从前两节我们看到,方程可以简单如 x +1=0,也可以复杂如氢原子薛定谔方程。其实,只要我们将一件事翻译成了数学式子,那一个方程就诞生了。在无穷无尽的方程中,我们将聚焦在一类特殊的方程上,即所谓 多项式 (polynomial)方程。我们小学学过的一次方程,初中学过的二次方程,都属于此列。
所谓多项式,顾名思义,就是一个有很多项的式子。多项式的每一项是一个数乘上未知量的若干次幂,比如
就有四项 x 3 、−3 x 2 、0.5 x 、−1/3。每一项中的未知量都有个次数(常数项的次数为零),其中最高者被称为整个多项式的次数。比如上例就是一个三次多项式。
那什么又是多项式方程呢?不难猜到,让一个多项式等于零,就得到了其对应的方程。这个多项式是几次的,就叫几次方程。比如
就是一个三次多项式方程。
你可能会问,一个多项式有那么多项,凭什么就只关心幂次最高的那一项?别的我不知道,但就我们的主题来说,原因很简单:多项式的求解难度直接取决于它的幂次最高项的次数。次数越高,越难解。
一次和二次方程是很简单的,简单到编入了我们小学和初中的数学课本,简单到公元前1700多年的古巴比伦人就已经掌握了它们的解法。如果你还记得,一般形式的二次方程 ax 2 + bx + c =0的两个解是:
你可曾见过三次方程的求根公式?没有吧,我也没有。很多地方都能找到三次方程的解法,也能看到一些化简后的公式,但鲜有地方——包括这里——会把完整的一般公式列出来,因为它真的太长了……三次方程直到16世纪才被人们攻克,如果从古巴比伦开始算,花了3000多年!不仅如此,对三次方程的征服,也是一段传奇但悲伤的故事。
时间回到16世纪的意大利。当时的学者们喜欢公开辩论,群众也乐于围观看热闹。在围观之余,人们还会押注,辩论获胜意味着名利双收。众多辩论项目中,有一项便是公开挑战对方解方程。规则很简单,你列几道方程给我,我列几道给你,给定时间内谁解出来的多谁就获胜!听上去是不是很刺激……
1515年,一位叫费罗(Ferro)的意大利人成功解出了形如 x 3 + px = q 的方程 [3] ,但他没有公布,也没有挑事情,而是保守秘密直到生命的尽头。去世前,他将解法传给了自己的学生费奥雷(Fiore)。费奥雷可就没自己的老师那么有城府了,天上掉下来的馅饼——啊不,解——出去干架呀!于是,他向全意大利发出战书,公开挑战解三次方程。说实话他是底气十足的,因为当时地球上可能还真只有他知道(一部分)三次方程要怎么解。有人应战吗?还真有!
那是1535年,应战者叫塔尔塔利亚(Tartaglia)。Tartaglia一词在当地是结巴的意思。没错,他有点口吃,但这并不妨碍解方程。敢应战,他有啥本事呢?他解出了形如 x 3 + px 2 = q 的方程(注意和费罗解出的不一样)!费奥雷得知此事立马就急了,立刻与塔尔塔利亚约了架。来势不小,结果如何?一败涂地!塔尔塔利亚解出了对手出的全部30道题,但费奥雷却一题未成!这是为何?原来,塔尔塔利亚在接受战书后火力全开进行准备,竟在比赛前八天也找到了费罗私藏的 x 3 + px = q 形方程的解!于是,你方的牌我都有,我方的牌你没有,这局就不用打了。
如果故事到此结束,就不会是一个悲伤的故事了。现在,第三个意大利人出场,他叫卡尔达诺 (Cardano)。他也一直在求解三次方程,在听说塔尔塔利亚取胜的消息后,成功说服他将解法告诉了自己,并承诺保密。秘密保守到了1543年。那一年,卡尔达诺猛然得知费罗早在塔尔塔利亚之前就发现了那个解,原来你塔尔塔利亚不是第一个呀!那这就没啥好保密的了。1545年,卡尔达诺出版了其著作《大术》(Ars magna),详细讨论了三次(以及四次)方程的解法。塔尔塔利亚怒不可遏。可读书人自然不能动刀子,那怎么办呢?不服再战!双方又约了一架——当然还是解方程。那时的卡尔达诺因《大术》已如日中天,自然是不会亲自赴会的,应战的是他的助手费拉里(Ferrari)。
1548年8月10日,在米兰的一所教堂里,比赛如期举行。历史并没有关于那天的详细记录,我们只知道塔尔塔利亚输了。此后,他丢掉了数学老师的工作,在穷困潦倒默默无闻中消失在了历史的尘埃之中。另外,我们还知道,如今三次方程与四次方程的求根公式分别叫 卡尔达诺公式 (Cardano formula)与 费拉里公式 (Ferrari method)。
历史让人唏嘘不已,但还是先回到咱们的主题来——他们寻来寻去,在寻找什么呢?前面说过,方程的解有很多种形式,有根号、有函数、有递归、有求导……甚至为了解 x 2 =−1,我们创造了一个新的数i。人们在上千年间到底在寻找着怎样的解呢?