础。

1823l0月伽罗瓦年满12岁时,离开了双亲,考入有名的路易··格兰皇家中学。他有个性,而且早已显露出强烈的求知欲的标志。但是第二学季一开始(伽罗瓦这时刚满15),由于教师们认为他的体格不够强壮,校长认为他的判断力还有待成熟,他不得不回到二年级。重修二年级,使伽罗瓦有机会毫无阻碍地被批准去上初级数学的补充课程。自此他把大部分时间和主要精力用来研究、探讨数学课本以外的高等数学。伽罗华经常到图书馆自学数学专著,特别对一些数学大师,如勒让德的《几何原理》和拉格朗日的《代数方程的解法》、《解析函数论》、《微积分学教程》进行了认真分析和研究,但他并未失去对其他科目的兴趣。

182810月,他仍然从中学初级数学班跳到里夏尔的数学专业班。里夏尔不仅讲课风格优雅,而且善于发掘天才。他遗留下的笔记中记载着:伽罗瓦只宜在数学的尖端领域中工作他大大地超过了全体同学

里夏尔帮助伽罗瓦于1828年(17岁)在法国第一个专业数学杂志《纯粹与应用数学年报》三月号上,发表了他的第一篇论文《周期连分数一个定理的证明》,并把他研究的初步结果的论文提交给法国科学院。

182972,正当伽罗瓦准备入学考试时,他的父亲由于受不了天主教牧师的攻击、诽谤而自杀了。其后不久,伽罗华听从里夏尔的劝告决定进师范大学,这使他有可能继续深造,同时生活费用也有了着落。18291025日伽罗华被作为预备生录取入学。

进入师范大学后的一年对伽罗瓦来说是最顺利的一年,1828年他的科学研究获得了初步成果。伽罗瓦写了几篇大文章,并提出自己的全部著作来应征科学院的数学特奖。但在这里,他又一次遭到了新挫折:伽罗瓦的手稿原来交给科学院常任秘书傅立叶,傅立叶收到手稿后不久就去世了。因而文章也被遗失了。这些著作的某些抄本落到数学杂志《费律萨克男爵通报》的杂志社手里,并在1830年的4月号和6月号上把它刊载了出来。

伽罗瓦将满19岁。他在师范大学的第一年功课行将结束。他这时写成的数学著作,已经使人有可能对他思想的独创性和敏锐性作出评价。

 

数学世界的顽强斗士

19世纪初,有一些数学问题一直困扰着当时的数学家们,而如何求解高次方程就是其中之一。

数学家们寻求五次及五次以上的高次方程的解法,但一直持续了长达三个多世纪,都没有解决。法国数学家拉格朗日更是称这一问题是在向人类的智慧挑战

1770年,拉格朗日精心分析了二次、三次、四次方程根式解的结构之后,提出了方程的预解式概念,并且还进一步看出预解式和方程的各个根在排列置换下的形式不变性有关,这时他认识到求解一般五次方程的代数方法可能不存在。此后,挪威数学家阿贝尔利用置换群的理论,给出了高于四次的一般代数方程不存在代数解的证明。

伽罗瓦通过改进数学大师拉格朗日的思想,即设法绕过拉氏预解式,但又从拉格朗日那里继承了问题转化的思想,即把预解式的构成同置换群联系起来的思想,并在阿贝尔研究的基础上,进一步发展了他的思想,把全部问题转化或归结为置换群及其子群结构的分析。

这个理论的大意是:每个方程对应于一个域,即含有方程全部根的域,称为这方程的伽罗华域,这个域对应一个群,即这个方程根的置换群,称为这方程的伽罗华群。伽罗华域的子域和伽罗华群的子群有一一对应关系;当且仅当一个方程的伽罗华群是可解群时,这方程是根式可解的。

1829年,伽罗华在他中学最后一年快要结束时,把关于群论初步研究结果的论文提交给法国科学院,科学院委托当时法国最杰出的数学家柯西作为这些论文的鉴定人。在1830118日柯西曾计划对伽罗华的研究成果在科学院举行一次全面的意见听取会。他在一封信中写道:今天我应当向科学院提交一份关于年轻的伽罗华的工作报告……但因病在家,我很遗憾未能出席今天的会议,希望你安排我参加下次会议,讨论已指明的议题。然而,第二周当柯西向科学院宣读他自己的一篇论文时,并未介绍伽罗华的著作,这是一个非常微妙的事故

18302月,伽罗华将他的研究成果比较详细地写成论文交上去了,以参加科学院的数学大奖评选,希望能够获奖。论文寄给当时科学院终身秘书傅立叶,但傅立叶在当年5月去世了,在他的遗物中未能发现伽罗华的手稿。就这样,伽罗华递交的两次数学论文都被遗失了。

18311月,伽罗华在寻求确定方程的可解性这个问题上,又得到一个结论,他写成论文提交给法国科学院。这篇论文是伽罗华关于群论的重要著作,当时负责审查的数学家泊阿松为理解这篇论文绞尽脑汁。传说泊阿松将这篇论文看了四个月,最后结论居然是完全不能理解。尽管借助于拉格朗日已证明的一个结果可以表明伽罗华所要证明的论断是正确的,但最后他还是建议科学院否定它。

对事业必胜的信念激励着年轻的伽罗华。虽然他的论文一再被丢失,得不到应有的支持,但他并没有灰心,他坚持他的科研成果,不仅一次又一次地想办法传播出去,还进一步向更广的领域探索。

 

天才的陨落

 伽罗华诞生在拿破仑帝国时代,经历了波旁王朝的复辟时期,又赶上路易·腓力浦朝代初期,他是当时最先进的革命政治集团——共和派的秘密组织人民之友的成员,并发誓:如果为了唤起人民需要我死,我愿意牺牲自己的生命

伽罗瓦敢于对政治上的动摇分子和两面派进行顽强的斗争,年轻热情的伽罗华对师范大学教育组织极为不满。由于他揭发了校长吉尼奥对法国七月革命政变的两面派行为,被吉尼奥的忠实朋友,皇家国民教育委员会顾问库申起草报告,皇家国民教育委员会183118日批准立即将伽罗瓦开除出师范大学。

之后,他进一步积极参加政治活动。18315l0日,伽罗华以企图暗杀国王的罪名被捕。在6155日陪审法庭上,由于共和党人的律师窦本的努力,伽罗瓦被宣告无罪当场获释。七月,被反动王朝视为危险分子的伽罗华在国庆节示威时再次被抓,被关在圣佩拉吉监狱,在这里庆祝过他的20岁生日,渡过了他生命的最后一年的大部分时间。

在监狱中伽罗华一方面与官方进行不妥协的斗争,另一面他还抓紧时间刻苦钻研数学。尽管牢房里条件很差,生活艰苦,他仍能静下心来在数学王国里思考。

伽罗瓦在圣佩拉吉监狱中写成的研究报告中写道:把数学运算归类,学会按照难易程度,而不是按照它们的外部特征加以分类,这就是我所理解的未来数学家的任务,这就是我所要走的道路。请注意到把数学运算归类这句话,道出了他的理想、他的道路。毋庸置疑,这句话系指点目前所称的群论。由于其后好几代数学家的工作,最终才实现了伽罗瓦的理想。正是他的著作,标志着旧数学史的结束和新数学史的开始。

l832316日伽罗华获释后不久,年轻气盛的伽罗华为了一个舞女,卷入了一场他所谓的爱情与荣誉的决斗。伽罗华非常清楚对手的枪法很好,自己难以摆脱死亡的命运,所以连夜给朋友写信,仓促地把自己生平的数学研究心得扼要写出,并附以论文手稿。

他不时的中断,在纸边空白处写上我没有时间,我没有时间,然后又接着写下一个极其潦草的大纲。他在天亮之前那最后几个小时写出的东西,为一个折磨了数学家们几个世纪的问题找到了真正的答案,并且开创了数学的一片新的天地。

伽罗华对自己的成果充满自信,他在给朋友舍瓦利叶的信中说:我在分析方面做出了一些新发现。有些是关于方程论的;有些是关于整函数的……。公开请求雅可比或高斯,不是对这些定理的正确性,而是对这些定理的重要性发表意见。我希望将来有人发现,这些对于消除所有有关的混乱是有益的。

第二天上午,在决斗场上,伽罗华被打穿了肠子。死之前,他对在他身边哭泣的弟弟说:不要哭,我需要足够的勇气在20岁的时候死去。他被埋葬在公墓的普通壕沟内,所以今天他的坟墓已无踪迹可寻。他不朽的纪念碑就是他的著作,由两篇被拒绝的论文和他在死前那个不眠之夜写下的潦草手稿组成。

历史学家们曾争论过这场决斗是一个悲惨遭的爱情事件的结局,还是出于政治动机造成的,但无论是哪一种,一位世界上最杰出的数学家在他20岁时被杀死了,他研究数学才只有五年。

 

群论——跨越时代的创造

 伽罗华死后,按照他的遗愿,舍瓦利叶把他的信发表在《百科评论》中。他的论文手稿过了十四年后,也就是1846年,才由法国数学家刘维尔领悟到这些演算中迸发出的天才思想,他花了几个月的时间试图解释它的意义。刘维尔最后将这些论文编辑发表在他的极有影响的《纯粹与应用数学杂志》上,并向数学界推荐。1870年法国数学家约当根据伽罗华的思想,写了《论置换与代数方程》一书,在这本书里伽罗华的思想得到了进一步的阐述。

伽罗华最主要的成就是提出了群的概念,并用群论彻底解决了根式求解代数方程的问题,而且由此发展了一整套关于群和域的理论,为了纪念他,人们称之为伽罗华理论。正是这套理论创立了抽象代数学,把代数学的研究推向了一个新的里程。正是这套理论为数学研究工作提供了新的数学工具群论。它对数学分析、几何学的发展有很大影响,并标志着数学发展现代阶段的开始。

伽罗瓦非常彻底地把全部代数方程可解性问题,转化或归结为置换群及其子群结构分析的问题。这是伽罗瓦工作中的第一个突破,他犹如划破黑夜长空的一颗瞬间即逝的慧星,开创了置换群论的研究,确立了代数方程的可解性理论,即后来称为的伽罗瓦理论,从而彻底解决了一般方程的根式解难题。

作为这个理论的推论,可以得出五次以上一般代数方程根式不可解,以及用圆规、直尺(无刻度的尺)三等分任意角和作倍立方体不可能等结论。