История решения уравнений третьей и четвертой степени. Реферат математика эпохи возрождения

В 1505 году Сципион Феррео впервые решил один частный случай кубического уравнения. Это решение однако не было им опубликовано, но было сообщено одному ученику - Флориде. Последний, находясь в 1535 году в Венеции, вызвал на состязание уже известного в то время математика Тарталью из Брешии и предложил ему несколько вопросов, для разрешения которых нужно было уметь решать уравнения третьей степени. Но Тарталья уже нашел раньше сам решение таких уравнений и, мало того, не только одного того частного случая, который был решен Феррео, но и двух других частных случаев. Тарталья принял вызов и сам предложил Флориде также свои задачи. Результатом состязания было полное поражение Флориде. Тарталья решил предложенные ему задачи в продолжение двух часов, между тем как Флориде не мог решить ни одной задачи, предложенной ему его противником (число предложенных с обеих сторон задач было 30). Тарталья продолжал, подобно Феррео, скрывать свое открытие, которое очень интересовало Кардано, профессора математики и физики в Милане. Последний готовил к печати обширное сочинение об арифметике, алгебре и геометрии, в котором он хотел дать также решение уравнений 3-ей степени. Но Тарталья отказывался сообщить ему о своем способе. Только когда Кардано поклялся над Евангелием и дал честное слово дворянина, что он не откроет способа Тартальи для решения уравнений и запишет его в виде непонятной анаграммы, Тарталья согласился, после долгих колебаний, раскрыть свою тайну любопытному математику и показал ему правила решений кубических уравнений, изложенные в стихах, довольно туманно. Остроумный Кардано не только понял эти правила в туманном изложении Тартальи, но и нашел доказательства для них. Не взирая, однако, на данное им обещание, он опубликовал способ Тартальи, и способ этот известен до сих пор под именем "формулы Кардано".

Вскоре было открыто и решение уравнений четвертой степени. Один итальянский математик предложил задачу, для решения которой известные до той поры правила были недостаточны, а требовалось умение решать биквадратные уравнения. Большинство математиков считало эту задачу неразрешимою. Но Кардано предложил ее своему ученику Луиджи Феррари, который не только решил задачу, но и нашел способ решать уравнения четвертой степени вообще, сводя их к уравнениям третьей степени. В сочинении Тартальи, напечатанном в 1546 году, мы также находим изложение способа решать не только уравнения первой и второй степени, но и кубические уравнения, причем рассказывается инцидент между автором и Кардано, описанный выше. Сочинение Бомбелли, вышедшее в 1572 г., интересно в том отношении, что рассматривает так называемый неприводимый случай кубического уравнения, который приводил в смущение Кардано, не сумевшего решить его посредством своего правила, а также указывает на связь этого случая с классическою задачей о трисекции угла. алгебра уравнение математический

Решение уравнений II,III,IV-й степеней по формуле. Уравнения первой степени, т.е. линейные, нас учат решать ещё с первого класса, и особого интереса к ним не проявляют. Интересны нелинейные уравнения т.е. больших степеней. Среди нелинейных (уравнений общего вида, не решающихся разложением на множители или каким-либо другим относительно простым способом) уравнения низших степеней (2,3,4- й) можно решить с помощью формул. Уравнения 5-й степени и выше неразрешимы в радикалах (нет формулы). Поэтому мы рассмотрим только три метода.

I. Квадратные уравнения. Формула Виета. Дискриминант квадратного трехчлена. I. Квадратные уравнения. Формула Виета. Дискриминант квадратного трехчлена. Для любого приведённого кв. уравнения справедлива формула: Для любого приведённого кв. уравнения справедлива формула: Обозначим: D=p-4q тогда формула примет вид: Обозначим: D=p-4q тогда формула примет вид: Выражение D называют дискриминантом. При исследовании кв. трехчлена смотрят на знак D. Если D>0,то корней 2; D=0, то корень 1; если D 0,то корней 2; D=0, то корень 1; если D 0,то корней 2; D=0, то корень 1; если D 0,то корней 2; D=0, то корень 1; если D">

II. Теорема Виета Для любого приведённого кв. уравнения Для любого приведённого кв. уравнения Справедлива теорема Виета: Для любого уравнения n-ой степени теорема Виета также справедлива: коэффициент взятый с противоположным знаком, равен сумме его n корней; свободный член равен произведению n его корней и числа (-1) в n степени. Для любого уравнения n-ой степени теорема Виета также справедлива: коэффициент взятый с противоположным знаком, равен сумме его n корней; свободный член равен произведению n его корней и числа (-1) в n степени.

Вывод формулы Виета. Запишем формулу квадрата суммы Запишем формулу квадрата суммы И заменим в ней a на х, b на И заменим в ней a на х, b на Получим: Получим: Теперь отсюда вычтем первоначальное равенство: Теперь отсюда вычтем первоначальное равенство: Теперь нетрудно получить нужную формулу. Теперь нетрудно получить нужную формулу.

Итальянские математики 16 в. сделали крупнейшее математическое открытие. Они нашли формулы для решения уравнений третьей и четвертой степеней. Рассмотрим произвольное кубическое уравнение: И покажем, что с помощью подстановки его можно преобразить к виду Пусть Получим: Положим т.е. Тогда данное уравнение примет вид

В 16 в. было распространено соревнование между учеными, проводившееся в форме диспута. Математики предлагали друг другу определенное число задач, которые нужно было решить к началу поединка. Выигрывал тот, кто решил большее число задач. Антонио Фиоре постоянно участвовал в турнирах и всегда выигрывал, так как владел формулой для решения кубических уравнений. Победитель получал денежное вознаграждение, ему предлагали почетные, высоко оплачиваемые должности.

IV. Тарталья преподавал математику в Вероне, Венеции, Брешии. Перед турниром с Фиоре он получил от противника 30 задач, увидев,что все они сводятся к кубическому уравнению И приложил все силы для его решения. Отыскав формулу, Тарталья решил все задачи, преложенные ему Фиоре, и выиграл турнир. Через день после поединка он нашел формулу для решения уравнения Это было величайшее открытие. После того как в Древнем Вавилоне была найдена формула для решения квадратных равнений, выдающиеся математики в течение двух тысячелетий безуспешно пытались найти формулу для решений кубических уравнений. Метод решения Тарталья держал втайне. Рассмотрим уравнение Тарталья использовал подстановку

Ее называют сейчас формулой Кардано, так как она впервые была опубликована в 1545 г. в книге Кардано «Великое искусство, или Об алгебраических правилах». Джироламо Кардано () окончил университет в Падуе. Его главным занятием была медицина. Кроме того, он занимался философией, математикой, астрологией, составлял гороскопы Петрарки, Лютера, Христа, английского короля Эдуарда 6. Папа римский пользовался услугами Кардано - астролога и покровительствовал ему. Кардано умер в Риме. Существует легенда, что он покончил жизнь самоубийством в тот день, который предсказал, составляя собственный гороскоп, как день своей смерти.

Кардано неоднократно обращался к Тарталье с просьбой сообщить ему формулу для решения кубических уравнений и обещал хранить ее тайну. Он не сдержал слова и опубликовал формулу, указав, что Тарталье принадлежит честь открытия «такого прекрасного и удивительного, превосходящего все таланты человеческого духа». В книге Кардано «Великое искусство…» опубликована также формула для решения уравнений четвертой степени, которую открыл Луиджи Феррари ()- ученик Кардано, его секретарь и поверенный.

V. Изложим метод Феррари. Запишем общее уравнение четвертой степени: С помощью подстановки его можно привести к виду Используя метод дополнения до полного квадрата, запишем: Феррари ввел параметр и получил: Отсюда Учитывая, получим В левой части уравнения стоит полный квадрат, а в правой - квадратный трехчлен относительно х. Чтобы правая часть была полным квадратом, необходимо и достаточно, чтобы дискриминант квадратного трехчлена равнялся нулю, т.е. число t должно удовлетворять уравнению

Кубические уравнения Феррари решил по формуле Кардано. Пусть - корень уравнения. Тогда уравнение запишется в виде Кубические уравнения Феррари решил по формуле Кардано. Пусть - корень уравнения. Тогда уравнение запишется в виде Отсюда получаем два квадратных уравнения: Отсюда получаем два квадратных уравнения: Они дают четыре корня исходного уравнения. Они дают четыре корня исходного уравнения.

Приведем пример. Рассмотрим уравнение Легко проверить, что -корень этого уравнения. Естественно считать, что, используя формулу Кардано, мы найдем этот корень. Проведем вычисления, учитывая, что По формуле находим: Как понять выражение На этот вопрос первым ответил инженер Рафаэль Бомбелли (ок), работавший в Болонье В 1572 г. он издал книгу «Алгебра», в которую ввел в математику число i, такое, что Бомбелли сформулировал правила операций с числом Согласно теории Бомбелли,выражение можно записать так: А корень уравнения, имеющий вид, можно записать так:

Заадача№1

Решить уравнение третьей степени по формуле Кардано:

x 3 -3x 2 -3x-1=0.

Решение:Приведём уравнение к виду, не содержащему второй степени неизвестного. Для этого воспользуемся формулой

x = y – , где а коэффициент при x 2 .

Имеем: x=y+1.

(y+1) 3 -3(y+1) 2 -3(y+1)-1=0.

Раскрыв скобки и приведя подобные члены,получим:

Для корней кубического уравнения y 3 +py+q=0 имеется формула Кардано:

yi= (i=1,2,3,),где значение радикала

, = .

Пусть α1 –одно /любое/ значение радикала α. Тогда два других значения находятся следующим образом:

α 2 = α 1 ε 1 , α 3 = α 1 ε 2, где ε 1 = + i , ε 2 = – i - корень третьей степени из единицы.

Если положить β 1 = – , то получим β 2 = β 1 ε 2, β 3 = β 1 ε 1

Подставляя полученные значение в формулу yi = αi+βi,найдём корни уравнения

y 1 = α 1 +β 1 ,

y 2 = -1/2(α 1 +β 1) + i (α 1 -β 1),

y 3 = -1/2(α 1 +β 1) – i (α 1 -β 1),

В нашем случае p = -6, q= - 6.

α= =

Одно из значений этого радикала равно . Поэтому положим α 1 = . Тогда β 1 = – = – = ,

y 2 = ) – i ).

Наконец, находим значение x по формуле x = y+1.

x 2 = ) + i ) + 1,

x 3 = ) – i ) + 1.

Задача №2

Решить способом Феррари уравнение четвёртой степени:

x 4 -4x 3 +2x 2 -4x+1=0.

Решение: Перенесём три последних члена в правую часть и оставшиеся два члена дополним до полного квадрата.

x 4 -4x 3 =-2x 2 +4x-1,

x 4 -4x 3 +4x 2 =4x 2 -2x 2 +4x-1,

(x 2 -2x) 2 =2x 2 +4x-1.

Введём новое неизвестное следующим образом:

(x 2 -2x+ ) 2 =2x 2 +4x-1+(x 2 -2x)y+ ,

(x 2 -2x+ ) 2 =(2+y)x 2 +(4-2y)x+() /1/.

Подберём y так, чтобы и правая часть равенства была полным квадратом.Это будет тогда,когда B 2 -4AC=0, где A=2+y, B=4-2y, C= -1.

Имеем:B 2 -4AC=16-16y+4y 2 -y 3 -2y 2 +4y+8=0

Или y 3 -2y 2 +12y-24=0.

Мы получили кубическую резольвенту,одним из корней которой является y=2. Подставим полученное значение y=2 в /1/,

Получим (x 2 -2x+1) 2 =4x 2 .Откуда (x 2 -2x+1) 2 -(2x) 2 =0 или (x 2 -2x+1-2x) (x 2 -2x+1+2x)=0.

Мы получим два квадратных уравнения:

x 2 -4x+1=0 и x 2 +1=0.

Решая их, находим корни первоначального уравнения:

x 1 =2- , x 2 =2+ , x 3 =-I, x 4 =i.

6.Рациональные корни многочлена

Задача№1

Найти рациональные корни многочлена

f(x)=8x 5 -14x 4 -77x 3 +128x2+45x-18.

Решение :Для того, чтобы найти рациональные корни многочлена,пользуемся следующими теоремами.

Теорема 1. Если несократимая дробь является корнем многочлена f(x) с целыми коэффициентами,то p есть делитель свободного члена, а q- делитель старшего коэффициента многочлена f(x).

Замечание: Теорема 1 даёт необходимое условие для того, чтобы рациональное число . Было корнем многочлена,но этого условия недостаточно, т.е. условие теоремы 1 может выполняться и для такой дроби , которая не является корнем многочлена.

Теорема 2: Если несократимая дробь является корнем многочлена f(x) с целыми коэффициентами, то при любом целом m ,отличном от , число f(m) делится на число p-qm, т.е целое число.

В частности полагая m=1, а затем m=-1, получим:

если корень многочлена, не равный ±1,то f(x) (p-q) и f(-x):.(p+q) , т.е. - целые числа.

Замечание: Теорема 2 даёт ещё одно необходимое условие для рациональных корней многочлена. Это условие удобно тем, что оно легко проверяется практически. Находим сначала f(1) и f(-1), а затем для каждой испытываемой дроби проверяем указанное условие. Если хотя бы одно из чисел дробное, то корнем многочлена f(x) не является.

Решение: По теореме 1 корни данного многочлена следует искать среди несократимых дробей, числители которых являются делителями 18, а знаменателями 8. Следовательно, если несократимая дробь есть корень f(x), то p равно одному из чисел: ±1, ±2, ±3, ±6, ±9, ±18; q равно одному из чисел

±1, ±2,±4, ±8.

Учитывая, что = , = , знаменатели дробей будем брать лишь положительными.

Итак, рациональными корнями данного многочлена могут быть следующие числа: ±1, ±2, ±3, ±6, ±9, ±18, ± , ± , ± , ± , ± , ± , ± , ± , ± .

Воспользуемся вторым необходимым.

Так как f(1)=72, f(-1)=120,отсюда в частности следует, что 1 и -1 не являются корнями f(x). Теперь для каждой возможной дроби будем проверять условия теоремы 2 при m=1 и m=-1, т. е. будем устанавливать, целыми или дробными являются числа: = и =

Результаты сведём в таблицу, где буквы”ц” и “д” означают соответственно, целым или дробным является число или

Из полученной таблицы видно, что и являются целыми лишь в тех случаях, когда равно одному из чисел: 2, -2, 3, -3, , , , .

По следствию из теоремы Безу число α- корень f(x) тогда и только тогда, когда f(x) (x-α). Следовательно, для проверки оставшихся девяти целых чисел можно применить схему Горнера деление многочлена на двучлен.

2 – корень.

Отсюда имеем: x=2 – простой корень f(x). Остальные корни данного многочлена совпадают с корнями многочлена.

F 1 (x) = 8x 4 +2x 3 -73x 2 -18x+9.

Аналогично проверим остальные числа.

2 – не корень, 3 – корень, -3 –корень, 9 – не корень, ½ - не корень, -1/2 –корень, 3/2 – не корень, ¼ - корень.

Итак, многочлен f(x)= 8x 5 -14x 4 -77x 3 +128x 2 +45x-18 имеет пять рациональных корней:{2, 3, -3, -1/2, ¼}.