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代数学III要約 No.10

今日のテーマ

\fbox{3次・4次の方程式の解法}

3次方程式

$\displaystyle X^3-a X^2+b X- c=0
$

を解こう。 この方程式の根を $ x_1,x_2,x_3$ とする。 根が何であるか、具体的に知らないわけだが、その存在は既に知っている。 $ x_1,x_2,x_3$ の持つ性質から逆算して、その解き方を見ようというわけだ。

$\displaystyle X^3-a X^2+b X -c =(X- x_1)(X- x_2)(X-x_3)$ (★)

を展開することにより、いわゆる根と係数の関係

% latex2html id marker 760
$\displaystyle x_1+x_2+x_3=a ,\quad
x_1 x_2 +x_2 x_3 +x_3 x_1=b,\quad
x_1 x_2 x_3=c
$

が得られる。$ a,b,c$ は知っている数だから、 $ x_1,x_2,x_3$ の 基本対称式の値を知っているということになる。 $ x_1,x_2,x_3$ の対称式の値もこれらから( $ x_1,x_2,x_3$ の値を個別に知らなくても) 計算できる。 したがって、如何にして便利な対称式を作るか、が大事になる。

ラグランジュの分解式

% latex2html id marker 770
$\displaystyle r_1=x_1 +\omega x_2 +\omega^2 x_3,\quad r_2=x_1 +\omega^2 x_2 +\omega x_3$ (R1)

を考えてみよう。(ただし % latex2html id marker 772
$ \omega=(-1+\sqrt{-3})/2$ .) これら自体は $ x_1,x_2,x_3$ の対称式ではないが、

補題 10.1   $ t_1=r_1^3+r_2^3$ $ t_2=r_1^3 r_2^3$ はともに $ x_1,x_2,x_3$ の 対称式である。

実際、

% latex2html id marker 787
$\displaystyle t_1=2 a^3 - 9 a b +27 c, \quad
r_1 r_2=a^2-3 b,\quad
t_2= (a^2-3b)^3.
$

このことから、 $ r_1^3,r_2^3$ を二次方程式

$\displaystyle X^2-t_1 X +t_2=0
$

の二根として計算することができて、 あとはその3乗根として $ r_1,r_2$ を計算できる。 そこから $ x_1,x_2,x_3$ を 出すのは連立一次方程式を解けばよい(ラグランジュの分解式二つと 根と係数の関係の一番目の式)ので簡単である。

4次方程式の場合を考えよう。 根を $ x_1,x_2,x_3,x_4$ とおくと、

$\displaystyle X^4-a X^3+b X^2 -c X +d =
(X- x_1)(X- x_2)(X-x_3)(X-x_4).
$

ここから根と係数の関係が得られ、やはり $ x_1,x_2,x_3,x_4$ の 対称式は $ a,b,c,d$ から( $ x_1,x_2,x_3,x_4$ の値を知らなくても) 計算できる。

ラグランジュの分解式として、

% latex2html id marker 807
$\displaystyle r_1=x_1 - x_2 +x_3-x_4, \quad
r_2=x_1 - x_2 -x_3+x_4, \quad
r_3=x_1 + x_2 -x_3-x_4
$

をとる。 $ r_1^2, r_2^2, r_3^2$ の基本対称式

% latex2html id marker 811
$\displaystyle s_1= r_1^2 +r_2^2+r_3^2, \quad
s_2=r_1^2 r_2^2 +r_2^2 r_3^2 +r_3^2 r_1^2 , \quad
s_3=r_1^2 r_2^2 r_3^2
$

はそれぞれ $ x_1,x_2,x_3,x_4$ の対称式になっていることが分かり、したがって $ a,b,c,d$ から計算できる。 すなわち、 $ r_1^2, r_2^2, r_3^2$

$\displaystyle X^3 -s_1 X^2 + s_2 X - s_3
$

の三根であるから、前段のように巾根を用いて $ a,b,c,d$ から計算できる。 あとはその平方根を計算すれば、 $ r_1,r_2,r_3$ が計算されて、 一次方程式の根として $ x_1,x_2,x_3,x_4$ が計算されるという仕組である。

問題 10.1   3次方程式の解法において、 $ x_1,x_2,x_3$ の置換(6つある)によって(R1)の分解式 $ r_1,r_2$ が それぞれどのように変化するか、実際に書き下しなさい。

問題 10.2   4次方程式の解法で前問と同様のことを考えてみなさい。



2014-01-10