李毅伟
如何从 “一样” 中发掘出 “不一样”?
2020-7-10 14:31
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[按:下文是群邮件的内容,标题引自内文。]

起床之际灵光一闪... 

* * *

从韦达定理来看,交换两个根的位置不会影响到系数。可是这对所有的情况都一样。如何从 “一样” 中发掘出 “不一样”?很可能,这才是伽罗瓦的灵魂之问。

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考察 x^ - 2 = 0。设 r1 和 r2 是它的两个根。于是 (x - r1)(x - r2) = 0。展开得:x^2 -(r1+r2)x + r1r2 =0。于是有:

r1 + r2 = 0

r1 ·  r2 = -2

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上面的两个式子中出现了将两个根求和与求积的操作。本来,置换在上面的算式中体现为交换律,可是明显地引入置换(记作 f),而不是依赖于交换律会怎样呢?确实,从函数的观点看,交换律并不自然!甚至有点无厘头呢!!(看出这一点我很高兴)

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如果把置换看作函数 f,它应该是:

f(r1) = r2

f(r2) = r1

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把这个观点代入上面的式子,有:

f(r1 + r2) = f(0)

f(r1 ·  r2) = f(-2)

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为了实施置换的操作,要求:

f(r1 + r2) = f(r1) + f(r2)

f(r1 ·  r2) = f(r1) · f(r2)

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由此看出,自同构起源于置换的函数观点。可以想见,早先人们做置换的时候隐含地假定了上述要求(事实上并非所有的置换都满足上述要求。这一点看起来有点怪,但确实是这样)。我感到 “自同构” 这个术语不是出自伽罗瓦本人。甚至同构的一般概念可能也是后来产生的,也许就是源于伽罗瓦的上述要求(换句话说,可能是先有了这个自同构的实例,后来才有了一般的同构概念,然后才 “编” 出了 “自同构” 这个术语)。我主张把 f 称作伽罗瓦置换,而不采用 “自同构” 这个别扭的说法(宽泛且不准确)。伽罗瓦不大可能有 “同构” 的概念,尽管他提出了那两个式子。(这一段的推测性判断留待日后考察)。

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进一步,为了符合韦达定理,要求:

 f(0) = 0

f(-2) = -2 

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上式中的 0 和 -2 是多项式的系数,而伽罗瓦考察的问题是有理系数的。这意味着 f 不影响任何有理数。这里涉及到一个朴素的手法:从个体推及到全体。又及,原本的置换操作有一个值得注意的地方:除了涉及置换的若干对象以外,其余的对象不受影响*。f 的性质跟这个有点相像(从而容易接受)。这样就做好了一定的准备。

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现在可以实施伽罗瓦置换了:

 0 = f(0)  = f(r1 + r2) = f(r1) + f(r2) = r2 + r1

-2 = f(-2) = f(r1· r2)  = f(r1) ·  f(r2) = r2 ·  r1

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星号处的补充解释:直觉上,置换是一种手动操作,有相当的 “非初等性”。这就好比取绝对值的操作,尽管常见但超出了 “初等” 的范畴。引入函数的观点,至少使得 “置换” 有了某种 “正规” 身份。

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回到开头的例子:x^2 - 2 = 0。这是产生第一个无理数根号2的源头,而从它恰好可以自然地引出伽罗瓦置换(结合韦达定理)。这似乎体现了某种 “根性”。对比系数和根,就有机会意识到:根可以跑出系数所在的范围。换句话说,方程蕴含扩大数的范围的机制。看到 √2 容易想到整个无理数集。可是,伽罗瓦是如何发现 Q(√2 ) 的呢?

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现在转而考察另一个例子:x^3 - x^2 - 2x + 2 = 0。它有三个根:-√2,1,√2。根的所有可能的置换为:

f0: -√2 <~> -√2, 1 <~> 1, √2 <~> √2

f1: -√2 <~> 1

f2: -√2 <~> √2

f3:    1 <~> √2

f4:  -√2 ~> 1, 1 ~> √2, √2 ~> -√2

f5: √2 ~>1, 1 ~> -√2, -√2 ~> √2

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就以上6种置换验证是否为伽罗瓦置换:

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f0(-√2 + (-√2)) = f0(-2√2)

f0(-√2) + f0(-√2) = -√2 + (-√2) = -2√2

对比上两式右端... 严格来讲,f0(-2√2) 并没有定义。但从含义上来讲,f0 意味着 “原地不动”,从而 f0(-2√2) = -2√2。于是上面两式的左端相等。

f0(-√2·(-√2)) = f0(2)

f0(-√2)·f0(-√2) = (-√2)·(-√2) = 2

按照 f0 的含义,可以认为 f0(2) = 2。于是上面两式的左端相等。

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注:对于另两个根也可以类似验证。无论如何,此处 f0 的定义域有所拓展。

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f1(-√2 + 1) = ?

f1(-√2) + f1(1) = 1 + (-√2) = 1 - √2

对比上两个式子... f1(-√2 + 1) 是没有定义的。假定没有定义时看作 “原地不动”,则上面两式相等。

f1((-√2)·1) = f1(-√2) = 1

f1(-√2)·f1(1) = 1 · (-√2) = -√2

对比上两个式子...不相等。

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注:由上,f1 不符合伽罗瓦置换的条件。这意味着从 “一样” 中发掘出了 “不一样”。换句话说,伽罗瓦置换 (或者说 “自同构”),从本质上来讲,是引入了一种法则,它起到某种 “筛子” 的作用(从事后的角度看,这个法则帮助筛选出了根式可解的条件)。这里的启发是:为了对事物进行区分,必须引入某种法则;表面上无法区分的事物,在适当的法则下有可能获得区分。

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注:对于候选的伽罗瓦置换(比如这里的 f1),似乎意味着:除了有定义的以外,其余的都原地不动。这样就产生一个疑问:“其余” 究竟指哪些?这个疑问产生了划出一个范围的需求... 从事后的观点看,此处是在 Q(√2) 里谈论 “其余”。可是暂时看不出如何自然地引入Q(√2)...

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f2(-√2 + √2) = f2(0) = 0

f2(-√2) + f2(√2) = √2 + (-√2) = 0

观察:上两式左端相等。

f2(-√2 · √2) = f(-2) = -2

f2(-√2) · f2(√2) = √2 · (-√2) = -2

观察:上两式左端相等。

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注:上面对置换的值做验证,符合伽罗瓦置换。现在希望对 f2 验证 √2 和 1 的相互作用:

f2(√2 + 1) = ?

f2(√2) + f(1) = -√2 + 1

观察:按照 “无定义则不动” 的假定,上面第一个式子为 √2 + 1。于是上两式左端不相等。

注:这里有个问题,即 f2(√2 + 1) 这个考虑本身是否 “合法”?我注意到,对于 f3 (即资料中的sigma2),资料中考虑了 -√2 和 √2 的相互作用,这令人困惑(或许,只要相互作用的结果有定义就合法?)。总之,对于伽罗瓦置换 (或“自同构”) 的严格定义尚不清楚。 

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根据资料,f4 和 f5 都不是伽罗瓦置换。从而从 f0 ~ f5 中分出了 f0 和 f2,它们是伽罗瓦置换。

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小结:初步探讨了伽罗瓦置换的可能起源,它作为 “筛子” 角色。两个疑问:Q(√2) 的起源(或伽罗瓦怎样发现了“域”)及伽罗瓦置换的严格定义及验证


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