抽象代数的人间烟火

作者: 李尚志

来源: 赛先生

发布日期: 2016-04-14 06:54:40

本文讨论了抽象代数教学中的问题,指出许多学生对抽象代数的理解仅限于死记硬背定义,缺乏实际例子和应用。文章提出通过引入具体案例来改善教学,并列举了几种具体的抽象代数应用案例,如幻方、有限域、密码学等,以展示抽象代数的实际应用和数学本质。

抽象代数课如果只是死记硬背一些自己根本不懂的定义,没有例子,没有计算,不会解决任何问题,这样的抽象代数只能给零分。抽象代数能不能有既体现数学本质、又引人入胜的例子?本文介绍的就是这样的例子。

某校有一个被保送读研的学生参加我们的面试。我问她哪门课程学得最好。答曰“抽象代数”。不等我问问题,她就开始自问自答,开始背诵群的定义。我马上制止她,说不要你背定义,只要你举例。让她举一个非交换群。举不出来。举一个有限域,举不出来。我说:这两个例子举不出来,抽象代数零分!

她大惑不解,说:“抽象代数就是没有例子嘛!”她大概认为我学的是假的抽象代数,她学的真的抽象代数就是死记硬背一些自己根本不懂的定义,没有任何例子,不解决任何问题,也没有任何前因后果。

如果只是少数学生这样认为,可以怪她自己学得不好。问题的严重性在于:持这样观点的学生不是一两个,也不是10%-20%,我估计:学习抽象代数的大学生中有90%都持这种观点,只不过这个学生将这种观点总结得特别明确、特别精彩而已。这恐怕就不能怪学生,而应当从教材和教学中找原因了。

现有的抽象代数教材,不是没有例子。这些例子本来就很精彩。

三等分角的尺规作图,五次方程的求根公式,这是迄今为止一些“民间科学家”还在花费毕生精力苦心钻研的世界“难题”,早就被抽象代数解决了,这还不够精彩吗?密码、编码中的理论和实践,抽象代数大显身手,也够精彩了。但是,这些精彩问题的解答叙述起来太难,学生不容易懂。要讲清楚,课时也不够。

只有少数名牌大学的抽象代数课程还稍微讲一些,在其余的学校,就将抽象代数这些精华和灵魂砍掉了,只剩下最容易讲的:让学生死背一些自己也不懂的定义。考试也不考用知识解决问题,只考背定义。抽象代数就不是数学课,而是识字课,只要死记硬背就行了。金庸的武侠小说《射雕英雄传》中的武功秘籍《九阴真经》中有一段用梵文写的话:“努尔七八,哈瓜儿,宁血契卡,混花察察,学根许八涂,米尔米尔。

”只要认识字,小学生也可以花功夫死记硬背下来,但是根本不懂它的意思,更不可能照着去练习,难道就因为背熟了这些句子就成了武功高手吗?显然不是。同样,死记硬背抽象代数教材中的定义而根本不懂它的意思,举不出一个例子,不会用来解决任何一个问题,这样学习的抽象代数就是假冒的,通通都应当给零分!

这些年来,我们在抽象代数课程建设中所做的全部努力,就是要破除这种“就是没有例子”的假抽象代数。我们取得的主要成绩,就是积累了一批既能体现数学本质、又为学生喜欢的案例。下面是其中的一部分案例。

1. 我在抽象代数考试中考过这样的题:将如下的3阶幻方通过旋转和轴对称变出尽可能多的不同的幻方。这不是考小学奥数。而是考正方形的对称群:旋转90o, 180o, 270o得到3个新的幻方,关于第2行、第2列、两条对角线做轴对称得到4个新的幻方,包括原来的幻方在内一共可以得到8个。

2. 许多人说有限域是抽象代数最后一节课讲的,最难,没学好情有可原,考试也不应当考。

其实有限域最容易讲,最有趣,最有用,最有抽象代数味道,可以在抽象代数课第一节课第一分钟讲。我的抽象代数考试每次必考有限域。小学生都懂得奇偶数的运算规律:偶+偶=偶,偶+奇=奇,奇+奇=偶;偶×整数=偶,奇×奇=奇。将偶数用0表示,奇数用1表示,就得到:0+0=0, 0+1=1, 1+1=0;0×a=0 (a=0或1),1×1=1。

按这样的运算公式,两个元素0,1组成的集合Z2就对加、减、乘、除封闭,Z2就是二元域,最简单的有限域。

3. 密码的重要性不容置疑,神秘性也令人向往。最早的一种简单密码是凯撒设计的,加密方案是将每个英文字母用它后面第3个字母代替。将26个字母依次用整数模26的各个同余类表示,凯撒密码的加密就可以用最简单的加法函数y = x+3表示,解密函数为x = y-3。

更进一步,可以用Z26上的一次函数y=ax+b加密,其中a可逆,称为仿射密码。例如3×9 =1就说明9=3-1,加密函数y=3x+5的解密函数就是x=9(y-5)。

4. 中学数学强行定义i2 = –1,不解释这种定义的合理性。其实,很容易给出i2 = –1的一个几何解释:–1乘向量是向后转180度;用i表示向左转90度, 则i2就是向后转180度,就是–1。

这其实是将虚数单位i用“左转90度”的线性变换i表示,还可以将线性变换i用矩阵表示。从复数a+bi到线性变换a1+bi再到矩阵的对应关系保持加、减、、乘运算从而也保持求逆运算,是复数域C与它的几何版本(由线性变换组成)和矩阵版本(由矩阵组成)之间的环同构、域同构。

5. x15-1在复数范围内分解为一次因子的乘积,每个一次因子x-对应于一个15次单位根,每个在乘法群中的阶d都是15的因子,共有4个不同的值1,3,5,15。将15个根按阶的不同值分成4类,以阶是d的单位根为根的一次因子的乘积记为,称为分圆多项式,分别等于都是有理整体系数多项式。分解为这4个有理系数因式的乘积。

6. 分数化小数,得到的无限小数为什么一定循环?循环节的长度有何规律?这是小学算术中的问题。其中的奥妙却需要抽象代数来解释。怎样描述小数的循环性质?例如,无限循环小数a=0.090909…以09为循环节,这可以描述为:将a的小数点往右移动两位得到的102a=9.0909…与a的小数部分相同,差102a-a=09为整数,并且就是循环节。

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