Математические байки – Telegram
Математические байки
4.3K subscribers
1.44K photos
15 videos
27 files
914 links
Рассказы про разную математику.

Архив: http://dev.mccme.ru/~merzon/mirror/mathtabletalks/
Download Telegram
И откуда взялось это "ен", я не знаю.
Так вот. Пусть у нас есть уравнение P(x)=0 какой-то степени k. И многочлен y=Q(x) меньшей степени.
Тогда можно взять корни x_1,...,x_k многочлена P, и построить новый многочлен R(y) с корнями y_1,...,y_k, получающимися как y_j=Q(x_j).
И может быть, новое уравнение R(y)=0 будет проще старого, а тогда, найдя y_j, мы придём к задаче решения уравнений меньшей степени Q(x)=y_j.

Например, так решается квадратное уравнение
x^2+px+q=0:
мы делаем замену y=x+p/2, после чего приходим к более простому уравнению
y^2-(p^2/4 - q)=0,
которое и решаем извлечением квадратного корня — после чего возвращаемся к исходной переменной.
Для кубического уравнения линейной заменой можно убить только коэффициент при x^2. Но что, если мы рассмотрим многочлены Q и второй степени тоже?

Оказывается, тогда можно обнулить и коэффициент при x. И получится уравнение y^3+c=0, которое решается простым извлечением кубического корня!
И сделать это достаточно просто. Действительно, коэффициенты многочлена с корнями в y_i находятся по теореме Виета. Соответственно, нам нужно, чтобы сумма, и сумма попарных произведений y_i равнялась бы нулю.
А это то же самое, что попросить, чтобы сумма y_i и сумма квадратов y_i равнялась бы нулю.
Уравнение на сумму — линейное уравнение на коэффициенты, на сумму квадратов — квадратное.
Уравнение на сумму — линейное уравнение на коэффициенты, на сумму квадратов — квадратное.
И ещё остаётся одна "неважная" степень свободы: можно все y_i одновременно умножить на константу. Чтобы её убрать, проще всего зафиксировать у многочлена Q какой-нибудь один коэффициент — проще всего сказать, что мы будем искать многочлен y=Q(x) в виде Q(x)=x+b_0+b_2 x^2.
И тогда условие на сумму позволяет линейно выразить b_0 через b_2, а условие на сумму квадратов становится квадратным уравнением на оставшийся неизвестный коэффициент.
Решив его — мы сводим исходное уравнение к уравнению вида y^3+c=0, решаем его, и затем "возвращаемся обратно", решая квадратные уравнения Q(x_i)=y_i.
===
Если попытаться решить уравнение 4-й степени тем же преобразованием "в лоб", то получится система из линейного уравнения (сумма y_i нулевая), квадратного (сумма квадратов y_i), и кубического (сумма кубов). И если всё выражать "в лоб", то будет уравнение 1*2*3=6-й степени на коэффициенты преобразования. Свести уравнение 4-й степени к уравнению 6-й не выглядит победой...
Но можно сделать так — прибить только коэффициенты при y и при y^3. И нахождение такого Q будет только кубическим уравнением, которое мы уже научились решать.
Собственно, раз у нас только два уравнения — хватит даже квадратного многочлена Q,
y=Q(x)= x+ b_0+ b_2 x^2.
Тогда линейное условие позволяет выразить b_0 через b_2, а условие на сумму произведений y_i по три (увы, тут упрощения уже нет, и придётся повозиться) — становится кубическим уравнением на оставшуюся переменную.
После такого преобразования, раз мы прибили коэффициенты при y и при y^3 — остаётся биквадратное уравнение!
А его уже можно решить — ну и дальше вернуться обратно.
===
Для уравнения 5-й степени ничего такого, естественно, не проходит: обнуление коэффициентов при y^4, y^3,..., y^1 это уже уравнения 1, 2, 3, 4 степени соответственно — и в итоге получается уравнение 24-й степени, которое никак не решить.
Но можно привести уравнение к виду y^5+ay+1=0.

Действительно: когда мы задаём y=Q(x)=b_4 x^4 + ... + b_1 x + b_0, то у нас пять неизвестных коэффициентов; их можно все одновременно умножать на константу, так что пока зафиксируем, например, b_1=1.
Условие обнуления суммы y_i — линейное условие на коэффициенты. Поэтому остаётся 3 неизвестных коэффициента.
Остаётся обнулить сумму квадратов и сумму кубов. Если идти "в лоб", то получится уравнение 6-й степени, с которым не очень-то поработаешь. Но!
Условие обнуления суммы квадратов y_i — это квадратичное условие, и мы получаем квадратичную поверхность в пространстве (из трёх ещё неизвестных коэффициентов). Как раз такую, какую мы обсуждали в контексте Шуховской башни.
Так давайте на этой поверхности найдём (комплексную, если надо) прямую, хотя бы одну!
И вместо того, чтобы с корнями выражать коэффициенты — просто ограничимся на неё, заплатив потерей степени свободы за отсутствие корней из неизвестных.
Тогда на этой прямой останется только кубическое уравнение на обнуление суммы кубов y_i — которое мы уже умеем решать.
Так что любое уравнение 5 степени можно свести к уравнению вида
y^5+a y + 1=0
(потому что свободный член можно всегда загнать в 1 изменением масштаба).
Да, ссылка —
В. В. Прасолов, "Многочлены" (файл книги есть тут —
https://www.mccme.ru/prasolov/ — в списке под номером 11), с. 187.
Ну и — можно говорить, что функция y(a) одной переменной "корень уравнения
y^5+ay+1=0
с параметром a" ничем не хуже кучи остальных функций одной переменной (будь то хоть корень, хоть синус, хоть тангенс), кроме того, что она нам в школе не встречалась.
И это (а, точнее, аналогичные рассуждения с функциями двух переменных) были мотивировкой 13-й проблемы Гильберта — с совершенно удивительным ответом.
Но про это я напишу чуть позже, а пока я собираюсь вернуться к простой геометрии.
А именно ("в следующей серии") — к вопросу о том, сколько прямых пересекают заданную четвёрку скрещивающихся прямых в трёхмерном пространстве. Оказывается, на этот вопрос можно, естественно, смотреть геометрически — а можно с точки зрения линейной алгебры, где, удивительным образом, возникают собственные вектора. Но это тоже будет в следующей серии — а на сегодня, кажется, настало время прекратить дозволенные речи.