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:。
大家会说,这还用解吗?令 ,方程的一个解是
,所有解是
。
但,这不足够。我们希望用加减乘除和开根号表达 ,这才叫“求根公式”。
令:
注意 。根据三角函数公式
,
。
整理后得:
这是四次方程,可以套求根公式。不过可以再简化。
注意 也满足
,所以
也是这个四次方程的根。
的确:。
于是只需解三次方程 。最终结果很复杂:
二、更高次的简单方程
更高次的 是否还有求根公式?
Vandermonde 在 35 岁时(1770年)解了 ,答案是
,其中:
其它 也长得差不多。
Gauss 在 18 岁时(1795年)解了 ,其中只有开平方,所以可以用尺规作图。这个方程的实根是:
后来 Gauss 证明了所有 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 的根总可写成
,其中
可称为原根。
拥有非常好的性质:
构成了循环。这是我们能把
解出来的重要原因。
那么,是否可借助 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
令 的解为
。
考虑一个很对称的式子:
此时 的解显然是
。
注意 在 Galois 作用
下不变。这种方法叫 Lagrange resolvent,实际是考虑
的离散傅里叶变换。
如果明确写出:
那么展开得到:
注意 恰好消失了(这可用 Galois 理论解释)。
令我们需解的方程为 ,比较系数得
,
,因此:
而这是关于 的二次方程,我们知道怎么解。
在解出 后,
的解就是
。
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 这样的特殊五次方程是可以解的,例如
。这就涉及 Galois 理论,后续再谈。