3.4 Теория Галуа

Как было сказано выше, Абель не смог дать общий критерий разрешимости уравнений с числовыми коэффициентами в радикалах. Но решение и этого вопроса не заставило себя долго ждать. Оно принадлежит Эваристу Галуа (1811 - 1832), французскому математику, скончавшемуся, как и Абель, в очень молодом возрасте. Его жизнь, короткая, но наполненная активной политической борьбой, страстный интерес к математическим занятиям представляют яркий пример того, как в деятельности одаренного человека накопленные предпосылки науки претворяются в качественно новый этап ее развития.

Галуа успел написать мало работ. В русском издании его работы, рукописи и черновые записи заняли лишь 120 страниц в книге маленького формата. Но значение этих работ огромно. Поэтому рассмотрим его замыслы и результаты подробнее.

Среди нескольких заметок и статей, опубликованных еще при жизни Галуа, наиболее замечательна статья «Из теории чисел» (Sur la theorie ¦desnombres.- Bull. sci. math., 1830). В этой статье Галуа рассматривал полиномиальные сравнения вида

Галуа обращает в своей работе внимание на случай, когда сравнение не имеет целых корней. Он пишет, что «тогда корни этого сравнения нужно рассматривать как род воображаемых символов, так как они не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к целым числам; роль этих символов в исчислении будет часто столь же полезной, как роль воображаемого в обычном анализе». Далее он рассматривает по сути дела конструкцию присоединения к полю корня неприводимого уравнения (явно выделяя требование неприводимости) и доказывает ряд теорем о конечных полях. См [Колмогоров]

Вообще, основная проблема, рассмотренная Галуа ,- это проблема разрешимости в радикалах общих алгебраических уравнений, причем не только в случае уравнений 5-й степени, рассмотренном Абелем. Главной целью Галуа всех исследований Галуа в этой области было найти критерий разрешимости для всех алгебраических уравнений.

В связи с этим, рассмотрим более подробно содержание основной работы Галуа «Мемуар об условиях разрешимости уравнений в радикалах» (Memoiresur les conditions de resolubilite des equations par radicaux.- J. math, pures et appl., 1846).

Рассмотрим вслед за Галуа уравнение : см [Рыбников]

Для него определим область рациональности - совокупность рациональных функций от коэффициентов уравнения:

Область рациональности R является полем, т. е. совокупностью элементов, замкнутой по отношению к четырем действиям. Если - рациональны, то R - поле рациональных чисел; если же коэффициенты - произвольные величины, то R есть поле элементов вида:

Здесь числитель и знаменатель - многочлены. Область рациональности можно расширить, присоединяя к ней элементы, например корни уравнения. Если к этой области присоединить все корни уравнения, то вопрос о разрешимости уравнения делается тривиальным. Задача разрешимости уравнения в радикалах может ставиться только по отношению к определенной области рациональности. Он указывает, что можно изменять область рациональности, присоединяя как известные новые количества.

При этом Галуа пишет: «Мы увидим, сверх того, что свойства и трудности уравнения могут быть сделаны совершенно разными сообразно количествам, которые к нему присоединены».

Галуа доказал, что для всякого уравнения ,можно в той же области рациональности найти некоторое уравнение , называемое нормальным. Корни данного уравнения и соответствующего нормального уравнения выражаются друг через друга рационально.

После доказательства этого утверждения следует любопытное замечание Галуа: «Замечательно, что из этого предложения можно заключить, что всякое уравнение зависит от такого вспомогательного уравнения, что все корни этого нового уравнения являются рациональными функциями друг друга»

Анализ замечания Галуа дает нам следующее определение для нормального уравнения:

Нормальное уравнение - это уравнение, обладающее тем свойством, что все его корни рационально выражаются через один из них и элементы поля коэффициентов.

Примером нормального уравнения будет уравнение: Его корни

Нормальным также будет являться, например, квадратное уравнение.

Стоит ,однако, отметить, что Галуа не останавливается на специальном изучении нормальных уравнений, он отмечает только, что такое уравнение «легче решить, чем какое-нибудь другое». Галуа переходит к рассмотрению подстановок корней.

Он говорит что, все подстановки корней нормального уравнения образуют группу G. Это и есть группа Галуа уравнения Q , или, что то же самое, уравнения Она обладает, как выяснил Галуа, замечательным свойством: любое рациональное соотношение между корнями и элементами поля R инвариантно относительно подстановок группы G. Таким образом, Галуа связал с каждым уравнением группу подстановок его корней. Он же ввел (1830) термин «группа» - адекватное современному, хотя и не столь формализованное определение.

Структура группы Галуа оказалась связанной с задачей разрешимости уравнений в радикалах. Чтобы разрешимость имела место, необходимо и достаточно, чтобы соответствующая группа Галуа была разрешима. Это значит, что в данной группе существует цепочка нормальных делителей с простыми индексами .

Напомним, кстати, что нормальные делители, или, что то же самое, инвариантные подгруппы - это такие подгруппы группы G, для которых справедливо

где g - элемент группы G.

Общие алгебраические уравнения при , вообще говоря, такой цепочки не имеют, так как группы подстановок имеют только один нормальный делитель индекса 2 - подгруппу всех четных подстановок. Поэтому эти уравнения в радикалах, вообще говоря, неразрешимы.( И мы видим связь результата Галуа и результата Абеля.)

Галуа сформулировал следующую фундаментальную теорему :

Для любого наперед заданного уравнения и любой области рациональности существует группа перестановок корней этого уравнения, обладающая тем свойством, что любая рациональная функция - т.е. функция, построенная с помощью рациональных операций из этих корней и элементов области рациональности, - которая при перестановках этой группы сохраняет свои числовые значения, имеет рациональные (принадлежащие области рациональности) значения, и обратно: всякая функция принимающая рациональные значения, при перестановках данной группы сохраняет эти значения.

Рассмотрим теперь частный пример, которым занимался еще сам Галуа. Речь идет о том, чтобы найти условия, при которых неприводимое уравнение степени , где простое, разрешимо при помощи двучленных уравнений. Галуа обнаруживает, что условия эти заключаются в возможности так упорядочить корни уравнения, чтобы упомянутая "группа" перестановок задавалась формулами

где может быть равно любому из чисел , а b равняется . Такая группа содержит самое большее p(p - 1) перестановок. В случае когда 𝑎=1 имеется лишь p перестановок, говорят о циклической группе; в общем случае группы называются метациклическими. Таким образом, необходимым и достаточным условием разрешимости неприводимого уравнения простой степени в радикалах является требование, чтобы его группа была метациклической - в частном случае, циклической группой.

Теперь уже можно обозначить пределы, поставленные сфере действия теории Галуа. Она дает нам некий общий критерий разрешимости уравнений с использованием резольвент, а также указывает путь к их разысканию. Но тут сразу же встает целый ряд дальнейших проблем: найти все уравнения имеющие при данной области рациональности определенную, наперед заданную группу перестановок; исследовать вопрос о том, сводимы ли друг к другу два уравнения такого рода, и если да, то какими средствами и т.д. Все это вместе составляет огромную совокупность проблем, не решенных еще и сегодня. Теория Галуа указывает нам на них, не давая, однако, никаких средств для их решения.

Аппарат, введенный Галуа для установления разрешимости алгебраических уравнений в радикалах, имел значение, выходящее за рамки указанной задачи. Его идея изучения структуры алгебраических полей и сопоставления с ними структуры групп конечного числа подстановок была плодотворной основой современной алгебры. Однако она не сразу получила признание.

Перед роковой дуэлью, оборвавшей его жизнь, Галуа в течение одной ночи сформулировал свои важнейшие открытия и переслал их другу О. Шевалье для публикации в случае трагического исхода. Приведем знаменитое место из письма к О. Шевалье: «Ты публично попросишь Якоби или Гаусса дать их заключение не о справедливости, но о важности этих теорем. После этого будут, я надеюсь, люди, которые найдут свою выгоду в расшифровке всей этой путаницы». При этом Галуа имеет в виду не только теорию уравнений, в этом же письме им сформулированы глубокие результаты из теории абелевых и модулярных функций.

Это письмо было опубликовано вскоре после смерти Галуа, однако идеи, содержащиеся в нем, не нашли отклика. Только через 14 лет, в 1846 г., Лиувилль разобрал и опубликовал все математические работы Галуа. В середине XIX в. в двухтомной монографии Серре, а также в работе Э. Бетти A852), впервые появились связные изложения теории Галуа. И только с 70-х годов прошлого века идеи Галуа начали получать дальнейшее развитие.

Понятие группы в теории Галуа становится мощным и гибким средством. Коши, например, тоже изучал подстановки, но он и не думал приписывать понятию группы подобную роль. Для Коши, даже в поздних его работах 1844-1846 гг. «система сопряженных подстановок» была неразложимым понятием, весьма жестким; он пользовался ее свойствами, но никогда не выявлял понятия подгруппы и нормальной подгруппы. Эта идея относительности, собственное изобретение Галуа, позднее проникла во все математические и физические теории, ведущие свое происхождение от теории групп. Эту идею в действии мы видим, например, в «Эрлангенской программе».(о ней будет рассказано позднее)

Значение работ Галуа состоит в том, что в них в полной мере были раскрыты новые глубинные математические закономерности теории уравнений. После освоения открытий Галуа вид и цели самой алгебры существенно изменились, исчезла теория уравнений - появилась теория полей, теория групп, теория Галуа. Ранняя смерть Галуа была невозместимой утратой для науки. На заполнение пробелов, понимание и улучшение работ Галуа понадобилось еще несколько десятков лет. Усилиями Кэли, Серре, Жордана и других открытия Галуа были превращены в теорию Галуа. В 1870 г. монографии Жордана «Трактат о подстановках и алгебраических уравнениях» представило эту теорию в систематическом изложении, понятном для всех. С этого момента теория Галуа стала элементом математического образования и фундаментом для новых математических исследований.