Abel-Ruffini teoremi - Abel–Ruffini theorem

İçinde matematik, Abel-Ruffini teoremi (Ayrıca şöyle bilinir Abel'ın imkansızlık teoremi) olmadığını belirtir radikallerde çözüm genel olarak polinom denklemler nın-nin beşinci derece veya keyfi ile daha yüksek katsayılar. Buraya, genel denklemin katsayılarının şu şekilde görüntülendiği ve manipüle edildiği anlamına gelir: belirsiz.

Teorem ismini almıştır Paolo Ruffini 1799'da eksik bir ispat yapan,^[1] ve Niels Henrik Abel, 1824'te bir kanıt sağlayan.^[2][3]

Abel-Ruffini teoremi radikallerle çözülemeyen beşinci derece ve daha yüksek denklemler olduğu şeklindeki biraz daha güçlü sonucu ifade eder. Bu, Abel'in teoremi açıklamasından kaynaklanmıyor, ancak ispatının bir sonucudur, çünkü onun kanıtı, denklemin katsayılarındaki bazı polinomların sıfır polinom olmadığına dayanıyor. Bu geliştirilmiş ifade doğrudan Galois teorisi § Çözülemez beşinci bir örnek. Galois teorisi şunu da ima eder:

${ displaystyle x ^ {5} -x-1 = 0}$

radikallerde çözülemeyen en basit denklemdir ve Neredeyse hepsi Beşinci derece veya daha yüksek polinomlar, radikallerde çözülemez.

Beşinci derece veya daha yüksek derecelerde çözmenin imkansızlığı, daha düşük dereceli durumla çelişir: ikinci dereceden formül, kübik formül, ve çeyrek formül sırasıyla iki, üç ve dört dereceler için.

Bağlam

Polinom denklemler ikinci derece ile çözülebilir ikinci dereceden formül o zamandan beri bilinen antik dönem. Benzer şekilde kübik formül üçüncü derece için ve çeyrek formül dördüncü derece için, 16. yüzyılda bulundu. O zamanlar temel bir problem, daha yüksek dereceli denklemlerin benzer şekilde çözülüp çözülemeyeceğiydi.

Pozitif derecedeki her polinom denkleminin çözümleri olduğu gerçeği, muhtemelen gerçek olmayan, 17. yüzyılda iddia edildi, ancak ancak 19. yüzyılın başında tamamen kanıtlandı. Bu cebirin temel teoremi. Bu teorem, tam olarak çözümleri hesaplamak için herhangi bir araç sağlamaz, ancak Newton yöntemi bunların istenen herhangi bir doğruluğa yaklaştırılmasını sağlar.

16. yüzyıldan 19. yüzyılın başına kadar, cebirin temel sorunu, beşinci derece ve daha yüksek polinom denklemlerinin çözümleri için bir formül, dolayısıyla "cebirin temel teoremi" adını aramaktı. Bu bir radikallerde çözüm yani bir ifade sadece denklemin katsayılarını ve işlemlerini içeren ilave, çıkarma, çarpma işlemi, bölünme, ve ninci kök çıkarma.

Abel-Ruffini teoremi bunun imkansız olduğunu kanıtlıyor. Ancak bu, herhangi bir derecedeki belirli bir denklemin radikallerde çözülemeyeceği anlamına gelmez. Aksine, radikallerde çözülebilecek her dereceden denklemler vardır. Bu denklemin durumu ${ displaystyle x ^ {n} -1 = 0}$ herhangi nve tarafından tanımlanan denklemler siklotomik polinomlar, tüm çözümleri radikallerle ifade edilebilen.

Abel'ın teoremi kanıtlaması, radikaller tarafından çözülemeyen belirli denklemler olduğu iddiasını açıkça içermiyor. Böyle bir iddia, Abel'in teoremi açıklamasının bir sonucu değildir, çünkü ifade "her özel beşli denklem her denklem için özel bir formülle çözülebilir olabilir. "^[4] Bununla birlikte, katsayılardaki bazı polinomların sıfır polinom olmadığı gerçeğini kullandığından ve sonlu sayıda polinom verildiğinde, radikallerde çözülemeyen belirli denklemlerin varlığı, Abel'ın ispatının bir sonucu gibi görünmektedir. hiçbir polinomun sıfır değerini almadığı değişkenlerin değerleridir.

Abel'ın kanıtını yayınlamasından kısa bir süre sonra, Évariste Galois şimdi denilen bir teori sundu Galois teorisi herhangi bir denklem için radikallerde çözülebilir olup olmadığına karar vermeye izin veren (bu teoriktir, çünkü pratikte bu karar güçlü olsa bile zor olabilen büyük bir hesaplamaya ihtiyaç duyabilir. bilgisayarlar ). Bu karar, adı verilen yardımcı polinomlar eklenerek yapılır. çözücüler, katsayıları polinomik olarak orijinal polinomunkilere bağlı olan. Polinom, ancak ve ancak bazı çözücülere sahipse, radikallerde çözülebilir. akılcı kök.

Kanıt

Aşağıdaki kanıt dayanmaktadır Galois teorisi ve herhangi bir alan için geçerlidir karakteristik 0. Tarihsel olarak, Ruffini^[1] ve Abel'ın ispatları Galois teorisinden önce gelir. Abel'ın kanıtının modern bir sunumu için şu makaleye bakın: Rosen^[5] veya Tignol'un kitapları^[6] veya Pesic.^[7]

Galois teorisinin temel teoremlerinden biri, bir polinomun $F solda { displaystyle P (x) [x sağ]}$ üzerinde radikaller tarafından çözülebilir ${ displaystyle F}$ ancak ve ancak bölme alanı ${ displaystyle K}$ bitmiş ${ displaystyle F}$ var çözülebilir Galois grubu,^[8] Dolayısıyla, Abel-Ruffini teoreminin kanıtı, beşinci derecenin genel polinomunun Galois grubunu hesaplamaya ve çözülebilir olmadığını göstermeye gelir.

Beş düşünün belirsiz ${ displaystyle y_ {1}, y_ {2}, y_ {3}, y_ {4}}$, ve ${ displaystyle y_ {5}}$, İzin Vermek ${ displaystyle E = mathbf {Q} sol (y_ {1}, y_ {2}, y_ {3}, y_ {4}, y_ {5} sağ)}$ve izin ver

${ displaystyle P (x) = sol (x-y_ {1} sağ) sol (x-y_ {2} sağ) sol (x-y_ {3} sağ) sol (x-y_ {4} sağ) left (x-y_ {5} sağ) E [x]} içinde$.

Genişleyen ${ displaystyle P (x)}$ dışarı verir temel simetrik fonksiyonlar of ${ displaystyle y_ {i}}$:

${ displaystyle s_ {1} = y_ {1} + y_ {2} + y_ {3} + y_ {4} + y_ {5}}$,

${ displaystyle s_ {2} = y_ {1} y_ {2} + y_ {1} y_ {3} + y_ {1} y_ {4} + y_ {1} y_ {5} + y_ {2} y_ { 3} + y_ {2} y_ {4} + y_ {2} y_ {5} + y_ {3} y_ {4} + y_ {3} y_ {5} + y_ {4} y_ {5}}$,

${ displaystyle s_ {3} = y_ {1} y_ {2} y_ {3} + y_ {1} y_ {2} y_ {4} + y_ {1} y_ {2} y_ {5} + y_ {1 } y_ {3} y_ {4} + y_ {1} y_ {3} y_ {5} + y_ {1} y_ {4} y_ {5} + y_ {2} y_ {3} y_ {4} + y_ {2} y_ {3} y_ {5} + y_ {2} y_ {4} y_ {5} + y_ {3} y_ {4} y_ {5}}$,

${ displaystyle s_ {4} = y_ {1} y_ {2} y_ {3} y_ {4} + y_ {1} y_ {2} y_ {3} y_ {5} + y_ {1} y_ {2} y_ {4} y_ {5} + y_ {1} y_ {3} y_ {4} y_ {5} + y_ {2} y_ {3} y_ {4} y_ {5}}$,

${ displaystyle s_ {5} = y_ {1} y_ {2} y_ {3} y_ {4} y_ {5}}$.

Katsayısı ${ displaystyle x ^ {n}}$ içinde ${ displaystyle P (x)}$ bu yüzden ${ displaystyle (-1) ^ {5-n} s_ {5-n}}$. İzin Vermek ${ displaystyle F = mathbf {Q} (s_ {1}, s_ {2}, s_ {3}, s_ {4}, s_ {5})}$ temel simetrik fonksiyonların rasyonellere birleştirilmesiyle elde edilen alan. Sonra $F solda { displaystyle P (x) [x sağ]}$. Çünkü ${ displaystyle y_ {i}}$belirsizdir, her permütasyon ${ displaystyle sigma}$ simetrik grupta 5 harf ${ displaystyle S_ {5}}$ farklı bir otomorfizm ${ displaystyle sigma '}$ açık ${ displaystyle E}$ o bırakır ${ displaystyle mathbf {Q}}$ elemanları sabitler ve değiştirir ${ displaystyle y_ {i}}$. Ürün formunun köklerinin rastgele bir şekilde yeniden düzenlenmesi hala aynı polinomu ürettiğinden, örneğin,

${ displaystyle sol (x-y_ {3} sağ) sol (x-y_ {1} sağ) sol (x-y_ {2} sağ) sol (x-y_ {5} sağ ) left (x-y_ {4} sağ)}$

ile aynı polinomdur

${ displaystyle sol (x-y_ {1} sağ) sol (x-y_ {2} sağ) sol (x-y_ {3} sağ) sol (x-y_ {4} sağ ) left (x-y_ {5} sağ)}$,

otomorfizmler ${ displaystyle sigma '}$ ayrıca ayrılmak ${ displaystyle F}$ düzeltildi, bu nedenle bunlar Galois grubunun öğeleridir ${ displaystyle operatorname {Gal} (E / F)}$. Bu nedenle, bunu gösterdik ${ displaystyle S_ {5} subseteq operatorname {Gal} (E / F)}$; ancak muhtemelen orada olmayan otomorfizmler olabilir ${ displaystyle S_ {5}}$. Ancak, beşli bir polinomun bölme alanının Galois grubu en fazla ${ displaystyle 5!}$ öğeler ve o zamandan beri ${ displaystyle E}$ bölme alanı ${ displaystyle P (x)}$bunu takip eder ${ displaystyle operatorname {Gal} (E / F)}$ dır-dir izomorf -e ${ displaystyle S_ {5}}$. Bu argümanı genellemek, her genel derece polinomunun Galois grubunun ${ displaystyle n}$ izomorfiktir ${ displaystyle S_ {n}}$.

Tek kompozisyon serisi nın-nin ${ displaystyle S_ {5}}$ dır-dir ${ displaystyle S_ {5} geq A_ {5} geq lbrace e rbrace}$ (nerede ${ displaystyle A_ {5}}$ ... alternatif grup beş harf üzerine, aynı zamanda ikosahedral grubu ). Ancak bölüm grubu ${ displaystyle A_ {5} / lbrace e rbrace}$ (izomorfik ${ displaystyle A_ {5}}$ kendisi) değil değişmeli, ve bu yüzden ${ displaystyle S_ {5}}$ çözülebilir değildir, bu nedenle beşinci derecenin genel polinomunun radikallerde çözümü olmaması gerekir. İlk önemsizden beri normal alt grup simetrik grubun${ displaystyle n}$ harfler her zaman değişen gruptur${ displaystyle n}$ harfler ve değişen gruplar açık olduğundan${ displaystyle n}$ için mektuplar ${ displaystyle n geq 5}$ her zaman basit ve değişmeli olmayan ve dolayısıyla çözülemeyen, aynı zamanda beşinciden daha yüksek tüm derecelerdeki genel polinomların radikallerde çözümü olmadığını da söyler. Q.E.D.

Beşinci derece bir polinom için Galois grubunun yukarıdaki yapısı yalnızca genel polinom; beşinci derecenin belirli polinomları, oldukça farklı özelliklere sahip farklı Galois gruplarına sahip olabilir, örneğin, ${ displaystyle x ^ {5} -1}$ tarafından oluşturulan bir bölme alanına sahiptir ilkel birliğin 5. kökü ve dolayısıyla Galois grubu değişmeli ve denklemin kendisi radikaller tarafından çözülebilir; dahası, argüman, sahip olan herhangi bir rasyonel değerli beşli ${ displaystyle S_ {5}}$ veya ${ displaystyle A_ {5}}$ Galois grubu olarak. Bununla birlikte, sonuç genel polinom üzerinde olduğundan, katsayılar açısından aritmetik işlemlerin ve radikallerin yalnızca sonlu bir kombinasyonunu kullanan bir beşlinin kökleri için genel bir "beşli formül" ün imkansız olduğunu söyler.

Derecesi 5'ten az olan polinomlara uygulandığında ispat geçerli değildir. Gerçekten:

• grup ${ displaystyle A_ {4}}$ dır-dir değil basit, çünkü alt grup ${ displaystyle {e, (12) (34), (13) (24), (14) (23) }}$izomorfik Klein dört grup normal bir alt gruptur;
• gruplar ${ displaystyle A_ {2}}$ ve ${ displaystyle A_ {3}}$ vardır basit, ama onlar da değişmeli oldukları için (${ displaystyle A_ {2}}$ önemsiz gruptur ve ${ displaystyle A_ {3}}$ ... döngüsel grup 3. sırayla), bu bir sorun değil.

Beş belirsiz ile çalışmak yerine beş beton ile çalışmak ispat geçerliliğini korur. cebirsel olarak bağımsız karmaşık sayılar, çünkü aynı argümanla,${ displaystyle operatorname {Gal} (E / F) = S_ {5}}$.

Tarih

1770 civarı, Joseph Louis Lagrange Denklemleri çözmek için o noktaya kadar kullanılan birçok farklı hileyi birleştiren temeli başlattı ve bunları grupların teorisiyle ilişkilendirdi. permütasyonlar, şeklinde Lagrange çözücüler.^[9] Lagrange'ın bu yenilikçi çalışması, Galois teorisinin bir habercisiydi ve beşinci ve daha yüksek dereceli denklemler için çözümler geliştirmedeki başarısızlığı, bu tür çözümlerin imkansız olabileceğini ima etti, ancak kesin kanıt sağlamadı. Radikaller tarafından beşerileri çözme sorununun çözülmesinin imkansız olabileceğini varsayan ilk kişi, Carl Friedrich Gauss, 1798'de kitabının 359. bölümünde yazan Disquisitiones Arithmeticae (sadece 1801'de yayımlanacaktı) "Bu sorunun, imkansız olanı önerdiği kadar modern analiz yöntemlerine meydan okumadığına dair çok az şüphe var". Gelecek yıl, onun tez, "Birçok geometrinin emeği, cebirsel olarak genel denklemin çözümüne ulaşma konusunda çok az umut bıraktıktan sonra, bu çözümün imkansız ve çelişkili olduğu giderek daha muhtemel görünüyor" diye yazdı. Ve ekledi "Belki de beşinci derecenin imkansızlığını tüm titizlikle kanıtlamak o kadar zor olmayacak. Bu konudaki araştırmalarımı daha uzun bir şekilde başka bir yerde ortaya koyacağım." Aslında Gauss bu konuda başka hiçbir şey yayınlamadı.^[1]

Paolo Ruffini, Teoria generale delle equazioni, 1799

Teorem ilk olarak neredeyse kanıtlandı Paolo Ruffini 1799'da.^[10] Kanıtını, kabul edilmesi için birkaç matematikçiye gönderdi, aralarında Lagrange (cevap vermedi) ve Augustin-Louis Cauchy "Denklemlerin genel çözümü hakkındaki anılarınız, matematikçiler tarafından her zaman akılda tutulması gerektiğine inandığım ve bence, genel denklemlerin cebirsel çözülemezliğini kesin olarak kanıtlayan bir çalışmadır. dördüncü derece. "^[11] Ancak, genel olarak, Ruffini'nin kanıtı ikna edici görülmedi. Abel şöyle yazdı: "Birincisi ve yanılmıyorsam, benden önce genel denklemlerin cebirsel çözümünün imkansızlığını kanıtlamaya çalışan tek kişi matematikçi Ruffini'dir. Ama onun anıları o kadar karmaşık ki çok argümanının geçerliliğini belirlemek zor. Bana göre argümanı tamamen tatmin edici değil. "^[11][12]

Daha sonra keşfedildiği şekliyle kanıt da eksikti. Ruffini, uğraştığı tüm radikallerin, yalnızca alan işlemlerini kullanarak polinomun köklerinden ifade edilebileceğini varsaydı; modern terimlerle, radikallerin polinomun bölünme alanına ait olduğunu varsaydı. Bunun neden gerçekten fazladan bir varsayım olduğunu anlamak için, örneğin polinomu düşünün ${ displaystyle P (x) = x ^ {3} -15x-20}$. Göre Cardano'nun formülü köklerinden biri (aslında hepsi), bir küp kökünün toplamı olarak ifade edilebilir. ${ displaystyle 10 + 5i}$ küp kökü ile ${ displaystyle 10-5i}$. Öte yandan, ${ displaystyle P (-3) <0}$, ${ displaystyle P (-2)> 0}$, ${ displaystyle P (-1) <0}$, ve ${ displaystyle P (5)> 0}$, kökleri ${ displaystyle r_ {1}}$, ${ displaystyle r_ {2}}$, ve ${ displaystyle r_ {3}}$ nın-nin ${ displaystyle P (x)}$ hepsi gerçek ve bu nedenle alan ${ displaystyle mathbf {Q} (r_ {1}, r_ {2}, r_ {3})}$ alt alanı ${ displaystyle mathbf {R}}$. Ama sonra sayılar ${ displaystyle 10 pm 5i}$ ait olamaz ${ displaystyle mathbf {Q} (r_ {1}, r_ {2}, r_ {3})}$. Cauchy, Ruffini'nin varsayımını fark etmemiş veya küçük olduğunu düşünmüş olsa da, çoğu tarihçi, Abel, genel polinomlar durumunda varsayımın geçerli olduğunu iddia eden doğal irrasyonellikler teorisini kanıtlayana kadar kanıtın tamamlanmadığına inanıyor.^[6][13] Abel-Ruffini teoremi, bu nedenle, genellikle 1824'te sadece altı sayfaya sıkıştırılmış bir ispat yayınlayan Abel'e atfedilir.^[2] (Abel, kağıt ve paradan tasarruf etmek için çok kısa bir üslup benimsedi: kanıt, masrafları kendisine ait olacak şekilde basıldı.^[7]Kanıtın daha ayrıntılı bir versiyonu 1826'da yayınlanacaktı.^[3]

Genel beşinci (ve daha yüksek) denklemlerin radikaller tarafından çözülemez olduğunu kanıtlamak sorunu tamamen çözmedi, çünkü Abel-Ruffini teoremi hangi beşli (ve daha yüksek) denklemlerin radikaller tarafından çözülemeyeceğini kesin olarak söylemek için gerekli ve yeterli koşulları sağlamaz. Abel, 1829'da öldüğünde tam bir karakterizasyon üzerinde çalışıyordu.^[14]

Göre Nathan Jacobson, "Ruffini ve Abel'ın [...] kanıtlarının yerini kısa süre sonra bu araştırma hattının taçlandıran başarısı aldı: Galois'in denklemler teorisindeki keşifleri."^[8] 1830'da Galois (18 yaşında) Paris Bilimler Akademisi Radikaller tarafından çözülebilirlik teorisi üzerine bir anı, sonuçta çok kabataslak olduğu için 1831'de reddedildi ve katsayıları yerine denklemin kökleri açısından bir koşul verdi. Galois, Ruffini ve Abel'ın katkılarının farkındaydı, "Bugün ortak bir gerçektir, genel derece denklemi 4 radikaller tarafından çözülemez ... Bu gerçek, geometrilerin Abel ve Ruffini'nin kanıtlarını görmezden gelmesine rağmen (kulaktan dolma) yaygın hale geldi ... "^[1] Galois 1832'de öldü ve makalesi Meteorolojik şartlar de resolubilité des équations par radicaux^[15] 1846'da yayımlanana kadar yayımlanmadı. Joseph Liouville bazı açıklamalarıyla birlikte.^[14] Bu yayından önce Liouville, 4 Temmuz 1843'te yaptığı bir konuşmada Galois'in sonucunu Akademi'ye duyurdu.^[4] Abel'ın ispatının bir basitleştirmesi tarafından yayınlandı Pierre Wantzel 1845'te.^[16] Bunu yayınladığında, Galois'in katkılarının zaten farkındaydı ve Abel'in ispatı yalnızca genel polinomlar için geçerliyken, Galois'in yaklaşımının, kökleri radikallerle ifade edilemeyen 5. derece somut bir polinom sağlamak için kullanılabileceğinden bahsediyor. katsayılarından.

1963'te, Vladimir Arnold keşfetti topolojik kanıt Abel-Ruffini teoreminin^[17][18][19] başlangıç ​​noktası olarak hizmet etti topolojik Galois teorisi.^[20]

Referanslar