Przejdź do zawartości

Teoria Galois

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Évariste Galois(1811–1832)

Teoria Galois– działmatematyki wyższejdefiniowany dwojako:

Dziedzinę tę stworzył w I połowie XIX wiekuÉvariste Galois,od którego nazwiska jest nazwana. Opisał on związki międzypierwiastkamirzeczywistych i zespolonychwielomianówza pomocągrup permutacji;zasadnicze twierdzenie teorii Galoispodajewarunek równoważnyna rozwiązalność równania wielomianowego przezpierwiastniki[2].Tym sposobem podał on nowy dowódtwierdzenia Abela-Ruffiniegoi rozszerzył ten wynik negatywny o wynik pozytywny – wskazując, kiedy rozwiązanie równań tym sposobem jest możliwe. Galois podał też wszystkieciała skończone[potrzebny przypis].Późniejsi badacze jakRichard Dedekind,Leopold Kronecker,Emil Artini inni opracowali nowe podejście do tej dyscypliny, oparte na badaniurozszerzeń ciałoraz automorfizmów tych rozszerzeń. Ten obszar badań bywa nazywanyalgebraiczną teorią Galois[3]dla kontrastu z późniejsząróżniczkową teorią Galois,która bada rozwiązalność liniowychrównań różniczkowych[4].

Teoria Galois dostarcza też prostego dowoduzasadniczego twierdzenia algebry[potrzebny przypis].Czasem do wyników tej dziedziny zalicza się też warunek konstruowalności pewnych figur przezkonstrukcje klasyczne,ponieważ jest on sformułowany w języku rozszerzeń ciał. Daleko idącą abstrakcją teorii Galois jest teoriapołączeń Galois[potrzebny przypis].

Historia

[edytuj|edytuj kod]

Początki teorii Galois sięgają badań nadfunkcjami symetrycznymi– współczynniki wielomianu są (z dokładnością do znaku)elementarnymi wielomianami symetrycznymipierwiastków. Przykładowogdzieisą wielomianami elementarnymi stopni pierwszego i drugiego dwóch zmiennych.

Jako pierwszy formalnie ujął to szesnastowieczny matematyk francuskiFrançois Viètew tzw.wzorach Viète’adla dodatnich pierwiastków rzeczywistych. W opinii osiemnastowiecznego matematyka brytyjskiegoCharlesa Huttona[5]wyrażenie współczynników wielomianu za pomocą pierwiastków (nie tylko dodatnich) zostało po raz pierwszy w pełni zrozumiane przez siedemnastowiecznego matematyka francuskiegoAlberta Girarda;Hutton pisze:

…[Girard był] pierwszą osobą, która zrozumiała ogólną metodę tworzenia współczynników potęg z sum pierwiastków i ich iloczynów. Był pierwszym, który odkrył zasady sumowania potęg pierwiastków dowolnego równania.

W duchu tymwyróżniknależy postrzegać jako symetryczną funkcję pierwiastków odzwierciedlającą ich własności – jest on równy zero wtedy i tylko wtedy, gdy wielomian ma pierwiastek wielokrotny, a dla wielomianów kwadratowych i sześciennych jest on dodatni wtedy i tylko wtedy, gdy wszystkie ich pierwiastki są rzeczywiste i różne oraz ujemny wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje para różnych sprzężonych pierwiastków zespolonych.

Ogólne rozwiązanie równań sześciennych zostało częściowo podane przez żyjącego na przełomie XV i XVI wieku matematyka włoskiegoScipione del Ferrę;nie opublikował on jednak swoich wyników – jego metoda dawała rozwiązanie tylko dla jednej z trzech klas tych równań, które nie wymagają brania pierwiastków kwadratowych zliczb ujemnych.Należy jednak zaznaczyć, że nie znano jeszcze wówczasliczb zespolonych.Rozwiązanie to zostało niezależnie odkryte na nowo w 1535 roku przezNiccolò Fontanę Tartaglię,który podzielił się tym sekretem zGerolamo Cardanoprosząc go o jego niepublikowanie. Cardano rozszerzył otrzymane rozwiązanie o dwa pozostałe przypadki wykorzystując jako kroki pośrednie pierwiastki kwadratowe z liczb ujemnych; zob.metoda Cardano.Po odkryciu prac Ferra stwierdził on, że metoda Tartaglii nie jest już więcej tajemnicą, dlatego opublikował pełne rozwiązanie w pracy z1545roku pt.Ars Magna.Jego studentLodovico Ferraripodał rozwiązania dla wielomianów czwartego stopnia, które Cardano zawarł w swoimArs Magna.

Kolejnym kamieniem milowym była praca francusko-włoskiego matematykaJosepha Louisa Lagrange’az 1770 roku zatytułowanaRéflexions sur la résolution algébrique des équations,w której korzystając z opracowanej przez siebie metody znanej dziś jakorezolwenty Lagrange’aanalizował on rozwiązania Cardano i Ferrariego dla równań trzeciego i czwartego stopnia poprzez wyrażanie ich jakopermutacjipierwiastków. Poprzez wprowadzenie pomocniczego wielomianu trzeciego stopnia podejście to umożliwiło całościowe traktowanie rozwiązań, co niejako położyło podwaliny pod teorię grup i teorię Galois. Należy zaznaczyć, że Lagrange nie rozpatrywałzłożeńpermutacji. Ponadto metoda Lagrange’a nie obejmowała równań piątego stopnia i wyższych, gdyż rezolwenta ma wtedy wyższy stopień.

Fakt, iż nie można podać ogólnego rozwiązania równań piątego stopnia wyrażonych przezpierwiastniki,został nieomalże dowiedzione przezPaolo Ruffiniegow1799roku: kluczem było wykorzystaniegruppermutacji,a nie tylko pojedynczej permutacji. Rozwiązanie przez niego podane zawierało lukę, którąCauchyuważał za możliwą do uzupełnienia; mimo wszystko nie udało się jej usunąć nikomu, aż do 1824 roku, kiedy to norweski matematykNiels Henrik Abelopublikował dowód twierdzenia znanego dziś jakotwierdzenie Abela-Ruffiniego.

Choć Ruffini i Abel dowiedli, żeogólnerozwiązanie równań piątego stopnia nie istnieje, to jednak istniejąszczególnerozwiązania pewnych równań piątego stopnia; przykładem może być wielomianDokładne kryterium określające rozwiązalnośćdanegowielomianu piątego lub wyższego stopnia zostało sformułowane przezÉvariste’a Galoisw 1830 roku, który pokazał, że rozwiązalność wielomianu jest równoważna temu, czy grupa permutacji jego pierwiastków ma określoną strukturę – w języku współczesnym: czy jegogrupa Galoisjestrozwiązalna.Grupa ta jest zawsze rozwiązalna dla wielomianów stopnia czwartego i mniejszych, jednak nie zawsze dla wielomianów stopnia piątego i wyższych, co tłumaczy, dlaczego nie istnieją ogólne rozwiązania równań wyższych stopni.

Twórcy teorii, Abel i Galois, zwracali uwagę na znaczenie ich odkryć dla teorii funkcji zespolonych, np.funkcji eliptycznych;później okazało się, że mieli rację: odpowiednie grupy Galois niezależnie zdefiniowano topologicznie, jako grupyprzekształceń nakrywającychrozgałęzionychnakryćsfery.

Teoria Galois, a właściwie prace Galois, Abela i Ruffiniego nie znalazły szerokiego oddźwięku wśród współczesnych, co było zarówno kwestią mody (brak zainteresowania matematyką dyskretną), jak i zwięzłości stylu oraz krótkiego życia twórców. Teoria Galois uzyskała rozgłos dziękiJosephowi Liouville’owi,który wydał prace Galois iCamille’owi Jordanowi,a głównie jegoTraité des substitutions et des équations algebraiquez 1870 roku. Jordan podjął badania tam, gdzie zakończyła je śmierć Galois, co umożliwiło dalszy rozwój teorii grup.

Teoria Galois podlegała dalszemu rozwojowi w XX wieku, np. opracowano teorię Galois dla pierścieni, znalazła także szereg zastosowań wteorii liczb algebraicznych,teorii algebr nad ciałami,wgeometrii algebraicznej;rozwinęły się z niej nowe dziedziny, np.kohomologie Galois.W samej teorii Galois wciąż intensywnie badane jest na przykładzagadnienie odwrotne teorii Galois.

Podejście klasyczne

[edytuj|edytuj kod]

Może się zdarzyć, że dla danego wielomianu niektóre z jego pierwiastków związane są ze sobą różnego rodzajurównaniami algebraicznymi.Przykładowo może okazać się, że dla dwóch spośród jego pierwiastków oznaczanych dalejispełnione jest równanieZasadniczą ideą teorii Galois jest rozpatrywanie tychpermutacji(uporządkowań) pierwiastków, dla którychdowolnerównanie algebraiczne spełniane przez te pierwiastki jestnadal spełnianepo zmianie uporządkowania pierwiastków. Istotne jest zastrzeżenie ograniczenia się do równań algebraicznych o współczynnikachwymiernych(można również określić pewneciało,do którego powinny należeć współczynniki, lecz w poniższych prostych przykładach wykorzystywane będzie ciało liczb wymiernych).

Permutacje te tworzą razemgrupę permutacjinazywanągrupą Galoiswielomianu (nad liczbami wymiernymi). Wyjaśnione to zostanie w przykładzie.

Przykład: równanie kwadratowe

[edytuj|edytuj kod]

Niech dane będzierównanie kwadratowe

Rozwiązując je znajduje się dwa pierwiastki

Równaniami algebraicznymi spełnianymi przezisą m.in.

oraz

Oczywiście zamieniając w dowolnym z powyższych równań kolejność pierwiastkówiuzyskuje się inne prawdziwe zdanie. Przykładowostaje się po prostuCo więcej, choć jest to mniej oczywiste, że jest tak dlakażdegorównania algebraicznegoo współczynnikach wymiernych spełnianego przez pierwiastkiidowiedzenie tego wymaga teoriiwielomianów symetrycznych.

Można więc wnosić, że grupa Galois wielomianuskłada się z dwóch permutacji: permutacji tożsamościowej, która pozostawiainiezmienionymi oraz permutacjatransponująca,która zamieniaiJest togrupa cyklicznarzędu dwa, jest więcizomorficznaz

Można by przypuszczać, iżizwiązane są ze sobą jeszcze jednym równaniem algebraicznym,

któreniejest spełnione przy zamianieiRównanie to nie jest jednak istotne, gdyż nie ma ono współczynników wymiernych; w szczególności liczbajestniewymierna.

Podobnie ma się rzecz z dowolnym wielomianem kwadratowymgdysą liczbami wymiernymi.

  • Jeżeli wielomian ma tylko jeden pierwiastek, np.to grupa Galois jesttrywialna,tzn. zawiera wyłącznie permutację tożsamościową.
  • Jeżeli ma on dwa różnewymiernepierwiastki, przykładowoto grupa Galois znowu jest trywialna.
  • Jeżeli ma ona dwaniewymiernepierwiastki (także, gdy są onezespolone), to grupa Galois zawiera dwie permutacje, jak w powyższym przykładzie.

Przykład: równanie dwukwadratowe

[edytuj|edytuj kod]

Zadaniem jest opisanie grupy Galois, znowu nad ciałemliczb wymiernych,wielomianu

który może być zapisany jako

Ma on cztery pierwiastki:

Istnieją 24 sposoby ich uporządkowania, jednak nie wszystkie z tych permutacji należą do grupy Galois. Elementy grupy Galois muszą zachowywać dowolne równanie algebraiczne o współczynnikach wymiernych zawierająceJednym z nich jest

Jednakże ponieważ

to permutacja

nie jest dozwolona: przekształca ona poprawne równaniew nieprawidłowe równanie

Innym równaniem, które spełniają pierwiastki jest

Wyklucza ona kolejne permutacje, takie jak np.

Kontynuując w ten sposób okazuje się, że jedynymi permutacjami (spełniającymi jednocześnie oba równania) są

w ten sposób grupa Galois jest izomorficzna zczwórkową grupą Kleina.

Podejście współczesne

[edytuj|edytuj kod]
Osobny artykuł:grupa Galois.

We współczesnym podejściu wychodzi się odrozszerzenia ciała(czytaj:LprzezK) i bada grupęautomorfizmówciałasą to odwzorowania postacigdziedla wszystkichnależących doObserwującpunkty stałewspomnianych automorfizmów bada się w istocie najmniejsze rozszerzenie ciała, w którym dany wielomian rozkłada się na czynniki liniowe (tzn. ma wszystkiepierwiastki).

Związek między tymi dwoma podejściami jest jak następuje. Współczynniki badanego wielomianu powinny być wybrane z ciała bazowegoCiało nakrywającepowinno być ciałem uzyskanym poprzez dołączenie pierwiastków badanego wielomianu do ciała bazowego. Każda permutacja pierwiastków spełniających równania algebraiczne, jak to opisano wyżej, odpowiada pewnemu automorfizmowi(i na odwrót).

W pierwszym z powyższych przykładów badano rozszerzeniegdziejest ciałemliczb wymiernych,zaśjest ciałem uzyskanym zpoprzez dołączenieW drugim przypadku badano rozszerzenie

Istnieje kilka istotnych powodów, dla których dziś preferuje się raczej podejście współczesne, a nie klasyczne podejście opisane wyżej:

  • Wyrażeniepodstawowego twierdzenia teorii Galoisjest istotnie prostsze.
  • W wielu działach matematyki wykorzystanie ciała bazowego innego niżjest kluczowe. Przykładowo walgebraicznej teorii liczbteorię Galois wykorzystuje się często stosując jako ciała bazoweciała liczbowe,ciała skończone,czyciała lokalne.
  • Badanie rozszerzeń nieskończonych jest znacząco prostsze, co znowu jest sprawą kluczowej wagi w algebraicznej teorii liczb, gdzie na przykład rozważa się częstoabsolutną grupę Galoisciałaokreśloną jako grupę Galoisgdziejestdomknięciem algebraicznym
  • Umożliwia rozważanierozszerzeń nierozdzielczych.Problem ten nie powstaje w ramach teorii klasycznej, ponieważ zawsze cicho zakłada się, iż arytmetyka ma miejsce w cielecharakterystykizero. Mimo wszystko w teorii liczb igeometrii algebraicznejspotyka się często ciała niebędące charakterystyki zero.
  • Usuwa raczej sztuczne poleganie na poszukiwaniu pierwiastków wielomianu: różne wielomiany mogą dawać te same rozszerzenia ciał, zaś podejście współczesne dostrzega związek między tymi wielomianami.

Grupy rozwiązalne i rozwiązania pierwiastnikowe

[edytuj|edytuj kod]

Abel zauważył, że ciałopowstaje z ciałaprzez dołączenie pewnej liczby pierwiastków różnych stopni z elementów ciałagdy grupa Galois rozszerzeniajest przemienna – stąd też pochodzi inna nazwa tych grup:grupa abelowa.Oznacza to, że pierwiastki wielomianu dają się wyrazić przez elementy ciałaprzy pomocypierwiastników,tzn. czterech działań ciała i pierwiastków elementów z ciała.

Pojęciegrupy rozwiązalnejzteorii grupumożliwia określenie, czy dany wielomian jest rozwiązalny za pomocą pierwiastników w zależności od tego, czy jego grupa Galois ma własność rozwiązalności (twierdzenie Galois). Dokładniej, każde rozszerzenie ciałaodpowiadagrupie ilorazowejwciągu kompozycyjnymgrupy Galois. Jeżeli grupa ilorazowa ciągu kompozycyjnego jestcyklicznarzędua odpowiadające jej rozszerzenie ciała zawierapierwiastek pierwotny z jedynki,to jest to rozszerzenie pierwiastnikowe i elementymogą być wówczas wyrażone za pomocąpierwiastka-tego stopnia pewnego elementu z

Jeżeli wszystkie grupy ilorazowe ciągu kompozycyjnego są cykliczne, to grupę Galois nazywa sięrozwiązalnąi wszystkie elementy odpowiadającego ciała dają się wyrazić za pomocą wyciągania pierwiastków, brania iloczynów i sum elementów ciała bazowego, którym zwykle jest

Jednym z donioślejszych triumfów teorii Galois był dowód, że dla każdegoistnieją wielomiany stopniaktóre nie są rozwiązalne przy pomocy pierwiastników – tzw.twierdzenie Abela-Ruffiniego.Jest to spowodowane faktem, iż dla każdegogrupa symetrycznazawieraprostą,niecyklicznąpodgrupę normalną(podgrupę alternującą).

Przykład: nierozwiązywalne równanie piątego stopnia

[edytuj|edytuj kod]

Van der Waerdencytuje wielomianNa mocytwierdzenia o pierwiastkach wymiernychnie ma on wymiernych miejsc zerowych. Podobnie nie ma on czynników liniowychmodulolub

Wielomianrozkłada się namoduloco oznacza, że jej grupą Galois modulojest grupa cykliczna rzędu

Ponieważnie ma czynnika kwadratowego moduloto jej grupa Galois moduloma rząd

Wiadomo[6],że grupa Galois moduloliczba pierwszajest izomorficzna zpodgrupągrupy Galois nad liczbami wymiernymi. Grupa permutacji pięciu obiektów o operacjach rzędów szóstego i piątego musi być grupą symetrycznąktóra to musi być grupą GaloisJest to jeden z prostszych przykładów nierozwiązywalnego wielomianu piątego stopnia.Serge Langtwierdził, że Artin szczególnie lubił ten przykład.

Zastosowania w konstrukcjach klasycznych

[edytuj|edytuj kod]
Osobny artykuł:konstrukcje klasyczne.

Teoria Galois podaje rozwiązania zadań konstrukcyjnych wykonywanych za pomocącyrkla i linijki;w tym przedstawia ona elegancką charakteryzację stosunków długości, które mogą być skonstruowane tą metodą, dzięki czemu względnie łatwo[a]odpowiedzieć na takie klasyczne problemy geometrii jak:

Odwrotne zagadnienie Galois

[edytuj|edytuj kod]

Wszystkie grupy skończone mogą wystąpić jako grupy Galois. Można podać konstrukcje rozszerzenia ciała z daną grupą skończoną jako grupą Galois rozszerzenia, o ile nie wskaże się uprzednio ciała wyjściowego.

Należy więc wskazać ciałooraz grupę skończonąTwierdzenie Cayleyamówi, żejest (z dokładnością do izomorfizmu) podgrupągrupy symetrycznejelementówWybrawszy niewiadomepo jednej dla każdego elementugrupydołącza się je do ciałaaby uzyskać ciałoCiałozawiera ciałosymetrycznychfunkcji wymiernychzmiennychGrupą Galois rozszerzeniajestco wynika z podstawowego wyniku Emila Artina. Grupadziała napoprzez zawężenie działania grupyJeżelijest ciałem stałym tego działania, to zpodstawowego twierdzenia teorii Galoiswynika, żejest grupą Galois

Otwartym problemem jest dowiedzenie istnienia rozszerzenia ciała liczb wymiernychdla danej grupy skończonej jako jego grupy Galois. Hilbert brał udział w rozwiązywaniu problemu dla wszystkich grup symetrycznych i alternujących.Igor Shafarevichdowiódł, że każda rozwiązalna grupa skończona jest grupą Galois pewnego rozszerzeniaRozwiązano odwrotny problem Galois dla wybranych nieabelowychgrup prostych.Wykazano istnienie rozwiązań dla wszystkich poza co najwyżej jedną (grupą MathieuM23) z 26 sporadycznych grup prostych. Istnieje nawet wielomian o współczynnikach całkowitych, którego grupą Galois jestgrupa Monster.

  1. Odpowiednie rozszerzenie ciała, zwykle liczb wymiernych, powstaje przez dołączenie do niego współrzędnych konstruowanych punktów; konstrukcja jest wykonalna, gdy grupa Galois jest 2-grupą.
  2. W szczególności umożliwiło to na przejrzyste uzasadnienie obserwacjiCarla Friedricha Gaussa,żewielokąt foremnyobokach można zbudować za pomocą cyrkla i liniału, gdy w rozkładzienaczynniki pierwszewystępują tylko:(w dowolnejpotędze) i różneliczby pierwsze Fermata(w pierwszej potędze).

Przypisy

[edytuj|edytuj kod]
  1. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytaćGalois theory(ang.),Encyclopedia of Mathematics, encyclope điểu fmath.org, [dostęp 2023-02-15].
  2. Galois teoria,[w:]Encyklopedia PWN[online], Wydawnictwo Naukowe PWN[dostęp 2023-02-15].
  3. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytaćWstęp do algebraicznej i różniczkowej teorii Galois – opis przedmiotu,webapps.uz.zgora.pl [dostęp 2023-02-15].
  4. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytaćRóżniczkowa teoria Galois,usosweb.uj.edu.pl [dostęp 2023-02-15].
  5. Funkhouser 1930 ↓,s. 357–365.
  6. V.V. Praslov, Polynomials. (2004), twierdzenie 5.4.5(a).

Bibliografia

[edytuj|edytuj kod]
  • H. Gray Funkhouser.A short account of the history of symmetric functions of roots of equations.„American Mathematical Monthly”. 37 (7), 1930.DOI:10.2307/2299273.

Literatura dodatkowa

[edytuj|edytuj kod]
Polskojęzyczna
  • Stanisław Balcerzyk:Wstęp do algebry homologicznej.Warszawa: PWN, 1970.
  • Andrzej Białynicki-Birula:Zarys algebry.Warszawa: PWN, 1987.
  • J. Browkin:Teoria ciał.Wyd. 1. T. 49. Warszawa: PWN, 1977, seria:Biblioteka Matematyczna.
  • Serge Lang:Algebra.Warszawa: PWN, 1973.
  • Witold Więsław:Grupy, pierścienie, ciała.Wydawnictwa Uniwersytetu Wrocławskiego, 1983.
Anglojęzyczna

Linki zewnętrzne

[edytuj|edytuj kod]
Polskojęzyczne
Obcojęzyczne

Samouczki on-line dotyczące teorii Galois można znaleźć na:

Podręczniki online w językach francuskim, niemieckim, włoskim i angielskim znajdują się na: