所有的一元代数方程都有求解公式吗?像 2x - 6 = 0、x2 - 3x + 2 = 0、x3 - 5x - 12 = 0 等方程都被称为一元代数方程。根據最高次項的數量,它们又分别被称为一元一次方程、一元二次方程、一元三次方程等等。对于一元一次方程,解法非常简单。而对于一元二次代数方程的求解方法,许多古代文明也都在探索中得到了正确的结果。事实上,对于一般的一元二次方程 ax2 + bx + c = 0(a ≠ 0),我们有求解公式:公式中,通过方程的系数加减乘除和根式运算表示了方程的解,因此由这样的公式给出的解称为方程的根式解。
12世纪时,欧洲数学家掌握了二次方程的求解方法。之后,他们开始探索一元三次方程的根式解问题。几个世纪过去了,许多人的努力都以失败告终。1494年,有数学家甚至做出悲观预言:求解三次方程,就像化圆为方问题一样,是根本不可能的。然而在1500年前后,意大利数学家费罗(Ferrari)首次取得成功,他得到了缺项一元三次方程 x3 + mx = n 的求解公式。但他没有发表自己的成果,直到临终前,才将自己的解法传给了学生菲奥尔(Fior)等人。不久,另一位意大利数学家塔尔塔利亚(Tartaglia)声称获得了三次方程的求解方法。1535年,一场公开较量在菲奥尔和塔尔塔利亚之间展开。两人约定在米兰进行公开比赛,每人出30道三次方程问题,谁解出的题目多谁就获胜。最初,塔尔塔利亚只掌握了没有一次项的 x3 + mx2 等一元三次方程的求解,为了在比赛中获胜,他经过多日的苦思冥想,在比赛前夕终于找到了多种类型一元三次方程的解法。比赛结果显示,塔尔塔利亚取得了辉煌的胜利。
比赛结束后不久,另一位数学家卡尔达诺(Cardano)听说了这件事。此后,他多次向塔尔塔利亚请教三次方程的解法,最终在立下永不泄密的誓言后,塔尔塔利亚向卡尔达诺公开了自己的秘密。此后,卡尔达诺经过钻研,终于对各种类型的三次方程都得到了解法及证明。1545年,卡尔达诺出版了他的最重要的数学著作《大术》,将自己的发现公之于世,同时此书中还包括了他的学生费拉里(Ferrari)的一项重要发现:一元四次方程的一般解法。卡尔达诺的失信激怒了塔尔塔利亚,一场争吵不可避免地发生了。1548年8月10日在米兰举行的公开辩论使这场冲突达到了白热化。在这次与费拉里公开但不公正的较量中,塔尔塔利亚失败了。直到现在,三次方程的求解公式仍被称为卡尔达诺公式。
然而,数学永不停步。一个问题的解决往往意味着新问题的诞生。在《大术》之后,人们立即投入到下一场较量中,即如何找到五次方程的根式公式。没有人怀疑,只要有足够的天才,一元五次方程也是可以解决的。但一个世纪过去了,又一个世纪过去了,没有人取得成功。
1823年底,真正的突破出现了。年仅21岁的挪威数学家阿贝尔(Abel)证明了一般的一元五次代数方程没有根式解。这正是之前两个多世纪里人们对这个“圣杯”的寻求无功而返的原因。阿贝尔你複製了自己的研究成果几份。為了節省印刷費用,他浓缩了自己的核心思想,仅用了 6 页纸。但过于简化的证明使他的论文变得晦涩难懂,因此当时未能给数学界留下深刻印象。阿贝尔一生饱受贫困和疾病的折磨,1829 年 4 月 6 日,年仅 27 岁的他因病去世。
阿贝尔去世后不久,他的证明开始被人们接受,但仍有新的难题有待解决。哪些方程可以用根式求解,哪些不能,有没有一个合适的判别方法?阿贝尔过早离世,未能解决这个问题,所以它被留给了伽罗瓦——这位在整个数学史上最具传奇色彩和悲剧性的数学家。
17 岁时,伽罗瓦在这方面的研究已经取得进展,随后他在几年时间里陆续提交了多篇研究论文。然而,他的论文或被退回,或被遗失,或不被理解,一直未能得到数学界的认可。越来越沮丧的伽罗瓦随后遭遇了一连串不幸的个人事件。在沉重的打击下,他的热情转向了政治,为此两次入狱。1832 年,他卷入了一场无谓的决斗。决斗前一晚,他通宵工作,简要阐述了自己的研究成果。1832 年 5 月 30 日,伽罗瓦在决斗中不幸倒下,次日去世,年仅 21 岁。10 多年后,他的论文重新被编辑出版,人们认可了他的天才思想。
伽罗瓦思想之美在于,他不仅证明了一般的一元五次(及更高次)代数方程无法用根式求解,还解释了为什么一般的一元二次、三次和四次方程可以求解。他的研究同时给出了代数方程是否有根式解的明确判别标准,从而为历经 300 年的代数方程根式可解性难题画上了圆满的句号。伽罗瓦工作的划时代意义更体现在,在解决这一问题的过程中,他引入了群论的思想,开创了数学研究的新局面。

