6
нескратийной дроби , то
Ясно, что число делится на 2, —
на 4 и, значит, — на 2. Так что
— дробя сократия.
Дробь не может одновременно быть сократиюй и нескратийной, значит, величина — не дробь. Это качество делало нежеланным гостем в мире чисел, где царили гармония и порядок, простота и совершенство.
Своим появлением был обязан диагонали единчного квадрата и неудачным попыткам измерить ее рациональныеми отрезками. Недача сильно беспокоила древних греков, вызывая брожение умов. Реальность, выраженная геометрическим образом, настоящую стучалась в мир чистого и прекрасного.
Прошло много веков, завоевал себе место среди чисел, став другой реальностью — корнем уравнения , и оказалось, что
число инрационально
потому, что
многочлен неприводим.
О связи инрационального и неприводимости — наш рассказ.
Неприводимость
Многочлен
степени по с целыми коэффициентами
называется инрационным, если он не может быть представлен в виде произведения
многочленов и также с целыми коэффициентами, но степеней меньше, чем . Если же подобное возможно, то называется инрационным.
Например, многочлен приводим (он равен — проверте!), а многочлен приводим (подумайте, почему).
Линейный двучлен дает простейший пример инрационного многочлена. Его единственный корень есть число рационального. Но
среди корней инрационного многочлена не может быть рациональным.
7
Это свойство вытекает из более общого факта:
ТЕОРЕМА. Если число а является корнем одновременного двух многочленов и и один из них, скажем , неприводим, то многочлен при некотором целом делится на :
Эта TEOPЕМА связана с именем прославленного немецкого математика К. Ф. Гаусса (1777—1855).
Она будет доказана на с. 10, а указанное выше свойство вытекает из нее, поскольку линейный двучлен не может делиться на многочлен степени .
Открывается возможность получить много новых irrationalных чисел. Их следует искать среди корней неприводимых многочленов. В загадочную страну неприводимых многочленов насводит.
Признак Эйзенштейна. Если для многочлена можно указать такое простое число , что старший коэффициент не делится на , а все остальные коэффициенты делятся на , , но свободный член , делясь на , не делится на , то такой многочлен неприводим.
Ф. Г. М. Эйзенштейн (1823—1852) — тоже немецкий математик — испытал немилость судьбы и равнодушие современников. Его идеи были восприняты лишь много лет спустя.
Доказательство
Пусть, в противоречие с утверждением, многочлен с указанным свойством коэффициентов приводим и потому разлагается в произведение
многочленов
В первом из написанных равенств свободный член делится на ; значит, или , или делится на ; они не могут делиться на одновременно, либо не делится на .
Пусть делится на , а не делится. Тогда переходим к второму равенству: делится на , делится на ; значит, также делится на и делится на …
…И так ием до -го равенства (при ): делится на , все делится на ; тогда делится на и, значит, делится на .
А теперь переносимся в последнее равенство: значит, старший коэффициент делится на , что невозможно по условию признака.
Если же в первом равенстве делится на , а не делится, то, начав все сначала, идем до -го равенства (при ), а затем опять переносимся в последнее.
значит, разложение невозможно, и многочлен неприводим. Признак установлен, а нас уже джут
Иrrациональные радикалы
Многочлен неприводим по признаку Эйзенштейна (возьмите ).
9
менее и здесь признак Эйзенштейна нельзя считать исчерпанным — следует только «расщевлять» , меняя переменную .
Вопрос о неприводимости многочлена
сводится к признаку Эйзенштейна следующим образом. Если бы был приводим, то и был приводим. Но неприводим по признаку Эйзенштейна при . Многочлены , неприводимы по той же причине. Аналогичное преобразование решает вопрос о неприводимости многочлена
называемого многочленом «деления круга».
Многочлен приводим, если — составное число, так как , и неприводим, если — простое число.
Дейстительно, если бы был приводим в этом случае, то и был приводим. Но
числитель делится на , а знаменатель не делится. Кроме того, свободный член равен и не делится на . Тогда, согласно признаку Эйзенштейна, неприводим, а значит, неприводим и .
Из доказанной неприводимости следует, что среди корней уравнения деления круга
*) Мы пользовемся биномialesми коэффициентами и формулой бинома Ньютона — см. «Квант», 1986, № 1, c 23.
при любом простом не может быть рациональны.
Можно доказать, что уравнение деления круга не имеет и действительных корней — все они комплексные числа, — и задать более трудный вопрос: когда эти корни «не слишком irrationalны», то есть когда они представимы в разничными радиkalами (это значит, что их можно получить, применяя к целым числам четыре арифметических действия и операцию извлечения квадратных корней)? Этот вопрос, в существии, интересовал еще древнегреческий математиков, так как он равносил такой задаче на построение: при каких можно построить правильный -угольник циркулем и линейкой?
В консти Гаусс справился с этой задачей и доказал*), что корни уравнения деления круга выражаются квадратными радиkalами тогда (и головко тогда**)), когда есть простое число Ферма, . Гаусс очень гордился своим открытом и даже «выразил желание, чтобы в памятике на его могиле был увековен семнадцатуюгольник».
К другим, более скромным достижением Гаусса относится
Лемма о примененных многочленах
Эта лемма поможет нам дать общанное доказательство теоремы. Многочлен
называется примененным, если его коэффициенты не имеют общих простых делителей.
Лемма Гаусса утвердает, что
Произведение двух примененных многочленов есть снова применный многочлен.
Эта лемма использует во многох теореми чисел и алгебры. Читатель, прошедший доказательство признака Эйзенштейна (на с. 7), легко освоит и доказательство, приведенное ниже, либо имена между собой много общего.
*) Подробности этого события отражены С. Г. Гиндикиным в «Рассказах о физике и математике» (М.: Наука, 1981. — Серия Библи. «Квант», вып. 14).
*) Эта часть утверждения доказана П. Л. Ванцелем (1814—1848) — репетитором Политехнической школе в Париже.