五次方程为什么没有求根公式
五次方程为什么没有求根公式相关内容如下:
首先,这里所说的五次方程指的是一般的一元五次方程,即形如ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f=0的方程,为什么不是根式可解的。
首先来说一下什么是根式可解。如果方程xn+a1xn−1+a2xn−2+⋯+an−1x+an=0的根可以通过其系数经过有限次的加、减、乘、除及开整数次方运算表示出来,则称该方程是根式可解的。
1、一元一次方程:
形如ax+b=0的方程,这个太容易了,它的根是x=−ba,我们甚至都不把它算作求根公式。
2、 一元二次方程:
形如ax2+bx+c=0的方程,它的求根公式我们也非常熟悉。但是这里,我们换一种求解方式。
根据代数学基本定理,我们知道一元二次方程有两个根。设其为x1,x2
将原方程两边同时除以a,得到x2+bax+ca=0。那么一定有如下的等式成立,
(x−x1)(x−x2)=x2+bax+ca=0;
这样就得到了如下的根与系数的关系,也就是我们熟悉的韦达定理,
x1+x2=−ba,x1x2=ca;
然后我们再构造出x1−x2就可以联立x1+x2解出两根了
(x1−x2)2=(x1+x2)2−4x1x2=b2a2−4ca
⇒x1−x2=±b2−4aca;
从而得到x1,x2=−b±b2−4ac2a。
3、 一元三次方程:
形如ax3+bx2+cx+d=0的方程,这是一元三次方程的一般形式。还是两边同时除以a,把三次项的系数化为1。为了后面推导方便,将这个方程记为x3+ax2+bx+c=0,注意这里的a,b,c与一般形式方程中的a,b,c是不同的。
带入x=y−a3,
(y−a3)3+a(y−a3)2+b(y−a3)+c=0
⇒y3+(b−a23)y+2a327−ab3+c=0;
我们得到了一个关于y的不含二次项的三次方程。
同样为了简便,将其记为y3+py=q;
1650年,荷兰数学家赫德给出了如下解法,他巧妙地利用了和立方公式
和立方公式(m+n)3=m3+n3+3mn(m+n);
将m+n看作y,3mn看作−p,m3+n3看作q,正好是上面方程的形式。
这样我们可以选取任意的两个数m,n,使得关于y的三次方程的根满足y=m+n,这样如果能解出m,n,就能求出方程的根。将y=m+n带入上面的方程
(m+n)3+p(m+n)=q
⇒m3+n3+3mn(m+n)+p(m+n)=q
⇒(p+3mn)(m+n)=q−(m3+n3);
由于m和n是任意选取的,不妨令上式左右两边都等于0,
得到mn=−p3,m3+n3=q,
现在我们有了m3+n3,再构造出m3−n3就可以求出m3和n3了,跟解一元二次方程时构造x1−x2的方法是一样的:
(m3−n3)2=(m3+n3)2−4m3n3=q2+4p327,
于是m3=q2±q24+p327,n3=q2∓q24+p327,
因此y=m+n=q2+q24+p3273+q2−q24+p3273。
然而这才一个根,另外两个根丢在哪了呢?
实际上是在给m,n开三次方的时候丢掉了。
我们来考虑这个方程x3=1,根据代数学基本定理,它应该有3个根。
x3−1=0⇒(x−1)(x2+x+1)=0,
所以其中一个根是x=1,另外两个根是x=−1±3i,
一般记ω=−1+3i2,则ω2=−1−3i2,
所以方程x3=1的根应该是x=1,ω,ω2,
这样我们就能得出方程y3+py=q的三个根了,
分别是y1=m+n,y2=mω+nω2,y3=mω2+nω,
最后把m,n,ω通通代入,再把p,q替换成a,b,c的表达式,
我们就得到了形如x3+ax2+bx+c=0的三次方程的求根公式。
4、 一元四次方程:
为了方便,我们直接考虑形如x4+ax3+bx2+cx+d=0的四次方程。
代入x=y−a4,可以得到一个不含三次项的四次方程,
将其记为y4+py2+qy+r=0,
1637年,笛卡尔给出了如下方法,将这个四次方程拆成两个二次方程,
(y2+ky+l)(y2+my+n)=y4+py2+qy+r=0,
这样只要将k,l,m,n通过p,q,r表示出来,再解两个二次方程就可以得到四次方程的根。
将左边展开y4+(m+k)y3+(km+n+l)y2+(kn+lm)y+ln=0,
对比等式两边系数,可以得到如下4个等式,
m=−k
km+n+l=p⇒n+l=p+k2
kn+lm=q⇒n−l=qk
ln=r。
通过2、3两个等式可以得到2n=k2+p+qk,2l=k2+p−qk,
代入第4个等式,整理后可以得到
k6+2pk4+(p2−4r)k2−q2=0,
这是一个关于k2的三次方程,解出k2取其实数根,然后可以得到k,进而得到l,m,n,
最后解两个二次方程即可,每个方程两个根。
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