从Gauss Sum到Kronecker-Weber (1) 解3和4次方程

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定期写点数学。类域论的中心定理Kronecker-Weber,是说abelian extension可嵌入cyclotomic extension,但没给出具体嵌入。其实,可具体研究。Kronecker-Weber可从Stickelberger证,Stickelberger可从Gauss sum证。Stickelberger关注Gauss sum在分圆域的分解,可推出与L-函数相关的结论,可进一步扩展为Rubin-Stark猜想。

先看经典的解方程。

一、先解个七次方程

五次及以上的方程没有通用的求根公式。不过,某些高次方程可以用初等方法解。

例如,解个七次方程:[公式]

大家会说,这还用解吗?令 [公式],方程的一个解是 [公式],所有解是 [公式]

但,这不足够。我们希望用加减乘除和开根号表达 [公式],这才叫“求根公式”。

令:

[公式]

注意 [公式]。根据三角函数公式 [公式][公式]

整理后得:

[公式]

这是四次方程,可以套求根公式。不过可以再简化。

注意 [公式] 也满足 [公式],所以 [公式] 也是这个四次方程的根。

的确:[公式]

于是只需解三次方程 [公式]。最终结果很复杂:

[公式]

二、更高次的简单方程

更高次的 [公式] 是否还有求根公式?

Vandermonde 在 35 岁时(1770年)解了 [公式],答案是 [公式],其中:

[公式]

其它 [公式] 也长得差不多。

Gauss 在 18 岁时(1795年)解了 [公式],其中只有开平方,所以可以用尺规作图。这个方程的实根是:

[公式]

后来 Gauss 证明了所有 [公式] 都可以用加减乘除和开根号解。


让我们考虑这里的关键。注意 [公式] 的根总可写成 [公式],其中 [公式] 可称为原根。

[公式] 拥有非常好的性质:[公式] 构成了循环。这是我们能把 [公式] 解出来的重要原因。

那么,是否可借助 [公式] 的威力,解其它方程?这是一种重要思想。这就是嵌入分圆域,就是Kronecker-Weber。

实际上,Lagrange 在 1771 年提出,的确可用这种方法解三次和四次方程。下面看三次方程的情况。

三、解三次方程

[公式] 的解为 [公式]

考虑一个很对称的式子:

[公式]

此时 [公式] 的解显然是 [公式]

注意 [公式] 在 Galois 作用 [公式] 下不变。这种方法叫 Lagrange resolvent,实际是考虑 [公式] 的离散傅里叶变换。

如果明确写出:

[公式]

那么展开得到:

[公式]

注意 [公式] 恰好消失了(这可用 Galois 理论解释)。

令我们需解的方程为 [公式],比较系数得 [公式][公式],因此:

[公式]

而这是关于 [公式] 的二次方程,我们知道怎么解。

在解出 [公式] 后,[公式] 的解就是 [公式]

类似的方法可用于解四次方程(复杂很多)。遗憾的是,这对于一般五次方程失效了,此时我们会发现,最终需要解六次方程。

不过,像 [公式] 这样的特殊五次方程是可以解的,例如 [公式]。这就涉及 Galois 理论,后续再谈。