Резольвента алгебраического уравнения

Резольвента алгебраического уравнения степени  — это алгебраическое уравнение с коэффициентами, рационально зависящими от коэффициентов , такое, что знание корней этого уравнения позволяет решить исходное уравнение путём решения более простых уравнений (то есть таких, что их степень не больше ).

Также резольвентой называют само рациональное выражение , то есть зависимость корней резольвенты как уравнения от корней исходного уравнения.

Резольвенты уравнений низших степеней от одной переменнойПравить

Неформально, идея получения резольвент алгебраических уравнений, согласно Лагранжу, состоит в следующем. Составим некоторое, желательно как можно более простое, алгебраическое выражение от корней исходного уравнения со следующими свойствами:

  • число различных значений выражения при всевозможных перестановках корней было бы меньше степени исходного уравнения;
  • получившаяся система уравнений с неизвестными - корнями исходного уравнения - приводилась бы к линейной и была бы совместной.

Таким образом, последовательность действий:

  1. найти соответствующее выражение от корней;
  2. вычислить коэффициенты уравнения-резольвенты, корнями которого являются значения найденного выражения, через коэффициенты исходного;
  3. найти корни резольвенты;
  4. наконец, восстановить корни исходного уравнения по найденным корням резольвенты.

Согласно теории циклических расширений, решение в радикалах общего алгебраического уравнения возможно до его степени не выше четвёртой. Ниже приводятся примеры резольвент алгебраических уравнений второй, третей и четвёртой степени от одной переменной, и показано (без привлечения общей теории и только элементарными вычислениями), как получить сами резольвенты и на их основании общее решение соответствующих уравнений.

Резольвента квадратного уравненияПравить

Вывод по выражению для корнейПравить

Дано квадратное уравнение:

 

Найдём линейную резольвенту. Запишем простейшее нетривиальное равенство, не меняющееся при перестановке   и   местами

 

или

 .

Учитывая  ,  ,

 ,

и   будет корнем резольвенты - линейного уравнения

 

Решим систему

 

Выберем знак   при извлечении квадратного корня, тогда её решение

 

Выбор другого знака перед корнем меняет решения местами. Отметим здесь, что замена знаков перед квадратным корнем эквивалентна вычислению комплекснозначной функции квадратный корень, всегда имеющей два (кроме аргумента, равного нулю) различных значения, например  .

Резольвента кубического уравненияПравить

Дано приведённое кубическое уравнение, обычно его записывают в виде

 

Прямой выводПравить

Запишем тождество

 

Тогда, по построению

 

будет корнем уравнения

 

Найдём остальные корни (2.4). По следствию из теоремы Безу (2.2) делится на двучлен   без остатка. Поделим:

 

и найдём корни второго сомножителя

 

с помощью резольвенты (1.1):

 ,

и согласно (1.2)

 ,

где  первообразный кубический корень из единицы, его свойства:

 ,  ,  ,  ,  .

Итак, (2.4) мы решать умеем, осталось привести (2.1) к виду (2.4). Чтобы корни у уравнений (2.1) и (2.4) совпали, у них должны быть одинаковые коэффициенты при степенях   и свободные члены. Если будут найдены   и   как выражения от   и  , то решения (2.1) также будут известны. Приравняв коэффициенты, получим систему:

 

Возведя в куб первое уравнение (2.7), получим затем квадратное уравнение относительно   и  

 ,

которое и будет резольвентой для уравнения (2.1). Её корни

 .

Возвращаясь к исходной переменной (  ;  ), из (2.3), (2.5) находим все корни (2.1):

 
 
 

При вычислении двух кубических корней нужно выбирать такое одно из трёх значений комплекснозначной функции кубический корень, чтобы удовлетворялось первое из соотношений (2.7). Во всех трёх решениях это выбранное для каждого корня значение должно быть одинаковым.

Вывод по выражению для корнейПравить

Пусть нам неизвестно о существовании резольвенты (2.8). Отыщем её по выражению для корней. Найдём выражение, принимающее два значения при   перестановках корней исходного уравнения (2.1). Рассмотрим:

 ,

Из (2.6) следуют свойства выражения (2.9) под степенью:

 ,

и при возведении в куб все три дают одно и то же, то есть значение (2.9) не меняется при цикле  . Транспозиция   даёт другое выражение, таким образом из шести возможных перестановок всего две уникальных, положим:

 ,

где   - нормирующий множитель. Вычисления сумм и произведений через коэффициенты исходного уравнения дают нам коэффициенты резольвенты (2.8):

 

Далее можно решать получившуюся систему:

 .

Извлекая кубические корни из правых частей (2.19), имеем систему линейных уравнений:

 .

Складывая все 3 уравнения, из (2.6) сразу получаем корень  , затем умножая первое уравнение на  , а второе на  , и сложим все три - получим  . После наоборот - первое на  , а второе на   и сложим все три - получим  . Итого, все корни уравнения (2.1):

 .

Здесь также необходимо правильно выбрать значения кубических корней. По формулам Виета легко проверяется, что

 

потому нужно выбрать такие значения, чтобы

 .

Теперь получим те же (2.11), предполагая, что резольвента (2.8) нам известна. Так как  ,  , то решим систему

 

относительно   и  . Опять сложим три уравнения, умножая второе на   и третье на  , а затем сложим их, умножая второе на   и третье на  . Сразу получим

 ,

то есть, фактически первые два решения (2.20); и тут же выписывается искомое выражение (2.9).

Резольвента уравнения четвёртой степениПравить

Пусть имеется приведённое уравнение четвёртой степени:

 

Прямой выводПравить

Представим уравнение (3.1) в виде произведения двух квадратных трёхчленов:

 

Перемножим трёхчлены и приравняем коэффициенты при одинаковых степенях   . Получим систему уравнений:

 

Из первого уравнения (3.2) обозначим

 

Уравнение запишется так:

 

Используя последнее обозначение, из второго и четвёртого уравнений (3.2) получим для   квадратное уравнение:

 

Его корни:

 

Из третьего уравнения системы (3.2)

 

Возведя последнее в квадрат и подставив в него разность   из (3.3), получим

 

Обозначив  , получим кубическое уравнение относительно  , которое и будет резольвентой:

 

Заметим, что последнее уравнение является резольвентой также и для исходного (3.1), в котором   заменено на  . Кроме того, можно было бы заменять  , но с минусом удобнее для дальнейшего решения.

Вывод по выражению для корнейПравить

Получим резольвенту (3.5) по заданным соотношениям для её корней. Составим выражение

 .

При всевозможных перестановках переменных   в   получаем всего три разных выражения для  :

 
 
 

Трём значением соответствует кубическое уравнение, корнями которого они являются. Чтобы его найти, нужно вычислить коэффициенты при степенях   через коэффициенты исходного уравнения (3.1). Сосчитать их неожиданно проще, чем для резольвенты кубического уравнения:

 
 
 

Дальнейшее решениеПравить

Далее можно действовать двумя способами:

Первый способПравить

Три корня кубического уравнения (3.5) соответствуют трем наборам чисел  , которые получаются, если, тремя способами переставляя 4 корня исходного уравнения (3.1), представить его в виде произведения двух квадратных трёхчленов. Поэтому при решении резольвенты (3.5) достаточно выбрать один из корней  , при другом выборе корня соответствующие 4 решения уравнения (3.1) будут перестановками решений полученного.

Решив резольвенту (например, по формуле Кардано), выберем любой корень, пусть  .

Теперь нужно вернуться к   , выбрав любой знак перед квадратным корнем, а затем найти   , выбрав такие знаки перед корнями у решений (3.3), чтобы удовлетворялось равенство (3.4). После не составляет труда найти 4 корня двух трёхчленов. Окончательно:

 
 ,

где   соответствует   (первый трехчлен), а   соответствует   (второй трехчлен).

Второй способПравить

При решении требуются все 3 корня резольвенты (3.5), пусть они найдены.

Выберем соответствие корня резольвенты   корням   первого трёхчлена и   второго. Аналогично   корням   первого трёхчлена и   второго;   корням   первого трёхчлена и   второго. Тогда для   имеет место:

 

По формулам Виета для первого и второго трехчленов соответственно:

 ,  ,

тогда

 .

Проделав то же самое для корней   (для каждого будет своё   ), снова получим систему (3.6). Уравнение (соотношение Виета для коэффициента исходного уравнения при   )

 

замыкает систему (3.6). Подстановка из (3.8) в три уравнения (3.6) сразу приводит к системе

 

При её решении возникает трудность при выборе знака при извлечении квадратного корня. Можно было бы проверить знак равенства

 ,

которое получалось в прямом выводе резольвенты (при возведении последнего равенства в квадрат добавились лишние корни с противоположными знаками), последовательно для   , но поступим проще. Выберем любой знак при извлечении квадратного корня, например  , и запишем систему, обозначив   ,  ,  :

 

Это - система линейных уравнений; просто решается подстановкой. Её решение:

 

Заметим, что однократная смена знака любого из слагаемых  , либо   либо   переводит решение   в решение   и обратно (например, замена   на   переводит   в  ). Поэтому, если выбор знаков окажется неверен, то достаточно сменить знак у любого одного слагаемого в решении, и оно станет верным. По соотношениям корней   с коэффициентами резольвенты нельзя сказать о верном выборе знака, так как она является резольвентой двух уравнений. Значит, надо искать соотношение между корнями и коэффициентами исходного, и в нём должен участвовать коэффициент  . Запишем соотношение Виета для него:

 

Подставив сюда выражения (3.9), получим

 ,

что означает проверку

 ,

и если знак окажется неверным, заменим например   на  . Для получения окончательного решения вычислим (3.9) с выбранными знаками.

ЛитератураПравить

  • М.М. Постников. Теория Галуа. - М.: Изд-во Факториал Пресс, 2003. ISBN 5-88688-063-1