Уравнение четвертой степени - Quartic equation

В математика, а уравнение четвертой степени тот, который можно выразить как функция четвертой степени равняется нулю. Общий вид уравнения четвертой степени:

График полиномиальной функции степени 4 с ее 4 корни и 3 критические точки.

${\displaystyle ax^{4}+bx^{3}+cx^{2}+dx+e=0\,}$

куда а ≠ 0.

В квартика является полиномиальным уравнением высшего порядка, которое может быть решено с помощью радикалы в общем случае (т.е. такой, где коэффициенты могут принимать любые значения).

История

Лодовико Феррари приписывается открытию решения квартики в 1540 году, но поскольку это решение, как и все алгебраические решения квартики, требует решения кубический быть найденным, его нельзя было опубликовать немедленно.[1] Решение квартики было опубликовано вместе с решением кубической наставником Феррари. Джероламо Кардано в книге Арс Магна (1545).

Доказательство того, что это был общий многочлен высшего порядка, для которого могут быть найдены такие решения, было впервые дано в Теорема Абеля – Руффини в 1824 г., доказав, что все попытки решить полиномы более высокого порядка будут тщетными. Заметки, оставленные Эварист Галуа перед смертью на дуэли в 1832 году позже привел к элегантному полная теория корней многочленов, одним из результатов которых была эта теорема. ^[1]

Приложения

Полиномы высоких степеней часто встречаются в задачах, связанных с оптимизация, а иногда эти многочлены оказываются квартиками, но это совпадение.

Четвертины часто возникают в компьютерной графике и во время трассировка лучей против поверхностей, таких как квадрики или же тори поверхности, которые являются следующим уровнем за пределами сфера и складывающиеся поверхности.[2]

Другой частый генератор квартик - это пересечение двух эллипсов.

В автоматическое производство, то тор это обычная форма, связанная с концевая фреза резак. Чтобы вычислить его положение относительно триангулированной поверхности, положение горизонтального тора на оси Z должно быть найдено там, где он касается фиксированной линии, а это требует вычисления решения общего уравнения четвертой степени. Более 10% вычислительного времени в системе CAM может быть затрачено на простое вычисление решения миллионов уравнений четвертой степени.

Программа, демонстрирующая различные аналитические решения квартики, была предоставлена ​​в Графика Самоцветы Книга V.[3] Однако ни один из трех реализованных алгоритмов не является безусловно стабильным. В обновленной версии статьи[4], который сравнивает 3 алгоритма из исходной статьи и 2 других, демонстрируется, что вычислительно устойчивые решения существуют только для 4 из возможных 16 знаковых комбинаций коэффициентов четвертой степени.

Решение уравнения четвертой степени

Особые случаи

Рассмотрим уравнение четвертой степени, выраженное в виде ${\displaystyle a_{0}x^{4}+a_{1}x^{3}+a_{2}x^{2}+a_{3}x+a_{4}=0}$:

Вырожденный случай

Если а₄ (постоянный член) = 0, то один из корней равен Икс = 0, а остальные корни можно найти делением на Икс, и решая полученный кубическое уравнение,

${\displaystyle a_{0}x^{3}+a_{1}x^{2}+a_{2}x+a_{3}=0.\,}$

Очевидные корни: 1 и −1 и -k

Назовите наш многочлен четвертой степени Q(Икс). Поскольку 1 в любой степени равняется 1, ${\displaystyle Q(1)=a_{0}+a_{1}+a_{2}+a_{3}+a_{4}}$. Таким образом, если ${\displaystyle a_{0}+a_{1}+a_{2}+a_{3}+a_{4}=0}$, Q(1) = 0 и поэтому Икс = 1 является корнем Q(Икс). Аналогичным образом можно показать, что если ${\displaystyle a_{0}+a_{2}+a_{4}=a_{1}+a_{3}}$, Икс = −1 - корень.

В любом случае полную квартику можно разделить на коэффициент (Икс - 1) или (Икс + 1) соответственно давая новый кубический многочлен, который может быть решен, чтобы найти другие корни квартики.

Если ${\displaystyle a_{1}=a_{0}k}$ , ${\displaystyle a_{2}=0}$ и ${\displaystyle a_{4}=a_{3}k}$, тогда Икс = −k является корнем уравнения. Полная квартика может быть разложена на множители следующим образом:

${\displaystyle a_{0}x^{4}+a_{0}kx^{3}+a_{3}x+a_{3}k=a_{0}x^{3}(x+k)+a_{3}(x+k)=(a_{0}x^{3}+a_{3})(x+k).\,}$

Если ${\displaystyle a_{1}=a_{0}k}$ , ${\displaystyle a_{3}=a_{2}k}$ и ${\displaystyle a_{4}=0}$, Икс = 0 и Икс = −k два известных корня. Q(Икс) деленное на Икс(Икс + k) - квадратичный многочлен.

Биквадратные уравнения

Уравнение четвертой степени, где а₃ и а₁ равны 0, принимает вид

${\displaystyle a_{0}x^{4}+a_{2}x^{2}+a_{4}=0\,\!}$

и таким образом биквадратное уравнение, которую легко решить: пусть ${\displaystyle z=x^{2}}$, поэтому наше уравнение превращается в

${\displaystyle a_{0}z^{2}+a_{2}z+a_{4}=0\,\!}$

которое представляет собой простое квадратное уравнение, решения которого легко найти с помощью формулы корней квадратного уравнения:

${\displaystyle z={{-a_{2}\pm {\sqrt {a_{2}^{2}-4a_{0}a_{4}}}} \over {2a_{0}}}\,\!}$

Когда мы ее решили (т.е. нашли эти два z значения), мы можем извлечь Икс от них

${\displaystyle x_{1}=+{\sqrt {z_{+}}}\,\!}$

${\displaystyle x_{2}=-{\sqrt {z_{+}}}\,\!}$

${\displaystyle x_{3}=+{\sqrt {z_{-}}}\,\!}$

${\displaystyle x_{4}=-{\sqrt {z_{-}}}\,\!}$

Если любой из z решениями были отрицательные или комплексные числа, тогда некоторые из Икс решения - комплексные числа.

Квазисимметричные уравнения

${\displaystyle a_{0}x^{4}+a_{1}x^{3}+a_{2}x^{2}+a_{1}mx+a_{0}m^{2}=0\,}$

Шаги:

1) Разделить на Икс ².

2) Используйте изменение переменной z = Икс + м/Икс.

Общий случай в духе Феррари

Для начала нужно сначала преобразовать квартику в депрессивная квартика.

Преобразование в депрессивную квартику

Позволять

${\displaystyle Ax^{4}+Bx^{3}+Cx^{2}+Dx+E=0\qquad \qquad (1')}$

- общее уравнение квартики, которое требуется решить. Разделите обе стороны на А,

${\displaystyle x^{4}+{B \over A}x^{3}+{C \over A}x^{2}+{D \over A}x+{E \over A}=0.}$

Первым шагом должно быть устранение Икс³ срок. Для этого замените переменные из Икс к ты, так что

${\displaystyle x=u-{B \over 4A}.}$

потом

${\displaystyle \left(u-{B \over 4A}\right)^{4}+{B \over A}\left(u-{B \over 4A}\right)^{3}+{C \over A}\left(u-{B \over 4A}\right)^{2}+{D \over A}\left(u-{B \over 4A}\right)+{E \over A}=0.}$

Расширение возможностей биномов дает

${\displaystyle \left(u^{4}-{B \over A}u^{3}+{6u^{2}B^{2} \over 16A^{2}}-{4uB^{3} \over 64A^{3}}+{B^{4} \over 256A^{4}}\right)+{B \over A}\left(u^{3}-{3u^{2}B \over 4A}+{3uB^{2} \over 16A^{2}}-{B^{3} \over 64A^{3}}\right)+{C \over A}\left(u^{2}-{uB \over 2A}+{B^{2} \over 16A^{2}}\right)+{D \over A}\left(u-{B \over 4A}\right)+{E \over A}=0.}$

Собирая те же силы ты дает

${\displaystyle u^{4}+\left({-3B^{2} \over 8A^{2}}+{C \over A}\right)u^{2}+\left({B^{3} \over 8A^{3}}-{BC \over 2A^{2}}+{D \over A}\right)u+\left({-3B^{4} \over 256A^{4}}+{CB^{2} \over 16A^{3}}-{BD \over 4A^{2}}+{E \over A}\right)=0.}$

Теперь переименуйте коэффициенты при ты. Позволять

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha &={-3B^{2} \over 8A^{2}}+{C \over A},\\\beta &={B^{3} \over 8A^{3}}-{BC \over 2A^{2}}+{D \over A},\\\gamma &={-3B^{4} \over 256A^{4}}+{CB^{2} \over 16A^{3}}-{BD \over 4A^{2}}+{E \over A}.\end{aligned}}}$

В результате получается уравнение

${\displaystyle u^{4}+\alpha u^{2}+\beta u+\gamma =0\qquad \qquad (1)}$

который является депрессивное уравнение четвертой степени.

Если ${\displaystyle \beta =0\ }$ тогда у нас есть биквадратное уравнение, которая (как объяснено выше) легко решается; используя обратную подстановку, мы можем найти наши значения для ${\displaystyle x}$.

Если ${\displaystyle \gamma =0\ }$ тогда один из корней ${\displaystyle u=0\ }$ а другие корни можно найти, разделив на ${\displaystyle u}$, и решая полученный депрессивное кубическое уравнение,

${\displaystyle u^{3}+\alpha u+\beta =0\,.}$

Используя обратную замену, мы можем найти наши значения для ${\displaystyle x}$.

Решение Ferrari

В противном случае депрессивная квартика может быть решена с помощью метода, открытого Лодовико Феррари. После получения депрессивной квартики следующим шагом будет добавление действительного идентификатора

${\displaystyle (u^{2}+\alpha )^{2}-u^{4}-2\alpha u^{2}=\alpha ^{2}\,}$

уравнению (1), что дает

${\displaystyle (u^{2}+\alpha )^{2}+\beta u+\gamma =\alpha u^{2}+\alpha ^{2}.\qquad \qquad (2)}$

Эффект состоял в том, чтобы сложить ты⁴ срок в идеальный квадрат: (ты² + α)². Второй член αты² не исчез, но его знак изменился и он был перемещен в правую сторону.

Следующий шаг - вставить переменную у в полный квадрат в левой части уравнения (2), и соответствующие 2у в коэффициент ты² в правой части. Для выполнения этих вставок к уравнению (2) будут добавлены следующие действительные формулы:

${\displaystyle {\begin{aligned}(u^{2}+\alpha +y)^{2}-(u^{2}+\alpha )^{2}&=2y(u^{2}+\alpha )+y^{2}\ \ \\&=2yu^{2}+2y\alpha +y^{2},\end{aligned}}}$

и

${\displaystyle 0=(\alpha +2y)u^{2}-2yu^{2}-\alpha u^{2}\,}$

Эти две формулы, сложенные вместе, дают

${\displaystyle (u^{2}+\alpha +y)^{2}-(u^{2}+\alpha )^{2}=(\alpha +2y)u^{2}-\alpha u^{2}+2y\alpha +y^{2}\qquad \qquad (y{\hbox{-insertion}})\,}$

которое добавлено к уравнению (2) дает

${\displaystyle (u^{2}+\alpha +y)^{2}+\beta u+\gamma =(\alpha +2y)u^{2}+(2y\alpha +y^{2}+\alpha ^{2}).\,}$

Это эквивалентно

${\displaystyle (u^{2}+\alpha +y)^{2}=(\alpha +2y)u^{2}-\beta u+(y^{2}+2y\alpha +\alpha ^{2}-\gamma ).\qquad \qquad (3)\,}$

Теперь цель состоит в том, чтобы выбрать значение для у так что правая часть уравнения (3) становится полным квадратом. Это можно сделать, позволив дискриминанту квадратичной функции стать равным нулю. Чтобы объяснить это, сначала разверните полный квадрат так, чтобы он равнялся квадратичной функции:

${\displaystyle (su+t)^{2}=(s^{2})u^{2}+(2st)u+(t^{2}).\,}$

Квадратичная функция в правой части имеет три коэффициента. Можно проверить, что возведение второго коэффициента в квадрат с последующим четырехкратным вычитанием произведения первого и третьего коэффициентов дает ноль:

${\displaystyle (2st)^{2}-4(s^{2})(t^{2})=0.\,}$

Следовательно, чтобы преобразовать правую часть уравнения (3) в полный квадрат, необходимо решить следующее уравнение:

${\displaystyle (-\beta )^{2}-4(2y+\alpha )(y^{2}+2y\alpha +\alpha ^{2}-\gamma )=0.\,}$

Умножьте двучлен на многочлен,

${\displaystyle \beta ^{2}-4(2y^{3}+5\alpha y^{2}+(4\alpha ^{2}-2\gamma )y+(\alpha ^{3}-\alpha \gamma ))=0\,}$

Разделите обе части на −4 и переместите -β²/ 4 вправо,

${\displaystyle 2y^{3}+5\alpha y^{2}+(4\alpha ^{2}-2\gamma )y+\left(\alpha ^{3}-\alpha \gamma -{\beta ^{2} \over 4}\right)=0\qquad \qquad }$

Это кубическое уравнение за у. Разделите обе стороны на 2,

${\displaystyle y^{3}+{5 \over 2}\alpha y^{2}+(2\alpha ^{2}-\gamma )y+\left({\alpha ^{3} \over 2}-{\alpha \gamma \over 2}-{\beta ^{2} \over 8}\right)=0.\qquad \qquad (4)}$

Преобразование вложенной кубики в депрессивную.

Уравнение (4) - это кубическое уравнение, вложенное в уравнение четвертой степени. Это должно быть решено, чтобы решить квартику. Чтобы решить кубику, сначала преобразуйте ее в депрессивную кубику с помощью замены

${\displaystyle y=v-{5 \over 6}\alpha .}$

Уравнение (4) принимает вид

${\displaystyle \left(v-{5 \over 6}\alpha \right)^{3}+{5 \over 2}\alpha \left(v-{5 \over 6}\alpha \right)^{2}+(2\alpha ^{2}-\gamma )\left(v-{5 \over 6}\alpha \right)+\left({\alpha ^{3} \over 2}-{\alpha \gamma \over 2}-{\beta ^{2} \over 8}\right)=0.}$

Расширьте возможности биномов,

${\displaystyle \left(v^{3}-{5 \over 2}\alpha v^{2}+{25 \over 12}\alpha ^{2}v-{125 \over 216}\alpha ^{3}\right)+{5 \over 2}\alpha \left(v^{2}-{5 \over 3}\alpha v+{25 \over 36}\alpha ^{2}\right)+(2\alpha ^{2}-\gamma )\left(v-{5 \over 6}\alpha \right)+\left({\alpha ^{3} \over 2}-{\alpha \gamma \over 2}-{\beta ^{2} \over 8}\right)=0.}$

Распространяйте, собирайте как силы v, и отмените пару v² термины,

${\displaystyle v^{3}+\left(-{\alpha ^{2} \over 12}-\gamma \right)v+\left(-{\alpha ^{3} \over 108}+{\alpha \gamma \over 3}-{\beta ^{2} \over 8}\right)=0.}$

Это угнетенное кубическое уравнение.

Обозначьте его коэффициенты,

${\displaystyle P=-{\alpha ^{2} \over 12}-\gamma ,}$

${\displaystyle Q=-{\alpha ^{3} \over 108}+{\alpha \gamma \over 3}-{\beta ^{2} \over 8}.}$

Угнетенная кубическая теперь

${\displaystyle v^{3}+Pv+Q=0.\qquad \qquad (5)}$

Решение вложенной депрессивной кубики

Решения (подойдет любое решение, поэтому выберите любой из трех комплексных корней) уравнения (5) вычисляются как (см. Кубическое уравнение )

${\displaystyle y=-{5 \over 6}\alpha +U+V\qquad \qquad (6)}$

куда

${\displaystyle U={\sqrt[{3}]{-{Q \over 2}\pm {\sqrt {{Q^{2} \over 4}+{P^{3} \over 27}}}}}}$

и V вычисляется согласно двум определяющим уравнениям ${\displaystyle -U^{3}-V^{3}=Q}$ и ${\displaystyle -3UV=P}$, так

${\displaystyle V={\begin{cases}-{\frac {P}{3U}}&{\text{ if }}U\neq 0{\text{ and }}\\-{\sqrt[{3}]{Q}}&{\text{ if }}U=0\ .\end{cases}}}$

Складывание второго идеального квадрата

Со значением для у заданное уравнением (6), теперь известно, что правая часть уравнения (3) представляет собой полный квадрат вида

${\displaystyle (s^{2})u^{2}+(2st)u+(t^{2})=\left(\left({\sqrt {(s^{2})}}\right)u+{(2st) \over 2{\sqrt {(s^{2})}}}\right)^{2}}$

(Это верно для обоих знаков квадратного корня, если один и тот же знак используется для обоих квадратных корней. A ± является избыточным, так как он будет поглощен другим ± несколькими уравнениями ниже на этой странице.)

чтобы его можно было сложить:

${\displaystyle (\alpha +2y)u^{2}+(-\beta )u+(y^{2}+2y\alpha +\alpha ^{2}-\gamma )=\left(\left({\sqrt {(\alpha +2y)}}\right)u+{(-\beta ) \over 2{\sqrt {(\alpha +2y)}}}\right)^{2}.}$

Примечание: если β ≠ 0 тогда α + 2у ≠ 0. Если β = 0, то это будет биквадратное уравнение, которое мы решили ранее.

Следовательно, уравнение (3) принимает вид

${\displaystyle (u^{2}+\alpha +y)^{2}=\left(\left({\sqrt {\alpha +2y}}\right)u-{\beta \over 2{\sqrt {\alpha +2y}}}\right)^{2}.\qquad \qquad (7)}$

Уравнение (7) имеет пару свернутых полных квадратов, по одному с каждой стороны уравнения. Два идеальных квадрата уравновешивают друг друга.

Если два квадрата равны, тогда стороны двух квадратов также равны, как показано:

${\displaystyle (u^{2}+\alpha +y)=\pm \left(\left({\sqrt {\alpha +2y}}\right)u-{\beta \over 2{\sqrt {\alpha +2y}}}\right).\qquad \qquad (7')}$

Собирать как силы ты производит

${\displaystyle u^{2}+\left(\mp _{s}{\sqrt {\alpha +2y}}\right)u+\left(\alpha +y\pm _{s}{\beta \over 2{\sqrt {\alpha +2y}}}\right)=0.\qquad \qquad (8)}$

Примечание: нижний индекс s из ${\displaystyle \pm _{s}}$ и ${\displaystyle \mp _{s}}$ стоит отметить, что они зависимы.

Уравнение (8) представляет собой квадратное уровненеие за ты. Его решение

${\displaystyle u={\pm _{s}{\sqrt {\alpha +2y}}\pm _{t}{\sqrt {(\alpha +2y)-4(\alpha +y\pm _{s}{\beta \over 2{\sqrt {\alpha +2y}}})}} \over 2}.}$

Упрощая, получаем

${\displaystyle u={\pm _{s}{\sqrt {\alpha +2y}}\pm _{t}{\sqrt {-\left(3\alpha +2y\pm _{s}{2\beta \over {\sqrt {\alpha +2y}}}\right)}} \over 2}.}$

Это решение депрессивной квартики, поэтому решения исходного уравнения квартики равны

${\displaystyle x=-{B \over 4A}+{\pm _{s}{\sqrt {\alpha +2y}}\pm _{t}{\sqrt {-\left(3\alpha +2y\pm _{s}{2\beta \over {\sqrt {\alpha +2y}}}\right)}} \over 2}.\qquad \qquad (8')}$

Помните: два ${\displaystyle \pm _{s}}$ происходят из одного и того же места в уравнении (7 '), и оба должны иметь один и тот же знак, в то время как знак ${\displaystyle \pm _{t}}$ независим.

Краткое изложение метода Феррари

Учитывая уравнение четвертой степени

${\displaystyle Ax^{4}+Bx^{3}+Cx^{2}+Dx+E=0,\,}$

ее решение можно найти с помощью следующих расчетов:

${\displaystyle \alpha =-{3B^{2} \over 8A^{2}}+{C \over A},}$

${\displaystyle \beta ={B^{3} \over 8A^{3}}-{BC \over 2A^{2}}+{D \over A},}$

${\displaystyle \gamma =-{3B^{4} \over 256A^{4}}+{CB^{2} \over 16A^{3}}-{BD \over 4A^{2}}+{E \over A}.}$

Если ${\displaystyle \,\beta =0,}$ тогда

${\displaystyle x=-{B \over 4A}\pm _{s}{\sqrt {-\alpha \pm _{t}{\sqrt {\alpha ^{2}-4\gamma }} \over 2}}\qquad {\mbox{(for }}\beta =0{\mbox{ only)}}.}$

В противном случае продолжайте с

${\displaystyle P=-{\alpha ^{2} \over 12}-\gamma ,}$

${\displaystyle Q=-{\alpha ^{3} \over 108}+{\alpha \gamma \over 3}-{\beta ^{2} \over 8},}$

${\displaystyle R=-{Q \over 2}\pm {\sqrt {{Q^{2} \over 4}+{P^{3} \over 27}}},}$

(подойдет любой знак квадратного корня)

${\displaystyle U={\sqrt[{3}]{R}},}$

(есть 3 сложных корня, подойдет любой из них)

${\displaystyle y=-{5 \over 6}\alpha +{\begin{cases}U=0&\to -{\sqrt[{3}]{Q}}\\U\neq 0,&\to U-{P \over 3U},\end{cases}}\quad \quad \quad }$

${\displaystyle W={\sqrt {\alpha +2y}}}$

${\displaystyle x=-{B \over 4A}+{\pm _{s}W\pm _{t}{\sqrt {-\left(3\alpha +2y\pm _{s}{2\beta \over W}\right)}} \over 2}.}$

Два ±_s должен иметь тот же знак, ±_т независим. Чтобы получить все корни, вычислите Икс для ±_s,±_т = +, + и для +, - и для -, + и для -, -. Эта формула без проблем обрабатывает повторяющиеся корни.

Феррари был первым, кто обнаружил один из таких лабиринт решения^{[нужна цитата ]}. Уравнение, которое он решил, было

${\displaystyle x^{4}+6x^{2}-60x+36=0}$

который уже был в подавленном состоянии.У него есть пара решений, которые можно найти с помощью набора формул, показанного выше.

Решение Феррари в частном случае действительных коэффициентов

Если коэффициенты уравнения четвертой степени действительны, тогда вложенное депрессивное кубическое уравнение (5) также имеет действительные коэффициенты, таким образом, оно имеет по крайней мере один действительный корень.

Кроме того, кубическая функция

${\displaystyle C(v)=v^{3}+Pv+Q,}$

где P и Q задаются формулой (5), обладает такими свойствами, что

${\displaystyle C\left({\alpha \over 3}\right)={-\beta ^{2} \over 8}<0\ }$ и

${\displaystyle \lim _{v\to \infty }C(v)=\infty ,}$где α и β определены формулами (1).

Это означает, что (5) имеет действительный корень больше, чем ${\displaystyle \alpha \over 3}$, а значит, (4) имеет действительный корень больше, чем ${\displaystyle -\alpha \over 2}$.

Используя этот корень, термин ${\displaystyle {\sqrt {\alpha +2y}}}$ в (8) всегда действительна, что гарантирует, что два квадратных уравнения (8) имеют действительные коэффициенты^[2].

Получение альтернативных решений трудным путем

Может случиться так, что с помощью семи приведенных выше формул было получено только одно решение, потому что не все четыре шаблона знаков пробуются для четырех решений, и полученное решение сложный. Также может быть, что кто-то ищет только реальное решение. Позволять Икс₁ обозначают комплексное решение. Если все исходные коэффициенты А, B, C, D и E реальны - что должно быть в том случае, если кто-то хочет только реальных решений - тогда есть другое сложное решение Икс₂ какой комплексно сопряженный из Икс₁. Если два других корня обозначить как Икс₃ и Икс₄ то уравнение четвертой степени может быть выражено как

${\displaystyle (x-x_{1})(x-x_{2})(x-x_{3})(x-x_{4})=0,\,}$

но это уравнение четвертой степени эквивалентно произведению двух квадратных уравнений:

${\displaystyle (x-x_{1})(x-x_{2})=0\qquad \qquad (9)}$

и

${\displaystyle (x-x_{3})(x-x_{4})=0.\qquad \qquad (10)}$

С

${\displaystyle x_{2}=x_{1}^{\star }}$

тогда

${\displaystyle {\begin{aligned}(x-x_{1})(x-x_{2})&=x^{2}-(x_{1}+x_{1}^{\star })x+x_{1}x_{1}^{\star }\\&=x^{2}-2\operatorname {Re} (x_{1})x+[\operatorname {Re} (x_{1})]^{2}+[\operatorname {Im} (x_{1})]^{2}.\end{aligned}}}$

Позволять

${\displaystyle a=-2\operatorname {Re} (x_{1}),}$

${\displaystyle b=\left[\operatorname {Re} (x_{1})\right]^{2}+\left[\operatorname {Im} (x_{1})\right]^{2}}$

так что уравнение (9) принимает вид

${\displaystyle x^{2}+ax+b=0.\qquad \qquad (11)}$

Также пусть будут (неизвестные) переменные ш и v такое, что уравнение (10) принимает вид

${\displaystyle x^{2}+wx+v=0.\qquad \qquad (12)}$

Умножение уравнений (11) и (12) дает

${\displaystyle x^{4}+(a+w)x^{3}+(b+wa+v)x^{2}+(wb+va)x+vb=0.\qquad \qquad (13)}$

Сравнивая уравнение (13) с исходным уравнением квартики, можно увидеть, что

${\displaystyle a+w={B \over A},}$

${\displaystyle b+wa+v={C \over A},}$

${\displaystyle wb+va={D \over A},}$

и

${\displaystyle vb={E \over A}.}$

Следовательно

${\displaystyle w={B \over A}-a={B \over A}+2\operatorname {Re} (x_{1}),}$

${\displaystyle v={E \over Ab}={E \over A\left([\operatorname {Re} (x_{1})]^{2}+[\operatorname {Im} (x_{1})]^{2}\right)}.}$

Уравнение (12) можно решить относительно Икс уступающий

${\displaystyle x_{3}={-w+{\sqrt {w^{2}-4v}} \over 2},}$

${\displaystyle x_{4}={-w-{\sqrt {w^{2}-4v}} \over 2}.}$

Одно из этих двух решений должно быть желаемым реальным решением.

Альтернативные методы

Быстрое и запоминающееся решение из первых принципов

Большинство хрестоматийных решений уравнения четвертой степени требуют волшебной подстановки, которую почти невозможно запомнить. Вот способ подойти к нему, чтобы его было легко понять.

Работа будет выполнена, если мы сможем разложить уравнение четвертой степени на произведение двух квадратики. Позволять

${\displaystyle {\begin{aligned}0=x^{4}+bx^{3}+cx^{2}+dx+e&=(x^{2}+px+q)(x^{2}+rx+s)\\&=x^{4}+(p+r)x^{3}+(q+s+pr)x^{2}+(ps+qr)x+qs\end{aligned}}}$

Приравнивая коэффициенты, получается следующая система одновременных уравнений:

${\displaystyle {\begin{aligned}b&=p+r\\c&=q+s+pr\\d&=ps+qr\\e&=qs\end{aligned}}}$

Это решить сложнее, чем кажется, но если мы начнем снова с депрессивная квартика куда ${\displaystyle b=0}$, который можно получить, подставив ${\displaystyle (x-b/4)}$ за ${\displaystyle x}$, тогда ${\displaystyle r=-p}$, и:

${\displaystyle {\begin{aligned}c+p^{2}&=s+q\\d/p&=s-q\\e&=sq\end{aligned}}}$

Теперь легко устранить оба ${\displaystyle s}$ и ${\displaystyle q}$ сделав следующее:

${\displaystyle {\begin{aligned}(c+p^{2})^{2}-(d/p)^{2}&=(s+q)^{2}-(s-q)^{2}\\&=4sq\\&=4e\end{aligned}}}$

Если мы установим ${\displaystyle P=p^{2}}$, то это уравнение превращается в кубическое уравнение:

${\displaystyle P^{3}+2cP^{2}+(c^{2}-4e)P-d^{2}=0\,}$

который решается в другом месте. Как только у вас есть ${\displaystyle p}$, тогда:

${\displaystyle {\begin{aligned}r&=-p\\2s&=c+p^{2}+d/p\\2q&=c+p^{2}-d/p\end{aligned}}}$

Симметрии в этом решении легко увидеть. У кубики есть три корня, соответствующие трем способам разложения квартики на две квадратичные, и выбор положительных или отрицательных значений ${\displaystyle p}$ для квадратного корня из ${\displaystyle P}$ просто меняет местами две квадраты друг с другом.

Теория Галуа и факторизация

В симметричная группа S₄ по четырем элементам Кляйн четыре группы как нормальная подгруппа. Это предполагает использование резольвенты, корни которой можно по-разному описать как дискретное преобразование Фурье или Матрица Адамара преобразование корней. р_я за я от 0 до 3 являются корнями

${\displaystyle x^{4}+bx^{3}+cx^{2}+dx+e=0\qquad (1)}$

Если теперь установить

${\displaystyle {\begin{aligned}s_{0}&={\tfrac {1}{2}}(r_{0}+r_{1}+r_{2}+r_{3}),\\s_{1}&={\tfrac {1}{2}}(r_{0}-r_{1}+r_{2}-r_{3}),\\s_{2}&={\tfrac {1}{2}}(r_{0}+r_{1}-r_{2}-r_{3}),\\s_{3}&={\tfrac {1}{2}}(r_{0}-r_{1}-r_{2}+r_{3}),\end{aligned}}}$

тогда, поскольку преобразование является инволюция, мы можем выразить корни через четыре s_я точно так же. Поскольку мы знаем значение s₀ = -b / 2, нам нужны только значения для s₁, с₂ и s₃. Их можно найти, разложив полином

${\displaystyle (z^{2}-s_{1}^{2})(z^{2}-s_{2}^{2})(z^{2}-s_{3}^{2})\qquad (2)}$

что, если мы сделаем упрощающее предположение, что б = 0, равно

${\displaystyle z^{6}+2cz^{4}+(c^{2}-4e)z^{2}-d^{2}\qquad (3)}$

Этот многочлен шестой степени, но только третьей степени по z², а значит, соответствующее уравнение разрешимо. Опытным путем мы можем определить, какие три корня являются правильными, и, следовательно, найти решения квартики.

Мы можем удалить любое требование для испытания, используя для факторизации корень того же резольвентного полинома; если w - любой корень из (3), и если

${\displaystyle F_{1}=x^{2}+wx+{\frac {1}{2}}w^{2}+{\frac {1}{2}}c-{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {c^{2}w}{d}}-{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {w^{5}}{d}}-{\frac {cw^{3}}{d}}+2{\frac {ew}{d}}}$

${\displaystyle F_{2}=x^{2}-wx+{\frac {1}{2}}w^{2}+{\frac {1}{2}}c+{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {w^{5}}{d}}+{\frac {cw^{3}}{d}}-2{\frac {ew}{d}}+{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {c^{2}w}{d}}}$

тогда

${\displaystyle F_{1}F_{2}=x^{4}+cx^{2}+dx+e\qquad \qquad (4)}$

Поэтому мы можем решить квартику, решив относительно w, а затем решив корни двух множителей, используя формулу корней квадратного уравнения.

Смотрите также

• Линейное уравнение
• Квадратное уровненеие
• Кубическое уравнение
• Квинтическое уравнение
• Полиномиальный
• Метод Ньютона

Рекомендации

• Достижение Феррари
• Формула четвертой степени как четыре отдельных уравнения

Примечания

1. Стюарт, Ян, Теория Галуа, третье издание (Chapman & Hall / CRC Mathematics, 2004)
2. Карстенсен, Йенс, Komplekse tal, Первое издание, (Systime 1981), ISBN  87-87454-71-8. (на датском)

внешняя ссылка

• Калькулятор для решения Quartics (также решает Cubics и Quadratics)