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9.5 代數學基本定理

「你知道代數學基本定理嗎?」

早晨,剛進入教室,米爾嘉突然用手指著我問道。

米爾嘉是我的同班同學。她很擅長數學,她的水平已經完全超過了學校所教的水平,愛看自己喜歡的書,尋找問題,然後解決。我雖然也不是不擅長數學,但仍不是米爾嘉的對手,不過我也沒有因此而感到自卑。只是,我也想看看她正在看的世界。

數學的美、偉大、深奧,我只是剛剛體會到了一點點而已。當我站在書店裡數學類的書架前時,就會發現自己還有大半的書都不能理解。與此同時,我也會想到她。米爾嘉的知識究竟有多少呢?

於是,我開始迷失自我。正在思考數學?正在思考自我?正在思考她?……我為我自己的幼稚而煩惱。她幹什麼看上去都好像很瀟灑的樣子。與她相比,我每天只是在擺弄一些式子,感覺慢了好幾百步的樣子。

不,不,想這些東西也沒有用,也像泰朵拉那樣說聲「加油」吧。

「米爾嘉,代數學基本定理?是不是就是 n 次方程就有 n 個解?」

「嗯,大致 OK。復係數的 n 次方程就有 n 個複數解,重根按重數計算。」

「好長啊。」

「高斯老師發現了它。令人驚奇的是,那個時候高斯老師才 22 歲,而且他是在學位論文中證明的。用學位論文來證明這個根本的定理真是了不起啊!」

米爾嘉好像已經開啟了話嘮模式。在我來之前,她好像正在對著都宮侃侃而談。我一來,都宮就立刻回到自己的座位上了,好像在說:「還是你來聽才女米爾嘉的講話吧」。

米爾嘉把我拉到黑板前,開始「上課」。

「其實,真正的代數學基本定理就是『任意復係數的 n 次方程至少有 1 個解』。如果至少擁有 1 個解 α 的話,用 x - α 這個因式來除 n 次多項式就行了。現在開始證明 n 次方程 至少有 1 個解。首先來考慮函數 ,然後算一下這個函數的絕對值 |f(x)| 能變成多小。因為要是最小值為 0 的話,它就擁有解。在這之前,先複習一下有關複數的知識吧。好嗎?」

米爾嘉寫板書的速度很快,她把高斯的證明寫給我看。我一邊聽她「講課」,一邊感慨自己對複數的理解還不夠。雖然聽是大致聽懂了,但是事後自己不展開做一遍還是會有想不通的地方。必須要自己證明一下,做到不看證明過程自己也能證出來。像米爾嘉那樣能夠當場講給別人聽,則是下一個階段了。

我一邊想著這些,一邊看著米爾嘉寫下來的式子。米爾嘉已經講完了代數學基本定理和因式定理,開始進入使用解來進行 n 次多項式的因式分解的內容了。

「具體地寫一下。假設 n 次方程 n 個解 α1, α2, ... , αn,左邊的 n 次多項式可以這樣因式分解。」米爾嘉一邊這樣說一邊寫在了黑板上。

「也就是說,求方程的解和因式分解是相關的。這個式子中,右邊第一項有 an,這個和最高次 xn 的係數合起來考慮的話比較容易明白。如果從一開始就兩邊同時除以 an,使 n 次方的係數變成 1 就好了。因為是 n 次多項式,所以 ,用 an 來除是沒有問題的。」

就在那時,教室門口有人叫了我一聲。

「喂,傳說中的學妹來找!那個『急吼吼小妹妹』!」

看到學妹來找我,我的同班同學都衝進教室裡來看熱鬧,泰朵拉臉變得通紅,拿出了我畫圖像用的紙。

「學長……真不好意思,打擾您了,我是來把這個還給您的。」

之後,她別彆扭扭地說:「學長……我,我看起來真的那麼急吼吼的嗎?被他們這麼說我真的是很吃驚啊!這是什麼意思啊?下次我可要稱呼您哥哥啦。」

「啊……不……」

「哥哥一定很高興吧。」米爾嘉面朝黑板繼續寫著式子,朝這裡看也不看地說。

不知不覺中,二個人步調一致起來了,真奇怪。

「哇……這塊黑板寫著滿滿的式子?是米爾嘉寫的嗎?」

「這樣說來,泰朵拉是知道『代數學基本定理』的吧?」

米爾嘉背對著泰朵拉,快速地寫著代數學基本定理、因式定理,還有「 n 次方程式中解與係數的關係」。

「假設二次方程式 的解是 αβ 就成立。求方程式的解和因式分解有關。解與係數的關係如下。」米爾嘉說道。

「同理,三次方程式 的解如果是 αβγ 的話……」

「一般地,n 次方程 的解如果是 α1, α2, ... , αn 的話……」

「嗯,這個就是 n 次方程的解與係數的關係。」

此時,預備鈴響了。活力少女也疲倦地說「腦子好像被數學式子灌滿了」,然後搖搖擺擺地回到了高一年級教室。

「真是個可愛的孩子呢,是吧,哥哥。」

米爾嘉這麼說著,甩了甩劉海,中指摁了下眼鏡。她用手指優雅地在空中描了下波浪線,我的眼睛便不由得追隨著她的手指。

說到曲線,她臉頰的曲線我也很喜歡。還有那漂亮的嘴唇,以及從中發出來的美妙的聲音,總是讓我不由得想去傾聽。如果比作樂器的話……

「是 ζ。」她說道。

「嗯?」

「上次村木老師的問題是 ζ 吧?」米爾嘉向我出示了卡片。

(米爾嘉的卡片)

果然。

前些日子也是那樣。求調和數的時候,因為米爾嘉手中的卡片是關於 ζ 的,所以我想這次應該是 ζ(2)。原來村木老師在向我們展示一個問題的兩種姿態啊。但是泰朵拉的卡片卻不同。

「已經解決了嗎?米爾嘉。」

「嗯……因為我記著巴塞爾問題的答案,所以當我拿到卡片的時候立即就做了出來。」

「巴塞爾問題?你記著它的答案?」

「嗯。巴塞爾問題。就是求 ζ(2) 的問題。我說了答案後,村木老師苦笑著說他並不是想要答案。如果已經知道答案的話,就要從這個式子中找出有趣的問題來。」米爾嘉聳聳肩。

「嗯……是如此有名的問題嗎?」

「巴塞爾問題打倒了 18 世紀初的所有數學家,是當時的超級難題。在歐拉老師出現之前,沒有一個人能做出正確答案。歐拉老師解決這個巴塞爾問題後,一舉成名。」

「請稍等。如此難的問題,我們這些人怎麼會有能力解決呢?」

「能解決。」

米爾嘉露出了一副認真的面孔。

「雖然這個問題在 18 世紀初很難,但現在我們的手中已經有很多武器啦。每天我們都在磨練自己的武器。」

「但是,米爾嘉記著那個答案不是嗎?」

「那單單是靠記憶力而已。既然老師特意給了卡片,我想思考一下別的問題。把 x 看作是 z,將問題擴展到複數的範圍。」

「嗯……但是,巴塞爾問題來著?這個 ζ(2) 是發散的吧?」

「你想知道嗎?」米爾嘉吃驚地看著我。一瞬間,她的眼睛發光了。

「不,不,剛才失言了。我也還只是在思考中而已,希望你先不要說。」我急忙回答。

我在卡片的最後寫下了「巴塞爾問題」。

問題 9-2

若下面的無窮級數收斂,求它的值。若不收斂,請證明。

(巴塞爾問題)