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前面的讨论与辅助方程的发现 有关。现在,我们来解释关于它们的解 的一个不同寻常的性质。人人都知道,最杰出的数学家在寻找高于四次方程的通解上,或者(更加精确地定义这项研究) 说在把复杂方程简化为最简方程 上,至今未取得成功。毋庸置疑的是,这个问题超越了当代分析学的能力范围。尽管如此,对于无数的任意次的复杂方程,一定存在最简方程。我们相信,如果能证明辅助方程总是属于这一类,那么数学家将会感到高兴。但是,因为这个讨论比较冗长,我们这里只给出最重要的原理以证明化简是可能的;我们把这个课题值得讨论的完整内容留到下一次进行。我们首先给出关于方程x e -1的一般结论,它也包括了e 是合数的情况。
1.这些根(由基本教科书知道) 是由 给出的,其中我们取e 个数0,1,2,3,…,e -1,或者取对于模e 同余于这些数的任意其他的数作为k 。对应于k =0或者任意能够被e 整除的k ,这个根就等于1;对于k 的其他值,存在一个不同于1的根。
2.由于 ,如果R 是这样的一个根——它对应的k 的值与e 互质,那么,在序列R ,R 2 ,R 3 ,…中,第e 项等于1并且所有前面的项的值都不等于1。由此,我们可以立即推出,所有e 个数1,R ,R 2 ,R 3 ,…,R e -1 都是不相等的数,并且,由于它们都满足方程x e -1=0,所以它们给出了这个方程的全部的根。
3.在同样的假设下,对于不能被e 整除的整数λ 的任意值
因为,它就等于 ,这个分数的分子等于0而分母不等于0。如果λ 能够被e 整除,那么显然,这个和就等于e 。
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设n 像之前一样是质数,g 对于模n 是原根,n -1是3个正整数α ,β ,γ 的乘积。为了简洁,我们把α =1或者γ =1的情况包括在内。当γ =1时,我们就用根[1],[g ],…代替和(γ ,1),(γ ,g ),…。因此,假设所有α 个βγ 项的和(βγ ,1),(βγ ,g ),(βγ ,g 2 ),…(βγ ,g α -1 )是已知的,我们想要求γ 项的和。我们已经把上面的运算简化为一个β 次的复杂方程。现在,我们要指出如何通过一个同样次数的最简方程解这个复杂方程。为了简洁,我们分别用a ,b ,c ,…,m 表示包含于(βγ ,1)中的和(γ ,1),(γ ,g α ),(γ ,g 2α ),…,(γ ,g αβ -α );用a ′,b ′…,m ′表示包含于(βγ ,g )中的和(γ ,g ),(γ ,g α +1 ),…,(γ ,g αβ -α +1 );用a ″,b ″…,m ″表示(γ ,g 2 ),(γ ,g α +2 ),…(γ ,g αβ - α +2);直到包含于(βγ ,g a -1 )的那些和也用同样的方式表示。
1.设R 是方程x β -1=0的任意根,并且,根据条目345的法则,我们假设函数t =a +Rb +R 2 c +…+R β -1 m 的β 次幂是
其中,所有的系数N ,A ,B ,A ′,…都是R 的有理函数。我们还假设另外两个函数
的β 次幂分别是U 和U ′,不难发现,由于u ′是用b ,c ,d ,…,a 分别代替a ,b ,c ,…,m 得到的,根据条目350,我们得到
由于u =Ru ′,我们就有U =R β U ′。并且,由于R β =1,所以U 和U ′中对应的系数相等。最后,由于t 和u 的区别仅在于,在t 中a 被乘以1,而在u 中a 被乘以R β ;那么,T 和U 中所有对应的系数(那些乘以同样的和的系数) 就是相等的,因而T 和U ′对应的系数就是相等的。因此,A =B =C =…=M ;A ′=B ′=C ′=…;A ″=B ″=C ″=…;…。所以,T 可以化归为以下的形式
这里的系数N ,A ,A ′,…的形式是
p ,p ′,p ″,…是给定的整数。
2.如果我们取x β -1=0(我们假设已经得到了它的解) 的某个确定的根作为R ,并且,它的任何低于β 次的幂都不等于1,那么,T 就是一个确定的量,并且由它我们可以通过解方程t β -T =0得到t 。由于这个方程有β 个根,它们是t ,Rt ,R 2 t ,…,R β -1 t ,所以关于应当选择哪个根还存在问题。但是,这是任意的。我们一定要记住,在确定了所有βγ 项的和之后,根[1]是这样定义的,即包含于(βγ ,1)中的βγ 个根其中的一个由这个符号表示,所以,构成(βγ ,1)的β 个根中哪一个用a 表示完全是任意的。如果这些和中的一个用a 表示后,我们假设 ,不难发现,我们现在用b 表示的那个和可以改成a ,那么之前的c ,d ,…,a ,b 现在变成了b ,c ,…,m ,a ,并且 。类似地,如果我们现在决定令a 等于一开始是c 的那个和,t 的值就变为 ,以此类推。那么,t 可以认为等于 ,…其中的任意一个,即等于方程x β -1=0中的任意根,对应于我们令(γ ,1)表示(βγ ,1)中的某个和。证明完毕。
3.在以这样的方法确定数的值之后,我们必须确定其他的β -1个值,依次用R 2 ,R 3 ,R 4 ,…,R β 代替t 中的R 就可以得到它们
我们已经得到了最后一个式子,a +b +c …+m =(βγ ,1)。其他的式子可以通过以下的方式求得。我们用条目345中的方法求乘积t β -2 t ′,正如我们在前面求得t β 一样。那么,我们用和前面一样的方法来证明,由此我们得到这样的形式
这里 ,…是R 的有理函数。因而T ′是已知量,且 。以完全相同的方式,我们通过计算乘积t β -3 t ″求出T ″。这个表达式就有类似的形式,并且由于它的值是已知的,我们可以导出 。同理,t 可以通过方程 得到,这里T 同样是一个已知的数,等等。
如果t =0,这种方法就不适用了,因为这时T =T ′=T ″=…=0。但是,我们可以证明这是不可能的,但这个证明过于冗长,我们这里必须省去。还有一些把分数, ,…变成R 的有理整 函数的特殊技巧,以及在α =1的情况下求t ′,t ″,…的值的简单方法,我们这里就不讨论了。
4.最后,一旦我们通过条目359.3中的结论求得t ,t ′,t ″,…,就立即得到t +t ′+t ″+…=βa 。这样就得到了a 的值,根据条目346,由此我们可以推导出所有剩下的γ 项的和的值。稍加研究就可以发现,b ,c ,d ,…还可以通过以下的方程求出
关于在前面的讨论中所提到的诸多结论,我们只强调这一条:关于最简方程x β -T =0的解,显然,在很多情况下T 有虚值P +iQ ,所以这个解一部分基于一个角(它的正切值等于 )等分为β 份,一部分基于一个比值 的β 次根。并且,不同寻常的是(我们这里不讨论这个主题) , 的值总是可以由已知的数有理地 表示。因此,除了求平方根之外,解这个方程唯一 需要做的就是等分某个角,例如,对于β =3,只要三等分某个角即可。
最后,由于没有什么限制,我们取a =1,γ =1,因而β =n -1。很明显,解方程x n -1=0可以立即化归为解n -1次的最简方程x n -1 -T =0。这里,T 是由方程x n -1 -1=0的根决定的。因此,把整个圆周划分为n 等份需要:第一 ,将圆周划分为n -1等份;第二 ,把某段弧分成n -1等份,而这段弧在第一个等分实现后就可以构造出来;第三 ,求出一个平方根,可以证明这个平方根总是 。