Monday, October 26, 2009

複數的出現

大家還記得學習複數 (complex number) 時,書本上是怎樣引入的呢?
通常是:
數學家在研究三次方程 (cubic equation) 的求根公式時,發現了複數……
又或者
為了使 x^2 = -1, x^2 = -2......等方程有解,於是引入 i = sqrt(-1)
輕輕地交代了複數的發現,然後,大家便利用 i^2 = -1 這規則,再加上一直以來在實數四則運算見慣的交換律、分配律,進行複數的運算。

我想大約在我讀預科時,我「相信」複數是由數學家研究三次方程時開始被重視,因為我見過很多書都係咁講。而「為了使 x^2=-1, x^2=-2......等方程有解,於是引入 i=sqrt(-1)」只是一些書本簡便起見作出的引子吧。
那是我只是信,相信權威吧,但沒有其他理性上的理據說服到我。

當時我心入面有幾個問題:
1. 為甚麼要把 a+bi 看作「複數」,單單處理「bi」不行嗎?隨著接觸數學越來越多,我知道以「a+bi」作一個整體來看待,會引發出往後數學上很多豐盛的成果。
2. 為甚麼是在求「三次」方程才開以注意到複數?其實在二次方程的求根公式,有時都需要處理開方根號內帶有負數的問題 (即二次方程的判別式 b^2 - 4ac < 0)。

到近年 (近兩三年吧,近兩三年無乜時間觀念,忘了是何時了),我才想出一個令我接受的原因。
(這個純粹是我令自己接受的原因,未必是正確的原因,我也沒有去考究現今主流研究數學史的學者是否抱著這觀點。)

先看二次方程的情況。我們可把二次方程 ax^2 + bx + c =0 寫成
x^2 - mx - n = 0, 其中 m = -(b/a), n = -(c/a)
移項得出
x^2 = mx + n
好戲在後頭,引入未知數 y,得出以下聯立方程:
y = x^2 及 y = mx + n
原來的二次方程的根,便是這個方程組中 x 的解了。點解我要咁做?我想在直角坐標平面上「看」二次方程的解。

quadratic

圖中顯示出 y = x^2 與 y = mx + n 的圖像。交點的 x 坐標便是原本二次方程的解。

不難想像,不同的 m 和 n 的值,就可代表不同的二次方程。
圖像中,y=x^2 這拋物線不變,改變直線 (即 m 和 n 的值),就可代表了不同的二次方程。大家有否發現,不是所有直線都與拋物線有交點?例如把我的附圖中的直線往下移,便會得出一條與拋物線不相交的直線。

沒有交點,即是方程無解吧!也就是判別式 b^2 - 4ac < 0。
因此,在解二次方程時,若 b^2 - 4ac < 0,我們可以不去深究 sqrt(b^2 - 4ac) 究竟是甚麼。無解就是無解啦,無交點就是無交點啦,不存在就是不存在啦,何須自找麻煩去研究這些不存在的東西?

真的不用理嗎?看看三次方程的情況。
三次方程 x^3 + ax^2 + bx + c = 0,可以變換為
t^3 + pt + q = 0 (設 t = x - a/3 )
與二次方程的做法相似,改寫成
y = t^3 及 y = - pt - q
這樣便可在 yt 平面上觀察解的情況。

下圖是 y = t^3 的圖像:

cubic2

這三次函數的圖像,與二次函數 y = x^2 的圖像有一個很明顯的分別,就是沒有最低點。
給定任意一個 y 值,我們都可以找到圖像上對應的 t 值。當在圖上加上直線,必定會與曲線相交!這代表著三次方程「必定」有解。

但看看三次方程 t^3 + pt + q = 0 的求根公式:

cubic

這公式我是在 wiki 抓下來,三個公式中,都有 sqrt((q^2)/4 + (p^3)/27) 這項。
設 q = 0, p=3,代入第一個公式,我們得出 t = 0 是一個解,是方程 t^3 + 3t = 0 的一個解。這個解與我們用因式分解得出的結果是一致的!

就係咁簡單?還未完。

看看方程 t^3 - 57t + 56 = 0,大家可把 t = -8, 1, 7 代入方程,發現它們是該方程的根。
繪畫 y = t^3 與 y = 57t - 56 的圖像,它們會於 t = -8, 1, 7 三處相交!

但是,把 p = -57 及 q = 56 代入求根公式,
會發現 (q^2)/4 + (p^3)/27 = -6075,即 sqrt((q^2)/4 + (p^3)/27) = sqrt(-6075) 不是實數
在第一個公式會得出
(-28 + sqrt(-6075))^(1/3) + (-28 - sqrt(-6075))^(1/3)
注意在第一個公式中,本身沒有複數。但我們看到要利用這公式求得這方程的解(實數),我們先要懂得處理負數的開方根及有關的運算,即是複數的運算!(以上式子的結果為 7)

二次方程中,若 b^2 - 4ac < 0,公式涉及 sqrt(負數),我們說方程無解,結果與圖像無交點是一致的。

而三次方程中,若 (q^2)/4 + (p^3)/27 < 0,公式涉及 sqrt(負數),但我們不能就此指出方程無解,這會與圖像有交點的程況不一致!

這次,我們無得再逃避了,要達到求三次方程的根這個目標,必先要好好研究這類「新」的數的運算!

就是這個圖像上的原因,令我接受書本上所謂由解三次方程開始才重視複數的事實。

這原因是對?是錯?我不知。很大程度取決於當時數學家怎樣看方程的圖像這概念。事實上,坐標幾何的出現,現今歸功於十七世紀笛卡兒 (Rene Descartes, 1596 - 1650) 的貢獻,這是在三次方程求根公式之後發生的事情。不過數學發展不是石頭爆出來的,之前都有很多痕跡可尋。例如遠在古希臘的阿波羅尼奧斯 (Apollonius, 262BC - 196 BC),他處理圓錐曲線的一些技巧與現今坐標幾何的方法相近。所以我覺得15、16 世紀數學家是從圖像令他們不重視二次方程的複數解,但在三次方程時要認真處理,也不足為奇。

世事就是咁神奇,以為可以避開,當佢不存在便何。實際上,不存在真的不存在嗎?避無可避,終於要面對。
避到就是好,避唔到就是禍?未必如此。

終於發現了複數。但往後的發展十分緩慢,一直要過多兩三百年,Gauss、Argand 等人給出「複平面」,發展開始快得多,再由黎曼推上一個頂峰。

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