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《人类科学技术史-282》代数学的进展——数系的扩展、群论的诞生

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代数学的进展——数系的扩展、群论的诞生

近世代数,如同古典代数那样,是关于运算的理论,但它不把自己局限于研究数的运算的性质上,而是研究更具有一般性的元素上运算的性质,在19世纪前,数学家对于数系的认识已经形成了自然数、整数、有理数、实数和复数五大数系。进入了19世纪,数的理论的研究取得重大进展,对于五大数系的逻辑结构与性质的研究,建立起了严格的理论;同时数系的扩展使得代数学得到了解放,为各种新的代数系统的出现提供了基础。


1830年,皮科克(1791-1858,英国)著《代数论》,对代数运算和基本法则进行了探索性研究,试图对代数学作类似于欧几里得几何学那样的逻辑处理,以演绎方式建立代数理论。后来,德.摩根(1806-1871,英国)等推进了皮科克的工作。德.摩根认为:代数学实际上是一系列"运算",这种"运算"能在任何符号(不一定是数字)的集合上根据一定的公理进行。这新的数学思想使得代数学得以脱离了算术的束缚,在那里,可以看到代数结构概念出现的踪迹,以及为建立代数公理系统所作的准备,为代数学中更抽象的思想铺平了道路。

1837年,哈密顿(1805-1865,英国)发表了题为《共轭函数与作为纯粹时间的科学的代数》的论文,在这篇论文中将复数a+bi看作实数序对(a,b)而克服了对复数对几何直观的依赖,用实数序对定义复数的运算,并且说明复数满足实数的运算规律。这样,实数a被看作特殊的复数(a,0),从而完成了数系从实数向复数的扩展,在实数基础上建立起了复数理论的逻辑基础。哈密顿的这一工作对于后来的代数学发展具有重要的意义。它揭示了数的概念有不同维数的差别,实数是一维的,复数是二维的,而且引导创造多维复数的方向。

五大数系的乘法运算都满足结合律与交换律。在19世纪早期,人们毫不怀疑地认为一切其它类型的数的乘法都应具有这些性质。1843年,哈密顿提出了四元数概念,于是一种乘法交换律不成立的数系诞生了。后来,哈密顿在其论著《四元数讲义》(1853年)和《四元数基础》(1866年)中对四元数作了进一步论述。一个四元数是一个有序四元数组(a,b,C,d),或具有a+bi+Cj+dk的形式,其中a,b,c,d都是实数,i,j,k与复数中i一样是基本单元。四元数中的a称为四元数的数量部分,bi+cj+dk称为四元数的向量部分。哈密顿还建立了四元数的运算法则,其中四元数的加减法运算与复数相应运算类似,在乘法运算中基本单元的运算如下:


i↑2=j↑2=k↑2=1,

jk=-kj=i,

ki=-ik=j,

ij=-ji=k。

四元数的乘法满足结合律,但乘法没有交换性。一种不满足乘法交换律的数学对象的提出,或者说一种非交换的代数结构的发现,是一次重要的代数创造,它打破了对于"数"所必须遵循的规则的古老信念,四元数理论的建立,对代数学的影响是深远的,它为向量代数、向量分析以及结合代数理论的发展打开了大门。

1844年,格拉斯曼(1809-1877,德国)发表了独创性著作《线性扩张理论》,建立了有n个分量的超复数系理论。超复数比四元数更具有一般性,格拉斯曼考虑的是一个n元有序实数组(x1,x2,…,xn)或写成x1e1+x2e2+…+xnen的形式,其中e1,e2,…,en是基本单元,两个这样的超复数可以定义相等、相加和相乘等运算与关系。但允许有不同的乘法,如格拉斯曼还为这种超复数引进了称为内积与外积的两种乘法运算。在这里,对于不同的乘法定义就可以创造不同的代数,这正是格拉斯曼扩张工作的重要性所在。


哈密顿、格拉斯曼等的开创性工作,提出的不同于普通代数的新的代数思想,导致了代数学的解放,促进了各种新的代数结构的产生和发展,从而打开了通向抽象代数的大门。

群是具有一种运算的抽象代数结构,它是现代数学中最为重要的概念之一。群论在许多学科领域有着广泛的应用,起着积极的作用。群的概念起源于解高次方程,虽然在拉格朗日(1736-1813,法国)、高斯、鲁菲尼(1765-1882,法国)和阿贝尔(1802-1829,挪威)等的研究工作中已蕴涵了群论的萌芽和一些结果,但是群论公认的创立者是伽罗瓦(1811-1832,法国)。

伽罗瓦在世时只发表了几篇数学论文。1829年,伽罗瓦将两篇关于代数方程可解性的论文呈送法国巴黎科学院,不幸遗失了。1831年,在泊松(1768-1840,法国)的建议下,伽罗瓦写了一篇题为《关于根式解方程的可解性条件》的论文,但是泊松认为这篇论文"不可理解"而被退回。1832年,在伽罗瓦决斗致死的前夕,他整理了他的数学手稿,概述了他得到的主要研究成果,托交给他的一位朋友,这份数学遗稿后来被保存下来了,内容实际上包含了关于群论和方程的伽罗瓦理论。但是,在当时人们并不理解伽罗瓦的工作。

在伽罗瓦死后14年,即1846年,由刘维尔(1809-1882,法国)在《纯粹与应用数学杂志》上编辑发表了伽罗瓦的部分论文之后,伽罗瓦的工作才逐渐引起人们的注意。1852年,贝蒂(1823-1892,意大利)发表了介绍伽罗瓦理论的文章。1866年,塞雷特(1819-1885,法国)在他的《高等代数教程》一书(第3版)中将伽罗瓦理论以教科书的方式作了叙述,同时给出了一些新的结果。1870年,若尔当(1833-1922,法国)在其名著《置换和代数方程论》中给出了伽罗瓦理论的第一次全面清楚的论述。伽罗瓦深入研究的是代数问题,他最主要的成就是:提出并论证了代数方程可用根式解的普遍的判别准则,彻底解决了代数方程根式可解性问题,从概念和方法上为最基本的一种代数结构——群论奠定了基础。关于用群论方法研究代数方程的解的理论,为了纪念伽罗瓦,后来称之为伽罗瓦理论。伽罗瓦理论对于近代数学的发展起了深远的影响,在伽罗瓦的短暂一生中,他为数学注入了新的思想,将数学引向新的轨道。后来,在群论的领域由凯莱、戴德金(1831-1916,德国)与李(1842-1899,挪威)等继续工作,这些工作不仅扩展了群论,而且将它应用于各个领域,如在几何学中群论起到了统一分类的作用。群的概念在代数中作为一个综合的基本结构,是抽象代数在20世纪兴起的重要因素。

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