本日の無酸素計算。息を止めて一気に読んでくださいw
因数定理を使っての3次方程式 x^3-4x^2+8=0 を解く授業。
2^3-4\cdot2^3+9=8-16+8=0 より,
x-2 を因数に持ち,
(x-2)(x^2-2x-4)=0
より,x=2, 1\pm\sqrt{5} を得る。
カルダノを話をしたついでにカルダノの解法を見せた。
x=y+\frac{4}{3} と変換すると,
(y+\frac{4}{3})^3-4(y+\frac{4}{3})^2+8=0
整理すると,
y^3-\frac{16}{3}y+\frac{88}{27}=0
y=u+v と変換すると,
(u+v)^3-\frac{16}{3}(u+v)-\frac{88}{27}=0
u^3+3uv(u+v)+v^3-\frac{16}{3}(u+v)+\frac{88}{27}=0
u^3+v^3+\frac{88}{27}+(u+v)(3uv-\frac{16}{3})=0
u^3+v^3+\frac{88}{27}=0 かつ 3uv-\frac{16}{3}=0
3uv-\frac{16}{3}=0 より,v=\frac{16}{9u}
これを u^3+v^3+\frac{88}{27}=0 に代入して,
u^3+(\frac{16}{9u})^3+\frac{88}{27}=0
u^3+\frac{4096}{729u^3}+\frac{88}{27}=0
u^3をかけて
(u^3)^2+\frac{4096}{729}+\frac{88}{27}u^3=0
(u^3)^2+\frac{88}{27}u^3+\frac{4096}{729}=0
u^3 の2次方程式を解いて,
u^3=-\frac{44}{27}\pm\sqrt{(\frac{44}{27})^2-\frac{4096}{729}}=\frac{-44\pm12\sqrt{15}i}{27}
|u^3|^2=\frac{44^2+(12\sqrt{15})^2}{27}=\frac{1936+2160}{27}=\frac{4096}{27}=(\frac{16}{3})^3 より
|u|^2=\frac{16}{3} である。
u=\frac{1-\sqrt{15}i}{3} ならば,|u|^2=\frac{16}{3} であり,
u^3=\frac{(1-\sqrt{15}i)^3}{3^3}=\frac{1-3\sqrt{15}i-3\cdot15+15\sqrt{15}i}{27}=\frac{-44+12\sqrt{15}i}{27} を満たす。
よって,
u^3=\frac{-44+12\sqrt{15}i}{27}
の解は
u=u_1=\frac{1-\sqrt{15}i}{3}, u_1\omega, u_1\omega^2
の3つである。還元可能であった。
ただし\omega は1の虚数3乗根(x^2+x+1の根)
\omega=e^{\frac{2\pi}{3}i}=\frac{-1+\sqrt{3}i}{2}, \omega^2=\frac{1}{\omega}=e^{-\frac{2\pi}{3}i}=\frac{-1-\sqrt{3}i}{2} である。
v=\frac{16}{9u}より,u=u_1 のとき,
v=\frac{16}{9u_1}=\frac{16\cdot3}{9(1-\sqrt{15}i)}=\frac{1+\sqrt{15}i}{3}=v_1
u=u_1\omega のとき,
v=\frac{16}{9u_1\omega}=\frac{v_1}{\omega}=\frac{v_1\omega^2}{\omega^3}=v_1\omega^2
u=u_1\omega^2 のとき,
v=\frac{16}{9u_1\omega^2}=\frac{v_1}{\omega^2}=\frac{v_1\omega}{\omega^3}=v_1\omega
y=u+v より
y_1=u_1+v_1=\frac{1-\sqrt{15}i}{3}+\frac{1+\sqrt{15}i}{3}=\frac{2}{3}
y_2=u_1\omega+v_1\omega^2=\frac{1-\sqrt{15}i}{3}\frac{-1+\sqrt{3}i}{2}+\frac{1+\sqrt{15}i}{3}\frac{-1-\sqrt{3}i}{2}=\frac{1}{6}(-1+\sqrt{3}i+\sqrt{15}i+3\sqrt{5}-1-\sqrt{3}i-\sqrt{15}i+3\sqrt{5})=\frac{-1+3\sqrt{5}}{3}
y_3=u_1\omega^2+v_1\omega=\frac{1-\sqrt{15}i}{3}\frac{-1-\sqrt{3}i}{2}+\frac{1+\sqrt{15}i}{3}\frac{-1+\sqrt{3}i}{2}=\frac{1}{6}(-1-\sqrt{3}i+\sqrt{15}i-3\sqrt{5}-1+\sqrt{3}i-\sqrt{15}i-3\sqrt{5})=\frac{-1-3\sqrt{5}}{3}
x=y+\frac{4}{3} より,
x_1=y_1+\frac{4}{3}=\frac{2}{3}+\frac{4}{3}=2,
x_2=y_2+\frac{4}{3}=\frac{-1+3\sqrt{5}}{3}+\frac{4}{3}=1+\sqrt{5},
x_3=y_3+\frac{4}{3}=\frac{-1-3\sqrt{5}}{3}+\frac{4}{3}=1-\sqrt{5}