对称与怪兽（二）：决斗前夜——伽罗瓦与解不开的方程

做学问，重要的是带一点衣衫褴褛、赤脚野孩子般的不恭——来这里不是为了膜拜已知，而是为了质疑它。 —— 雅各布·布罗诺夫斯基（Jacob Bronowski），《人的攀升》（

The Ascent of Man

）

上一集讨论的是如何数清对称：把一个二十面体绕轴转一下、转完跟没转一样，这样的动作一共 60 个，它们拼成一个群——一颗再也拆不开的“对称的原子”，记作 $A_5$。它简单、坚硬、不可分解，像化学元素表里的一格。

这一集，同一颗原子将以完全不同的形式再次出现。这一次，它不再出现在立体几何中，而是出现在一道困扰数学家近三百年的方程问题里，也出现在一位二十岁便死于决斗的天才身上。

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目录

• 引子：1832 年 5 月 30 日的前夜
• §1 解方程史：根式解的阶梯
• §2 伽罗瓦的转向：不去解根，去看根的“对称”
• §3 这又是一个群
• 群论小课：把一个群整个拆开看
• §4 黄金分割小例题：亲手算出一个伽罗瓦群
• §5 根一定存在，但写不出
• §6 五次方程的关键：那个拆不动的 A₅
• 术语速查卡：把刚学的“群论词”收进口袋
• 尾声

引子：1832 年 5 月 30 日的前夜

1832 年 5 月 30 日清晨，二十岁的埃瓦里斯特·伽罗瓦倒在巴黎郊外的一片空地上。一场起因至今不明、据信牵涉一位女子的决斗，让他中了枪、被同伴抛下，由一个路过的农人发现，第二天死在 Cochin 医院。

真正让后人扼腕的，是前一夜。流传最广的说法——他在那一夜把毕生的数学一口气写了下来——其实被夸大了：他的核心思想早已成型。那一夜他真正做的，是抢着把已经写好的手稿誊清、补注，并给挚友奥古斯特·谢瓦利埃（Auguste Chevalier）写下一封长信，托他把这些遗稿交出去。手稿的页边，留着一行后来被无数次引用的批注：

这个证明还有地方要补完。

我没有时间了。

（Il y a quelque chose à compléter dans cette démonstration. Je n’ai pas le temps.）

那叠手稿，今天静静躺在巴黎的法兰西研究院图书馆里。它要回答的，是一个已经卡了人类近三百年的问题——而伽罗瓦给出的答案，彻底改写了“解方程”这件事的含义。

图 1　埃瓦里斯特·伽罗瓦（1811–1832），其弟凭记忆所绘的少年时期肖像。他二十岁死于决斗，留下的遗稿要到 1846 年才被刘维尔整理发表，从此改写了代数。（公共领域）

图 2　伽罗瓦决斗前夜的遗稿——页边一再写着「Je n’ai pas le temps」（我没有时间了）。

§1 解方程史：根式解的阶梯

先明确这一集的核心问题。所谓根式解（radical solution），是只用方程的系数、四则运算 $+-\times\div$、以及开方（$\sqrt{\ },\sqrt[3]{\ },\dots$），把根写成一个闭式公式。能不能写出这样一把“万能钥匙”，就是贯穿全集的那条线。

二次，人人会背。

一个平方根就够了——巴比伦人四千年前就有它的几何版本。

图 3　巴比伦泥板 Plimpton 322（约公元前 1800 年）：人类解二次方程的历史，比代数符号本身还要古老。

三次，则把人类卡了上千年。 任何三次方程平移一下都能压成 $x^3+px+q=0$。卡尔达诺（Cardano）在 1545 年的《大术》里给出的公式是这样的形式：

根号开始层层嵌套——平方根钻进立方根里。这条公式并非凭空出现，背后是一个极漂亮的“降次”技巧，可以分四步理解：

1. 换元：设 $x=u+v$，把一个未知数拆成两个。代入并整理，得到 $x^3-3uv\,x-(u^3+v^3)=0$。
2. 对照系数：要它和 $x^3+px+q=0$ 一致，只需 $3uv=-p$（即 $u^3v^3=-\tfrac{p^3}{27}$）和 $u^3+v^3=-q$。
3. 降次：现在 $u^3$ 与 $v^3$ 是两个“和已知、积已知”的数——而由和与积反求两数，正是二次方程干的活。一个二次方程，就把 $u^3,v^3$ 解了出来。
4. 开立方收尾：各开一次立方根，相加 $x=u+v$，就是上面那条公式。

概括地说：解三次的魔法，就是用 $x=u+v$ 这一步，把一个三次问题，降成“一个二次问题加一次开立方”。这正是后面 §3、§6 要反复说的“层层拆开”——在历史上第一次具体显形。能拆，所以有公式。

具体算一次，问题才真正显现。 仅有公式还不够。以 $x^3-15x-4=0$ 为例代入计算（这里 $p=-15,\ q=-4$）。先算判别式中的部分：

是个负数。于是公式要求计算 $\sqrt{-121}=11\mathrm{i}$——一个虚数由此出现：

接下来是 1572 年邦贝利（Bombelli）提出了关键一步。他大胆假设 $\sqrt[3]{2+11\mathrm{i}}$ 还是个 $a+b\mathrm{i}$ 的数，凑出 $a=2,\ b=1$，验证如下：

同理另一个立方根是 $2-\mathrm{i}$。两个一加：

虚部 $+\mathrm{i}$ 和 $-\mathrm{i}$ 相互抵消，得到一个实根 $x=4$（代回 $4^3-60-4=0$，对）。而这方程的另外两个根 $-2\pm\sqrt3$ 也都是实数——虽然三个根全是实数，卡尔达诺公式却必须经过虚数 $\mathrm{i}$，才能把它们算出来。

这就是所谓 casus irreducibilis（不可约情形）：复数不是为了对付 $x^2+1=0$ 这种“明摆着没有实根”的方程才被请来的——它是在求实根的半路上中出现、随后又被抵消的过客。如果拒绝承认 $\sqrt{-1}$，那么连 $x=4$ 这样的实根也无法通过这一路径得到。复数的必要性，在这里第一次变得清楚。

图 4　邦贝利《代数》（L’Algebra，1572）——他第一个认真对待”负数的平方根”，让虚数在三次求根公式里合法地出现、又彼此抵消。

而这条公式的归属，牵涉一段复杂的学术公案。 最早攻破三次方程的人没留下名声。博洛尼亚大学的西皮奥内·德尔·费罗（del Ferro, 1465–1526）算出了一类三次方程的解法，却没有公开发表——在那个年代，独门解法是公开数学竞赛上的武器，保密有时比发表更有现实利益。他死后，解法藏进笔记，传给了女婿。

几乎同时，绰号“口吃者”的塔尔塔利亚（Tartaglia, 约 1500–1557）独立解出了三次方程，并在 1535 年的公开竞赛里大获全胜。名医兼数学家卡尔达诺登门求教，塔尔塔利亚用一首隐晦的诗把方法透露给他，条件是起誓保密。卡尔达诺守了几年誓，直到 1543 年带着学生费拉里（Ferrari）跑到博洛尼亚，亲眼查了德尔·费罗的遗稿——原来这位早在二十年前就解出了同样的东西。他由此认定：首功本属德尔·费罗，自己对塔尔塔利亚的誓言不再算数。于是 1545 年，《大术》问世，把解法公之于世，功劳同时记给德尔·费罗与塔尔塔利亚。

图 5　卡尔达诺（Gerolamo Cardano，1501–1576）。

图 6　塔尔塔利亚（Niccolò Tartaglia，约 1500–1557）——三次求根公式的归属，是 §1 里的一段公案。

图 7　卡尔达诺《大术》（Ars Magna），1545 年纽伦堡首版扉页，中央是卡尔达诺的肖像章。这是三次方程解法——以及人类与复数第一次正面相遇——被印成铅字的地方。（公共领域）

四次方程的突破很快随之而来。 这段历史中还有费拉里：他把四次方程化归到一个三次的“预解式”，解掉它，再开两个平方根收尾。完整公式极为冗长，基本结构并未改变——还是系数的有理运算，加上层层套起来的根号。（1548 年米兰，费拉里在一场公开竞赛里击败塔尔塔利亚，这桩公案才算落幕。）

每升一级，根号套得更深、式子更繁琐，可本质始终是同一种东西：根式。于是一个再自然不过的期待是——五次也该有它的公式，只是更长。

但是到了五次却卡住了。 从 1545 年起，近三百年，没有人写得出五次方程的根式公式。问题由此变得尖锐：是技巧不够、还没找到？还是这公式，根本就不存在？

要回答这个问题，必须以一种新的方式理解方程。而那个人，就是伽罗瓦。

图 8　根式解的“阶梯”：二次只需开一次平方，三次在平方上再套立方根，四次更深一层——每升一级，根式就多嵌套一层。可到了第五级，这座阶梯断了：一般五次方程没有根式公式（1545 → 1832）。

§2 伽罗瓦的转向：不去解根，去看根的“对称”

对泰勒斯而言，首要的问题不是“我们知道什么”，而是“我们如何知道”。 —— 亚里士多德

两百多年里，所有人都在做同一件事：把根解出来，写成公式。二十岁出头的伽罗瓦提出了一个此前很少被正面提出的问题——他不解根，而是退后一步，盯住这些根彼此之间的关系。

设一个方程有 $n$ 个根。伽罗瓦的问题是：能不能把它们重新编号、互相对调，而方程所知道的一切——它的系数、它们满足的每一条有理关系——都察觉不到这次对调？能这样瞒天过海的对调，就是这组根的一个对称。

这个想法抽象，但可以从最小的例子入手。

一对分不开的根。 $x^2-2=0$ 的两根是 $\sqrt2$ 与 $-\sqrt2$。在有理数的世界里，它们是一对在有理数范围内不可区分的对象：不存在任何一条有理系数的等式，只对其中一个成立。理由很直接——$\sqrt2$ 的最简方程就是 $x^2-2=0$，任何以 $\sqrt2$ 为根的有理系数多项式都被 $x^2-2$ 整除，于是也必然以 $-\sqrt2$ 为根。把这两个根全程对调，有理数永远无法区分它们的不同——它们构成一组货真价实的对称。

所谓”分不开”，并不是说 $\sqrt2$ 和 $-\sqrt2$ 在数值上相同——它们当然一个为正、一个为负。这里的意思是：如果我们只站在有理数的代数世界里、只允许使用有理系数的多项式关系，那么这两个根无法被分别识别。任何以 $\sqrt2$ 为根的有理系数多项式，也必然以 $-\sqrt2$ 为根；因此把 $\sqrt2$ 与 $-\sqrt2$ 对调，并不会破坏任何有理代数关系。正是在这个意义上，它们是一对”分不开”的根。

一对分得开的根。 换成 $x^2-4=0$，两根 $+2$ 与 $-2$ 都是有理数，于是各有其名：等式 $x=2$ 只认 $+2$。若试图对调，差异立刻显现。这对根没有非平凡的对称——方程早把它们分得清清楚楚。

同样形状的方程，根却一个“分不开”、一个“分得开”。差别不在公式难写，而在根的对称结构：无法被有理关系区分的根，对称较丰富；已经各自可由有理关系识别的根，对称则很少。伽罗瓦的洞见正是这一句——方程难不难、写不写得出公式，根子在它“根的对称”有多复杂，而不在求根技巧本身。他把“解方程”这道两千年的老题，翻译成了一道全新的题：研究根的对称。

这些瞒天过海的对调凑在一起，会显出惊人的结构。下一节将为这种结构给出正式名称。

图 9　方程”察觉得到”我们对调它的两根吗？上：$x^2-2$ 的 $\sqrt2$ 与 $-\sqrt2$，有理数分不出它俩——对调它们方程毫无察觉，这是一个对称（✓）。下：$x^2-4$ 的 $+2$ 与 $-2$ 都是有理数，等式 $x=2$ 只认 $+2$——一对调立刻露馅，没有对称（✗）。（视频版会把这个对调做成动画。）

§3 这又是一个群

把 §2 里那些“保持关系的对调”收集起来，看它们彼此之间满足什么规律——与 EP1 中讨论立体对称时相同：对称就是动作，动作凑成群。

用符号把规律写清楚（$\circ$ 表示“先做右边、再做左边”的复合，$e$ 表示“什么都不做”）：

• 封闭：任意 $g,h$，都有 $g\circ h$ 仍是合法对调。两个保持关系的对调接连做，结果还是保持关系。
• 结合律：$(g\circ h)\circ k=g\circ(h\circ k)$。这是函数复合的基本性质，因此天然成立。
• 恒等元：存在 $e$，对任意 $g$ 有 $e\circ g=g\circ e=g$。就是“什么都不动”。
• 逆元：每个 $g$ 都有 $g^{-1}$，使 $g\circ g^{-1}=g^{-1}\circ g=e$。每一步都能原路撤销。

图 10　群的定义：一个集合 G 配上一个运算 ∘，满足封闭、结合律、有单位元、有逆元——就这四条。

这里的 $g,h$ 到底是什么？ 别被抽象符号唬住——$g,h$ 就是某两个具体的合法操作。拿 §2 的 $x^2-2=0$：它的合法对调只有两个，“交换 $\sqrt2\leftrightarrow-\sqrt2$“（记 $\sigma$）和”什么都不动”（$e$）。在它们身上，公理是看得见的——$\sigma\circ\sigma=e$（对调两次回原点，所以 $\sigma$ 的逆就是它自己）、$\sigma\circ e=\sigma$（接一个”不动”还是合法对调，封闭）。元素更多时也一样：拿正方体，$g=$ 绕竖轴转 $90^\circ$、$h=$ 绕同轴再转 $90^\circ$，那么 $g\circ h=$ 转 $180^\circ$（还是个旋转，封闭），$g$ 的逆就是转 $-90^\circ$。公理不是空话，是这么在具体动作上跑的——下面那堂小课会把这件事在正三角形上做到底。

这四条不是为方程量身定做的，它放之四海皆准。同一套公理，三种表现形式：

把公理在每一行上各跑一遍，“表现形式”就不再是空表：

• 整数加法 $(\mathbb{Z},+)$：$3\circ5=3+5=8$（封闭，和还是整数）；$3\circ0=3$（恒等元 $e=0$）；$3\circ(-3)=0$（逆元 $g^{-1}=-g$）。
• 正方体旋转：绕竖轴转 $90^\circ$ 再转 $90^\circ$ $=$ 转 $180^\circ$（封闭，仍是 $24$ 个旋转之一）；“不转” $=e$；转 $90^\circ$ 的逆 $=$ 转 $-90^\circ$（即 $270^\circ$）。
• $\mathbb{Z}/2$（把它想成一个开关：只有”不动”和”翻一下”两个状态）：翻一下 $\circ$ 翻一下 $=$ 不动（连翻两次回到原样，所以”翻一下”是它自己的逆，封闭也成立）；“不动” 就是单位元 $e$。

三个例子对象天差地别，可”封闭 / 恒等 / 逆”三条在每个上面都照样成立——这正是下一句要说的”抓的是结构，不是具体的东西”。

数字的加法、立体的旋转、方程根的对调——对象差异很大，但共享同一种群结构。这正是群论的威力：它抓住的是结构，不是具体的东西。

于是，由“方程根的全部合法对调”组成的那个群，就叫这个方程的伽罗瓦群（Galois group）。

一个关键点：不是任意换根都合法。 把 $n$ 个根任意重排有 $n!$ 种，但伽罗瓦群只收”保持一切有理关系”的那些——它是全体重排 $S_n$ 的一个子群，常常小得多。例如 $(x^2-2)(x^2-3)=0$ 的四个根 $\pm\sqrt2,\pm\sqrt3$，你不能把 $\sqrt2$ 换成 $\sqrt3$（$\sqrt2$ 满足 $x^2=2$、$\sqrt3$ 满足 $x^2=3$，换了就破坏有理关系）——合法置换只有 $2\times2=4$ 个，而非 $4!=24$ 个。方程的”对称”正是被有理关系约束出来的那个子群；它有多大、什么结构，就是方程难易的度量。

把定义说精确一点。 §2 那句“保持根的全部有理关系的对调”，严格写出来是这样：方程的根都住在某个数域里（下一节的 $\mathbb{Q}(\sqrt5)$ 就是一例）；在这个数域上，固定每一个有理数、且保持 $+-\times\div$ 的那些双射，叫域自同构。这些域自同构在复合下构成的群，就是方程的伽罗瓦群——它的每个元素，都把“一组根”搬成“另一组同样满足全部有理关系的根”。

伽罗瓦的革命，浓缩成一句：

一个方程能不能用根式解出来，不取决于公式技巧，而取决于它伽罗瓦群的“结构”——这个群，能不能被“层层拆开”。

但到此为止，这些都还是抽象的定义。在真正去算一个伽罗瓦群之前，我们先把“群”这套语言彻底摸熟——下面一堂小课，拿一个具体的群整个拆开，把所有基础概念一次性看清楚。准备好了，再回来算方程。

群论小课：把一个群整个拆开看

接下来这一节较长，但它是整个系列的基础。这里不预设群论背景，而是采用一种直接的方法：把一个最小的群整个搬上桌，逐项拆解，每个抽象概念都在这个例子中直接计算，而不只给出抽象定义。解剖对象就用正三角形的对称群（它后面也正是三次方程的群）。

第一步：这个群里有哪些”动作”。 桌上摆一个正三角形，三个顶点贴上标签 $1,2,3$。所谓一个”对称”，就是做完之后看上去和没做一样的操作。逐一枚举，正好 $6$ 个；下面把每个动作”把哪个顶点送到哪”写清楚：

这张表下面反复要用，记住它。

图 11　把这 6 个对称画出来。左：三条对称轴——$a$ 过顶点 $1$、$b$ 过顶点 $2$、$c$ 过顶点 $3$（每条翻转固定它穿过的那个顶点、对调另外两个）＋旋转 $r$（逆时针 $120^\circ$）。右：逐个画出每个对称”把哪个标签送到哪”（红色 ＝ 位置变了的顶点）。

第二步：两个动作如何复合。 群的运算就是”先做一个、再做一个”。计算复合的方法很简单：逐个追踪每个顶点在两个动作下的去向。例如计算“先转 $r$、再翻 $a$”，写作 $a\circ r$（约定：靠右的先做）。逐个顶点追踪：

• 顶点 $1$：先 $r$ 把它送到 $2$；再 $a$ 把 $2$ 送到 $3$。$1$ 最终落在 $3$。
• 顶点 $2$：先 $r$ 送到 $3$；再 $a$ 把 $3$ 送到 $2$。$2$ 落回 $2$。
• 顶点 $3$：先 $r$ 送到 $1$；再 $a$ 把 $1$ 留住。$3$ 落在 $1$。

结果是”$1\leftrightarrow3$、$2$ 不动”——对照上表，这正是翻转 $b$。所以

动作的顺序至关重要。 反过来算”先翻 $a$、再转 $r$”（$r\circ a$），同样追一遍： - 顶点 $1$：$a$ 留住 $1$，$r$ 再把 $1$ 送到 $2$ —— 落在 $2$。 - 顶点 $2$：$a$ 把 $2$ 送到 $3$，$r$ 把 $3$ 送到 $1$ —— 落在 $1$。 - 顶点 $3$：$a$ 把 $3$ 送到 $2$，$r$ 把 $2$ 送到 $3$ —— 落在 $3$。

结果”$1\leftrightarrow2$、$3$ 不动” $=c$。于是

先转后翻、和先翻后转，落点不一样——这就是”对称动作不能随便换顺序”，正是 EP1 里手机那个例子说的事。

再看两个旋转的复合：$r\circ r$（转两次 $120^\circ$）。顶点 $1\to2\to3$、$2\to3\to1$、$3\to1\to2$，即"$1\to3,2\to1,3\to2$"，正是 $r^2$。所以 $r\circ r=r^2$（转两个 $120^\circ$ 就是转 $240^\circ$，符合直观）。有了这个计算方法，便可以进一步分析这个群。

把全部 $6\times6=36$ 种复合一次列清楚。 既然能算任意两个动作的复合，就把它们填成一张乘法表（Cayley 表）。约定：第 $X$ 行、第 $Y$ 列填 $X\circ Y$（先做 $Y$、再做 $X$）。

这一张表把整个群的全部信息装在了一处，三件事一眼可见：(1) 每个元素在每行、每列恰好出现一次（像数独、拉丁方）——这是”群”的硬特征：每个动作可逆，所以不会有两个输入撞到同一输出；(2) 表关于主对角线不对称：$a$ 行 $r$ 列是 $b$，但 $r$ 行 $a$ 列是 $c$（$a\circ r=b\ne c=r\circ a$）——这就是”非交换”，肉眼可见；(3) 左上角 $3\times3$（$e,r,r^2$ 那块）自我封闭，结果全落在 $\{e,r,r^2\}$ 里——这正是下面要说的子群 $A_3$。后面 ②～⑦ 每一条，都能直接回到这张表上读出来。

图 12　$S_3$ 乘法表上色后：旋转 $e,r,r^2$ 用冷绿色族、翻转 $a,b,c$ 用暖色族。左上 $3\times3$ 描金边的就是子群 $A_3$（三个旋转自成一体）；$a\circ r=b$ 与 $r\circ a=c$ 两格落在不同色（红框）——表”不对称” ＝ 群”非交换”，一眼可见。

① 元素的阶——一个动作”重复几次回到原点”。 因为动作只有有限个、又个个能撤销，任一动作反复做下去，迟早回到 $e$；那个最小次数就是它的阶。现算：

• $r$：转一下、两下、三下正好 $360^\circ$ 转回原样，$r\circ r\circ r=e$ —— 阶 $3$（$r^2$ 同理阶 $3$）。
• $a$：翻一下，再翻一下就翻回去了（$a\circ a$：$a$ 把 $2,3$ 互换，再换一次就换回来，$=e$）—— 阶 $2$（$b,c$ 一样）。
• $e$：本来就不动 —— 阶 $1$。

② 子群——群里”自身也构成一个群”的小团体。 现在问：$S_3$ 的哪些子集，单独取出、只在其中运算，自己就已经是个群（含 $e$、任两个一复合还落在里面、每个的逆也在里面）？挨个试：

• $\{e,r,r^2\}$：两个旋转一复合还是旋转（刚算过 $r\circ r=r^2$；再比如 $r\circ r^2=r^3=e$，也在里面）、每个旋转的逆也是旋转（$r$ 的逆是 $r^2$，因为 $r\circ r^2=e$）——自身构成一个群，记作 $A_3$。
• $\{e,a\}$：就俩元素，$a\circ a=e$ 在里面、$a$ 的逆是它自己——也是个群；同理 $\{e,b\}$、$\{e,c\}$ 各算一个。
• 再加上最小的 $\{e\}$ 和最大的整个 $S_3$。

数下来，$S_3$ 一共 $6$ 个子群，大小分别是 $1,2,2,2,3,6$。（EP1 中已经出现过这种结构：正方体那 $24$ 个旋转，就是它全部 $48$ 个对称里”只转不翻”的那个子群。）

③ 循环群与生成元——能被”一个动作转出来”的群。 考察 $A_3=\{e,r,r^2\}$：它整个就是单凭 $r$ 这一个元素反复做”转”出来的。把 $r$ 的各次幂全列出来：

三步一循环，永远只在 $\{e,r,r^2\}$ 里打转。这种”由单个动作反复自乘、转出全部”的群叫循环群，那个动作叫生成元。$A_3$ 就是循环群，记作 $\mathbb{Z}/3$。它自己的乘法表（就是大表左上角那块）小而规整：

更小的例子也在手边：子群 $\{e,a\}$ 也是循环群——由翻转 $a$ 这一个元素生成，幂列全是 $a^0=e,\ a^1=a,\ a^2=a\circ a=e$（做两下回原点），它就是 $\mathbb{Z}/2$：

循环群是最简单的一类群，而且永远可交换（$g^i\circ g^j=g^{i+j}=g^j\circ g^i$）。§4 那个 $\{\mathrm{id},\sigma\}$、§6 里的 $A_3$、乃至时钟的 $\mathbb{Z}/12$，都是循环群。

图 13　循环群。左：$\mathbb{Z}/3$ 画成三结点的环 $e\to r\to r^2\to e$（每走一步 $\circ r$），一个生成元 $r$ 转一圈；中：$\mathbb{Z}/3$ 的全部 $9$ 个乘积（$r\circ r^2=r^3=e$ 绕回）；右：最小的循环群 $\mathbb{Z}/2=\{e,\sigma\}$。

④ 陪集与拉格朗日定理——子群为什么总能”整除”大群。 注意，上述子群的大小 $1,2,3,6$ 全是 $6$ 的因数，这并非巧合。看子群 $A_3$（$3$ 个元素），将它整体平移到另一个陪集——拿 $a$ 去乘它的每一个元素：

逐个算（全用第二步的走法）： - $a\circ e=a$； - $a\circ r=b$（第二步刚追过）； - $a\circ r^2$：顶点 $1\to(r^2)\to3\to(a)\to2$、$2\to1\to1$、$3\to2\to3$，得”$1\leftrightarrow2$、$3$ 不动” $=c$。

所以 $a\circ A_3=\{a,b,c\}$。现在整个 $S_3$ 被切成两块：$A_3=\{e,r,r^2\}$（三个旋转）和 $a\circ A_3=\{a,b,c\}$（三个翻转）。这两块叫 $A_3$ 的陪集，每块都和 $A_3$ 一样大（$3$ 个）、又不重不漏拼满整个 $S_3$（$3+3=6$）。于是大群大小 $=$ 块数 $\times$ 子群大小 $=2\times3=6$。这就是拉格朗日定理：任何子群的大小，都必定整除整个群的大小。（EP1 里 $24$ 个旋转整除 $48$ 个全对称，同一回事。）

小结。

到这里已经得到三项基本工具：

数一个动作的阶

（重复几次回原点）、

找出一个群的全部子群

、用

拉格朗日定理

判断子群能有多大。后面三步将围绕两个问题展开——⑤ 哪种子群能”整块缩掉”、⑥ 缩完之后剩下什么。

⑤ 正规子群 vs 普通子群——能不能”整块缩掉”。 子群里还存在一个关键区别，正是后面拆方程的关键。回到 $A_3$：刚才从左边乘 $a$ 得 $a\circ A_3=\{a,b,c\}$。换成从右边乘 $a$ 呢？

逐个算： - $e\circ a=a$； - $r\circ a=c$（第二步追过）； - $r^2\circ a$：顶点 $1\to(a)\to1\to(r^2)\to3$、$2\to3\to2$、$3\to2\to1$，得”$1\leftrightarrow3$、$2$ 不动” $=b$。

所以 $A_3\circ a=\{a,c,b\}=\{a,b,c\}$。左乘、右乘得到同一块！ 对 $S_3$ 里每个元素都如此——这种”左右搬都一样”的子群，叫正规子群，记 $A_3\trianglelefteq S_3$。

但并非每个子群都具有这种性质。看 $\{e,a\}$： - 左乘 $r$：$r\circ\{e,a\}=\{\,r\circ e,\ r\circ a\,\}=\{r,\ c\}$（因为 $r\circ a=c$）； - 右乘 $r$：$\{e,a\}\circ r=\{\,e\circ r,\ a\circ r\,\}=\{r,\ b\}$（因为 $a\circ r=b$）。

$\{r,c\}\ne\{r,b\}$ —— 左右不一样！（根子就是第二步那个 $r\circ a=c\ne b=a\circ r$。）所以 $\{e,a\}$ 不是正规子群。一句话：“正规”就是那种左右搬都看不出差别、因而可以一致地作为整体被压缩的子群——下一条将使用这一点。

⑥ 商群——把正规子群”当成一个新单位”。 既然 $A_3$ 正规（⑤ 那条”左右搬都一样”正是这里的通行证——只有左右一致，把它整块缩成一点才不会自相矛盾），我们干脆把它那整个集合 $\{e,r,r^2\}$ 看成一个新东西，叫”偶”；另一块 $\{a,b,c\}$ 看成”奇”。这两个新的对象也可以进行运算，而且结果良定义（不管在块里挑哪个代表都一样）：

• 偶 $\circ$ 偶 $=$ 偶：两个旋转复合还是旋转（如 $r\circ r=r^2$，仍在 $A_3$）。
• 偶 $\circ$ 奇 $=$ 奇：旋转后接翻转还是翻转（如 $r\circ a=c$，落在 $\{a,b,c\}$）。
• 奇 $\circ$ 奇 $=$ 偶：翻两次又转回去了。现算一个看看——$a\circ b$：顶点 $1\to(b)\to3\to(a)\to2$、$2\to2\to3$、$3\to1\to1$，得"$1\to2,2\to3,3\to1$" $=r$，果然落回”偶”块。

因此，“偶 / 奇”这两个新东西，自己组成了一个两元素的群，正是 $\mathbb{Z}/2$。这个”把正规子群整块缩成一点后剩下的群”叫商群，写作 $S_3/A_3\cong\mathbb{Z}/2$，大小 $=6/3=2$。记住这个”把一层整块缩掉”的动作——§6 拆五次方程，靠的就是它。

⑦ 同态与同构——群之间的”结构搬运”。 上面那个”偶/奇”其实实际上定义了一个映射：给每个动作贴个符号，旋转贴 $+1$、翻转贴 $-1$（写作 $\operatorname{sgn}$）。它有个漂亮性质：两个动作复合后的符号，正好等于各自符号相乘——

这些关系完全一致。这种”保持运算”的映射叫同态。如果一个同态还是一一对应、不把两个东西压成一个，就叫同构（记号 $\cong$）：两个群除了名字不同、骨架一模一样，像同一个人换了身衣服。（§6 会看到二十面体的旋转群和 $A_5$ 就是这种关系。）

最后作一个推广。 先补一个名字：前文所说的“动作”，正式名称就是置换——把几样东西重新排个序；最简单的置换叫对调，只换两样、其余不动（三角形的翻转 $a$，就是把顶点 $2,3$ 对调）。有了这对词，上面在 $S_3$ 这个 $3$ 顶点的群上摸过的一切，推广到 $n$ 个对象时同样成立：$n$ 个东西的全部重排组成的群叫对称群 $S_n$，大小 $|S_n|=n!$（第一个东西 $n$ 种去处、第二个 $n-1$ 种……乘起来）；其中”偶置换”——像旋转那样、用偶数次”两两对调”拼出来的那些——组成交错群** $A_n$**，恰好占一半，$|A_n|=n!/2$，而且永远正规。

（这里可能会出现一个疑问：同一个重排，拆成”两两对调”的方式不止一种，会不会奇偶不定？不会。给 $n$ 个根做一个判别式多项式 $\Delta=\prod_{i<j}(x_i-x_j)$，把所有”谁减谁”的差乘起来。任意一次两两对调，恰好让 $\Delta$ 变号一次（被对调那一对的差变号，其余成对抵消）。所以不管怎么拆，最终是 $+\Delta$ 还是 $-\Delta$ 唯一确定——奇偶因此是改不掉的标签：$+\Delta$ 偶、$-\Delta$ 奇。顺带一提，这个 $\Delta$ 正是 §1 三次方程那个判别式的同一个东西（判别式 $=\Delta^2$）——§1 的 Cardano 判别式与这里的奇偶，是同一个判别式多项式的两面。）

$S_3$ 是 $n=3$ 的小样板；§6 的主角，是 $n=5$ 的 $S_5$ 和藏在它里头的那个 $A_5$。

§4 黄金分割小例题：亲手算出一个伽罗瓦群

下面把抽象定义落实到一个可以直接验算的方程上：$x^2-x-1=0$。

求根。 套求根公式，两根是

这里的 $\varphi$ 正是黄金比——EP1 里二十面体顶点坐标 $(0,\pm1,\pm\varphi)$ 反复出现的那个数。系列内部，就此接上。

两根满足的有理关系（可直接核对）：

两根之和、之积都是有理数——这不是巧合，正是 $x^2-x-1$ 的系数（韦达定理）。

它们能被有理数区分吗？ 两根之差 $\varphi-\psi=\sqrt5$，一个无理数。区分它俩的唯一抓手，就是 $\sqrt5$ 的正负号。而“把 $\sqrt5$ 换成 $-\sqrt5$”，恰好就把 $\varphi$ 和 $\psi$ 对调了。

先看清背景结构：什么是数域 $\mathbb{Q}(\sqrt5)$？ 把全体有理数和一个新数 $\sqrt5$ 放在一起，再要求对四则运算封闭（加减乘除的结果不许跑出去），能得到的最小数集，就是

它确实封闭：相加显然还是这形状；相乘时 $\sqrt5\cdot\sqrt5=5$ 又回到有理数，结果仍是 $a'+b'\sqrt5$；除法把分母有理化也跑不出去。$\varphi$ 和 $\psi$ 都住在这个数域里——它就是“刚好够装下这条方程的根”的最小数域。

什么是域自同构？ 一个把数域映到它自己、固定每个有理数、且保持 $+-\times\div$ 的双射。说人话：它在有理数一个都不动、加减乘除的关系也全都原样成立的前提下，把某些无理数整齐地搬到另一个数上去——下面要验证的 $\sigma$ 就是这样：它把 $\sqrt5$ 搬到 $-\sqrt5$（而每个有理数纹丝不动）。正因为它一手保住了所有有理关系，凡是“能用有理系数写出来的事实”，在它作用前后都照样为真。我们要验证的

就是这样一副眼镜：它只把 $\sqrt5$ 的正负招牌对调，有理数一个没动。逐条验证它是域自同构：

1. 固定有理数：$b=0$ 时 $\sigma(a)=a$，有理系数原封不动。
2. 保持加法：$\sigma\big((a+b\sqrt5)+(c+d\sqrt5)\big)=(a+c)-(b+d)\sqrt5$，正是 $\sigma(a+b\sqrt5)+\sigma(c+d\sqrt5)$。
3. 保持乘法：$(a+b\sqrt5)(c+d\sqrt5)=(ac+5bd)+(ad+bc)\sqrt5$，作用 $\sigma$ 得 $(ac+5bd)-(ad+bc)\sqrt5$；另一边 $(a-b\sqrt5)(c-d\sqrt5)$ 展开完全相等。

既然 $\sigma$ 固定全部有理数、又保持加减乘除，它就保持一切有理关系；而它把 $\varphi$ 送到 $\psi$、$\psi$ 送回 $\varphi$。这正是 §2 中所谓的“合法对调”。

现在数清楚。 这个方程的根，只有两种合法状态：不动（恒等 $\mathrm{id}$），和对调 $\varphi\leftrightarrow\psi$（就是 $\sigma$）。而 $\sigma$ 做两次回到原位（$\sigma^2=\mathrm{id}$）。两个元素，且非平凡元素作用两次便复原——这个群就是 $\mathbb{Z}/2$。

为什么只有这两个？ 任何固定有理数的域自同构 $\tau$，必须把 $\sqrt5$ 送到一个”和 $\sqrt5$ 满足同一个有理方程”的数。$\sqrt5$ 满足 $x^2=5$，对等式两边作用 $\tau$ 得 $\tau(\sqrt5)^2=5$，所以 $\tau(\sqrt5)$ 只能是 $\sqrt5$ 或 $-\sqrt5$——没有第三种。而 $\mathbb{Q}(\sqrt5)$ 里每个数都是 $a+b\sqrt5$，一旦 $\sqrt5$ 的去向定了，整个 $\tau$ 就被唯一确定。于是合法自同构恰好两个——“只有 $\mathbb{Z}/2$“不是数出来的巧合，是被”自同构只能把根送到它的共轭根”逼出来的。

顺带一提：$x^2-x-1$ 这条方程的全部对称，就这样一个二元对称$\mathbb{Z}/2$（前面那堂小课见过它，最小的循环群）。

于是我们完成了一件事：把一个伽罗瓦群从头到尾算了出来。 回顾这一节的过程——先圈定根所在的数域 $\mathbb{Q}(\sqrt5)$，再把它的域自同构全部找出来（只有 $\mathrm{id}$ 和 $\sigma$ 两个），验证它们确实保持一切有理关系，最后数清它们构成 $\mathbb{Z}/2$。用伽罗瓦理论的标准记号写下来，就是

这是 §3 那个抽象定义的第一次落地：伽罗瓦群不再是一个名词，而是我们亲手算出来的、只有两个元素的具体的群。$x^2-x-1$ 这么简单的方程，它的对称只有这一对——这个“小规模”的例子值得记住。因为 §6 的五次方程，对称会多到、硬到，再也算不完、拆不动。

（顺带一句：常听说达芬奇、帕特农神庙“刻意采用了黄金比”——这多半是后世附会，缺乏一手证据，普及作家利维奥在 2002 年已系统辨伪。这里我们只用 $\varphi$ 最硬的那个身份：它是 $x^2-x-1=0$ 的正根。）

图 14　黄金分割的伽罗瓦群：唯一的非平凡对称是 σ（把 √5 翻成 −√5，即 φ↔ψ）。它保持加法与乘法，所以 {e, σ} 构成一个群，恰好是 ℤ/2——这就是 φ 的伽罗瓦群。

§5 根一定存在，但写不出

这一集最重要的区分，要靠代数基本定理（Fundamental Theorem of Algebra）来说明：

在复数域 $\mathbb{C}$ 里，

每个

$n$ 次多项式方程，都恰好有 $n$ 个根（按重数计）。

把它提出，是为了分清两件截然不同的事：

伽罗瓦、阿贝尔说五次方程“无解”，指的永远是第二件——写不成根式公式；绝不是第一件“没有根”。这是最常见的误解：

“五次方程无解” $\neq$ “五次方程没有根”。

它有完整的 5 个复根，这些根可以画在复平面上，也可以通过数值方法计算到任意精度——只是没有一把用“开方”搭成的万能钥匙，能从系数一步步套出它们。例如：圆周率 $\pi$ 真实存在，可它不是任何整系数方程的根（它是超越数）。“存在”和“能用某种特定工具写出来”，本就是两回事。

这条定理是谁证明的？ 它的第一个证明，由高斯在 1799 年的博士论文里给出（黑尔姆施泰特大学）——那年他才 22 岁。（严格说，1799 年这个证明偏几何、留有一处拓扑缺口，要到 1920 年才被奥斯特洛夫斯基补全；公认第一个完全严密的证明通常算在 1806 年的阿尔冈头上。高斯本人对它钟爱有加，一生证了四遍。）但无论如何，是高斯让“根一定存在”成了数学的基石——也正是这一结论，把“写不出公式”逼成了一个必须正面回答的问题。

图 15　$x^5-x-1=0$ 的 5 个根画在复平面上：$1$ 个实根（红，$\approx1.167$）＋ $2$ 对共轭复根（绿）。五个根都在——能画、能数值算到任意精度；只是没有一把”开方”搭的公式能从系数写出它们。这正是 §6 那条”群 $=S_5$、核 $=A_5$“的方程。

§6 五次方程的关键：那个拆不动的 A₅

最后收束到主线：为什么五次，和二、三、四次根本不同？

回到 §3 那句收口——能否根式解，取决于伽罗瓦群能不能“层层拆开”。这句话现在可以说得非常精确了。

二、三、四次方程的伽罗瓦群都是可解群（solvable）。先看五次这里的主角：一般五次方程的伽罗瓦群是 $S_5$——五个根的全部 $120$ 种重排（前面那堂小课的 $S_n$，这里 $n=5$）；它里头“其中的一半”，是偶置换组成的 $A_5$，共 $60$ 个。

“偶置换”具体长什么样？拿 5 个根试一个。 设五个根 $r_1,r_2,r_3,r_4,r_5$。一个最简单的非平凡偶置换是 3-循环 $(r_1\,r_2\,r_3)$：

它为什么”偶”？因为它能拆成偶数次两两对调：$(r_1\,r_2\,r_3)=(r_1\,r_2)\circ(r_2\,r_3)$（两次）。再大一点，5-循环 $(r_1\,r_2\,r_3\,r_4\,r_5)$（每个根挪一位）也是偶置换（$=4$ 次对调）。$A_5$ 就是这 $60$ 个”偶数次对调拼成”的根置换的全体——而它们恰好与 EP1 二十面体的 $60$ 个旋转一一对应。

“可解”到底什么意思？三次的群我们前面那堂小课已经拆得清楚地，正好拿它讲清楚。 三次方程的伽罗瓦群，正是前面那堂小课那个 $S_3$——它非交换，可三次偏偏有求根公式，原因何在？因为它拆得开。前面那堂小课我们见过：$A_3=\{e,r,r^2\}$ 是 $S_3$ 的正规子群，商群 $S_3/A_3\cong\mathbb{Z}/2$；$A_3$ 自己再剥到 $\{e\}$。把这两步连起来，$S_3$ 就有了一条正规链：

对应每一层剥离后的商群：

两层商都是交换群——这恰恰就是“可解群”的精确定义：存在一条正规链，每一节的商都交换。而每一节交换的商，对应根式公式里的一次开方：一层 $\mathbb{Z}/2$、一层 $\mathbb{Z}/3$，可以对应到 §1 卡尔达诺公式里那一个平方根、一个立方根。“逐层剥离”至此不再是比喻——它就是 $S_3\triangleright A_3\triangleright\{e\}$ 这条链，一节链，等于公式里的一次开方。三次能解，就因为它的群拆出了这条“全是交换层”的链。

那么，$A_5$ 的不同之处在哪里？ 一般五次方程的伽罗瓦群是 $S_5$（一个具体的例子是 $x^5-x-1=0$：它在有理数上不可约、群恰好是整个 $S_5$，正是 §5 那条“有 5 个根却写不出公式”的方程）。$S_5$ 内部有一块拆不动的硬核，正是 EP1 那个 $A_5$。如果试图照着 $S_3$ 的样子给它逐层剥离，第一步就会受阻：$A_5$ 非交换、而且单纯——它内部没有任何可以剥离的“正常”子结构（没有非平凡正规子群），是一整块实心的硬核。正规链一开头就卡死，根式公式的阶梯到此断裂。

这里有一步最容易误解，需要明确区分：“非交换”不等于“无解”。 EP1 的手机例子说明了旋转不可交换（先转再翻 $\ne$ 先翻再转），很容易由此误以为“非交换 = 难 = 无解”。可 $S_3$ 就是反例——它非交换，三次却有公式。真正的障碍要再加一条：

$A_5$ 正是同时具备这两条的最小那个。EP1 的手机展示了“非交换”；EP2 揭示真正的障碍是“非交换且拆不动”。

而这颗 $A_5$，正是 EP1 那个二十面体的对称原子——同一颗原子，两种面貌：

二十面体的 $60$ 个旋转，与五个根的 $60$ 种偶置换，正是前面那堂小课所说的同构（$\cong$——双射的同态，骨架一样、只换标签）：元素能一一配对、乘法表分毫不差，所以“二十面体旋转群” $\cong A_5$。“对称”与“方程”，在这里连接起来。

图 16　几何的 A₅（二十面体的 60 个旋转）与代数的 A₅（5 个根的 60 个偶置换）是同一个群：|A₅| = 60——“对称与怪兽”那条线第一次露头。

那么——“拆不动 $\Rightarrow$ 无根式解”这一步，为什么严格成立？ 这需要把“可解群”和“根式可解”之间建立等价关系（伽罗瓦判据），再用 $A_5$ 的单纯性把求根公式彻底堵死——这正是 阿贝尔–鲁菲尼定理 的核心，留给 EP3。到这里，可以看到那个在 EP1 转动着的原子，以同构的形式出现在方程根的对称中。

图 17　尼尔斯·阿贝尔（Niels Henrik Abel，1802–1829）——他与伽罗瓦素未谋面，却独立证明了五次方程没有根式解（阿贝尔–鲁菲尼定理）。

术语速查卡：把刚学的“群论词”收进口袋

刚才“群论小课”里出现的名词，都收在这张卡上，方便往下读 §§ 4–6 时随时回查。每条都用

大白话

讲一遍 $+$ 一个具体例子；想看从头到尾算一遍的，回上面那堂”群论小课”。

关于”群”本身

• 群（group）——一堆”动作”，加上”一个接一个做”的规则；只要满足四条就算一个群：两个动作接起来还在这堆里、有个”什么都不做”的动作、每个动作都能反着撤销回去、接的时候括号怎么打都不影响结果。例：正三角形的 $6$ 个对称、整数的加法、钟面上的钟点。
• 群的阶 $|G|$——这个群里一共有多少个动作。例：正三角形对称群有 $6$ 个，$|S_3|=6$；五张牌的全部排法 $120$ 个。（也可以无穷多，比如全体整数。）
• 元素的阶——单个动作要重复几次才回到”什么都不做”。例：转 $120^\circ$ 重复 $3$ 次转回原样，阶 $3$；翻一下的动作翻 $2$ 次复原，阶 $2$。
• 阿贝尔群（交换群）——任意两个动作，先做谁、后做谁，结果都一样的群。例：整数加法（$3+5=5+3$）。反例：正三角形的对称（先转后翻 $\ne$ 先翻后转）。

几种常见的群

• 循环群 $\mathbb{Z}/n$——整个群都能由一个动作反复做生成出来（做一次、两次……做 $n$ 次回到原点）；那个动作叫生成元。例：三个旋转 $\{e,r,r^2\}$ 全是 $r$ 转出来的，就是 $\mathbb{Z}/3$。
• 对称群 $S_n$——把 $n$ 样东西任意重排的全部方式，一共 $n!$ 种。例：$S_3$ 是三个顶点的 $6$ 种排法；$S_5$ 是五个根的 $120$ 种。
• 交错群 $A_n$——$S_n$ 里”温和”的那一半：用偶数次”两两对调”就能拼出来的排列，共 $n!/2$ 种。例：$A_5$ 是五个根的 $60$ 种偶排列，也正是二十面体那 $60$ 个旋转。

群里的”零件”与”关系”

• 子群——群中的一部分元素，自己关起门来（不借助外面）就已经凑成一个群。例：正三角形的 $3$ 个旋转 $\{e,r,r^2\}$，自己就是个群，是 $S_3$ 的子群。
• 对调（transposition）——最简单的一种重排：只把两样东西互换、其余不动。任何复杂重排都能拆成几次对调。例：把根 $1$ 和根 $2$ 互换。
• 陪集——把一个子群整体搬一下（拿群里某个动作去乘它的每个元素）得到的一块；所有陪集一样大、又恰好拼满整个群。例：$S_3$ 按子群 $A_3$ 切成”三个旋转”和”三个翻转”两块。
• 拉格朗日定理——任何子群的大小，一定整除整个群的大小（因为陪集把大群切成了若干等大的块）。例：子群大小 $3$ 整除群大小 $6$。

“能不能拆开”——本集的核心

• 正规子群——一种”具有特殊性质”的子群：拿任何动作从左边搬它、和从右边搬它，得到的是同一块。只有这种子群才能被”整块缩掉”。例：$A_3$ 在 $S_3$ 里正规；而”不动 $+$ 一个翻转”那种子群不正规（左搬右搬不一样）。
• 商群 $G/N$——把一个正规子群当成”一个点”整块缩掉之后，剩下的那个更小的群。例：$S_3$ 把 $A_3$ 缩掉，剩”偶 / 奇”两个，就是 $\mathbb{Z}/2$。
• 同态——两个群之间一个”保持运算”的对应：在这里先做再对应，等于先对应再在那边做。例：给每个排列贴个”偶 $\to+1$、奇 $\to-1$“的符号。
• 同构（$\cong$）——最强的那种对应：一一配对、谁也不压缩，两个群除了名字完全是同一个东西。例：二十面体的旋转群 $\cong A_5$。
• 单群（simple group）——再也”拆不开”的群：除了”什么都不做”和它自己，里面没有任何正规子群可以缩掉。它是对称世界里的”原子”。例：$A_5$，最小的一颗非交换单群（正是卡住五次方程的那个）。
• 可解群（solvable group）——能一层一层（每层靠一个正规子群）剥到底，而且每剥一层、剩下的都是交换群的群（正式说：有一条正规链，每一节的商群都是阿贝尔群）。它正是分辨方程”能不能根式解”的关键——不过”群可解 $\Leftrightarrow$ 方程根式可解”这条等价（伽罗瓦判据）是 EP3 要严格证的主定理，这里只给定义。例：三次的 $S_3$ 可解；五次的 $S_5$ 因含着 $A_5$ 这颗拆不动的原子而不可解。

伽罗瓦理论专用

• 数域——一堆数，对加减乘除都封闭（怎么算都不跑出这堆数）。例：$\mathbb{Q}(\sqrt5)$，即所有形如 $a+b\sqrt5$（$a,b$ 是分数）的数。
• 域自同构——把一个数域”重新标记”对应一遍，但有理数一个不动、加减乘除全保持，只有某些无理数被送到别的数上。例：把 $\sqrt5$ 送成 $-\sqrt5$（有理数纹丝不动）。
• 伽罗瓦群——一个方程所有”域自同构”凑成的群，刻画这个方程的全部根对称。例：$x^2-x-1$ 的伽罗瓦群是 $\mathbb{Z}/2$。