Marek Zakrzewski Wydział Matematyki Politechnika Wrocławska. Lekarstwo na kłopoty z Cardanem: Róbta co Vieta.

Podobne dokumenty
Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2, lato 2016/17

Wykłady z matematyki Liczby zespolone

Liczby zespolone. Magdalena Nowak. 23 marca Uniwersytet Śląski

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Równania wielomianowe

Rozdział 2. Liczby zespolone

Wielomiany podstawowe wiadomości

dr inż. Ryszard Rębowski 1 WPROWADZENIE

KURS LICZB ZESPOLONYCH

Rozdział 2. Liczby zespolone

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Wielomiany podstawowe wiadomości

W. Guzicki Próbna matura, grudzień 2014 r. poziom rozszerzony 1

( ) Arkusz I Zadanie 1. Wartość bezwzględna Rozwiąż równanie. Naszkicujmy wykresy funkcji f ( x) = x + 3 oraz g ( x) 2x

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

1. Liczby zespolone i

Matematyka A kolokwium: godz. 18:05 20:00, 24 maja 2017 r. rozwiązania. ) zachodzi równość: x (t) ( 1 + x(t) 2)

Zadania egzaminacyjne

Algebra abstrakcyjna

Aby przygotować się do kolokwiów oraz do egzaminów należy ponownie przeanalizować zadania

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

Matematyka A kolokwium 26 kwietnia 2017 r., godz. 18:05 20:00. i = = i. +i sin ) = 1024(cos 5π+i sin 5π) =

1. Wykład NWD, NWW i algorytm Euklidesa.

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Zadania o liczbach zespolonych

LICZBY ZESPOLONE. 1. Wiadomości ogólne. 2. Płaszczyzna zespolona. z nazywamy liczbę. z = a + bi (1) i = 1 lub i 2 = 1

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ zadania z odpowiedziami

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

Funkcje hiperboliczne

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

1 Całki funkcji wymiernych

Układy równań i równania wyższych rzędów

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

Indukcja matematyczna

n=0 (n + r)a n x n+r 1 (n + r)(n + r 1)a n x n+r 2. Wykorzystując te obliczenia otrzymujemy, że lewa strona równania (1) jest równa

Algebra z geometrią Lista 1 - Liczby zespolone

Funkcje analityczne. Wykład 2. Płaszczyzna zespolona. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Przykładowe zadania z teorii liczb

GAL 80 zadań z liczb zespolonych

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

Dwa równania kwadratowe z częścią całkowitą

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

MATURA Przygotowanie do matury z matematyki

Paweł Gładki. Algebra. pgladki/

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ

Rozwiązywanie zależności rekurencyjnych metodą równania charakterystycznego

Całka nieoznaczona, podstawowe wiadomości

1 Funkcje elementarne

Elementy logiki. Zdania proste i złożone

Liczby zespolone. P. F. Góra (w zastępstwie prof. K. Rościszewskiego) 27 lutego 2007

Praca domowa - seria 2


Wielomiany. dr Tadeusz Werbiński. Teoria

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

Przekształcenia całkowe. Wykład 1

Jak Arabowie rozwiązywali równania?

Rozwiązania zadań z kolokwium w dniu r. Zarządzanie Licencjackie, WDAM, grupy I i II

Liczby zespolone i ich zastosowanie do wyprowadzania tożsamości trygonometrycznych.

Całki nieoznaczone. 1 Własności. 2 Wzory podstawowe. Adam Gregosiewicz 27 maja a) Jeżeli F (x) = f(x), to f(x)dx = F (x) + C,

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

x 2 = a RÓWNANIA KWADRATOWE 1. Wprowadzenie do równań kwadratowych 2. Proste równania kwadratowe Równanie kwadratowe typu:

Uniwersyteckie Koło Matematyczne - Tajemnicza liczba e.

ELEKTROTECHNIKA Semestr 1 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: (3 + 2j)(5 2j),

Matematyka rozszerzona matura 2017

Wykorzystanie programów komputerowych do obliczeń matematycznych, cz. 2/2

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Zajmijmy się najpierw pierwszym równaniem. Zapiszmy je w postaci trygonometrycznej, podstawiając z = r(cos ϕ + i sin ϕ).

Metody numeryczne w przykładach

Logarytmy. Funkcje logarytmiczna i wykładnicza. Równania i nierówności wykładnicze i logarytmiczne.

FUNKCJA KWADRATOWA. 1. Definicje i przydatne wzory. lub trójmianem kwadratowym nazywamy funkcję postaci: f(x) = ax 2 + bx + c

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

Wykorzystanie programów komputerowych do obliczeń matematycznych, cz. 2/2

Geometria w R 3. Iloczyn skalarny wektorów

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Równania i nierówności trygonometryczne

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 9

Treści programowe. Matematyka 1. Efekty kształcenia. Literatura. Warunki zaliczenia. Ogólne własności funkcji. Definicja 1. Funkcje elementarne.

Pytania i polecenia podstawowe

Wstęp do analizy matematycznej

Egzamin podstawowy (wersja przykładowa), 2014

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA ZESTAW NR 2 POZIOM PODSTAWOWY. Etapy rozwiązania zadania

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

12.Rozwiązywanie równań i nierówności liniowych oraz ich układów.

Rozwiązania zadań z kolokwium w dniu r. Zarządzanie Inżynierskie, WDAM, grupy I i II

2. LICZBY RZECZYWISTE Własności liczb całkowitych Liczby rzeczywiste Procenty... 24

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Kryptografia - zastosowanie krzywych eliptycznych

Proponowane rozwiazania Matura 2013 MATEMATYKA Poziom podstawowy

Algebra WYKŁAD 3 ALGEBRA 1

Algebra liniowa II. Lista 1. 1 u w 0 1 v 0 0 1

1 + x 1 x 1 + x + 1 x. dla x 0.. Korzystając z otrzymanego wykresu wyznaczyć funkcję g(m) wyrażającą liczbę pierwiastków równania.

Matematyka dyskretna dla informatyków

Transkrypt:

Marek Zakrzewski Wydział Matematyki Politechnika Wrocławska Lekarstwo na kłopoty z Cardanem: Róbta co Vieta.

Rozwiązywanie równań sześciennych - wzory Cardana Każde równanie sześcienne można sprowadzić do postaci x 3 + px + q = 0. Zajmijmy się przykładowym równaniem tej postaci: x 3 + 6x = 20.

Zastosujmy podstawienie x = u v.

Stąd kolejno: x 3 + 6x = 20, (u v) 3 + 6(u v) = 20, [u 3 3u 2 v + 3uv 2 v 3 ] + 6(u v) = 20, [u 3 v 3 ] 3uv(u v) + 6(u v) = 20, [u 3 v 3 ] + 3(u v)( uv + 2) = 20.

Mamy zatem [u 3 v 3 ] + 3(u v)( uv + 2) = 20. Wybierzmy u, v tak, aby uv + 2 = 0.

Wówczas otrzymamy { u 3 v 3 = 20, uv = 2.

Stąd ( ) 2 3 u 3 = 20, u czyli u 6 20u 3 8 = 0.

Po podstawieniu t = u 3 mamy t 2 20t 8 = 0, skąd t = 10 ± 108.

Zatem u = 3 10 ± 108, 2 v = 3 10 ± 8 = 3 108 10 ± 108 = 3 10 108. x = u v = 3 10 ± 108 + 3 10 108.

Ogólnie, równanie x 3 + px + q = 0 ma pierwiastki q p x = 3 2 + 2 4 + q3 27 + q p 3 2 2 4 + q3 27. Wzór wymaga użycia liczb zespolonych, gdy tzn. p 2 4 + q3 27 < 0, 27p 2 + 4q 3 < 0.

WADA I Równanie x 3 = 15x + 4 ma pierwiastek 4. Rzeczywiście: x = 3 2 + 121+ 3 2 121 = (2+11 1)+(2 11 1) = 4 Zauważmy, że uzyskanie rzeczywistego pierwiastka wymagało użycia liczb zespolonych!

WADA II : Równanie x 3 + 3x 4 = 0 ma oczywisty pierwiastek (jedyny rzeczywisty). Jaki?

Korzystając ze wzorów Cardana pierwiastek równania otrzymamy w postaci x 3 + 3x 4 = 0 x = 3 2 + 5 + 3 2 5. Czy to jest 1?

Zauważmy, że 3 2 + 5 3 2 5 = 3 4 5 = 1. Niech wówczas t = 3 2 + 5, x = t 1 t.

gdzie Tak więc x = t 1/t, t = 3 2 + 5. Aby pokazać, że x = 1, wystarczy sprawdzić, że 3 2 + 5 jest pierwiastkiem równania t 1 t = 1, czyli t2 t 1 = 0. Pierwiastkami tego równania są t = 1 ± 5. 2

Wystarczy zatem sprawdzić, że czyli 3 2 + 5 = 1 + 5 2 ( ) 3 1 + 5 = 2 + 5., 2

WADA III Trzeba umieć wyciągać pierwiastki sześcienne. Jak to się robi? czyli Niech (x + yi) 3 = a + bi, x 3 + 3x 2 yi + 3xy 2 i 2 + y 3 i 3 = a + bi (x 3 3xy 2 ) + i(3x 2 y y 3 ) = a + bi

{ x 3 3xy 2 = a, 3x 2 y y 3 = b { x 3 a = 3xy 2, y(3x 2 y 2 ) = b { x 3 a = 3xy 2, y 2 (3x 2 y 2 ) 2 = b 2

y 2 = x3 a 3x, y 2 (3x 2 y 2 ) 2 = b 2 Po podstawieniu x 3 a 3x ( 3x 2 x3 a 3x Mnożąc przez (3x) 3 = 27x 3 otrzymamy ) 2 = b 2. (x 3 a)(8x 3 + a) 2 = 27x 3 b 2.

Podstawmy x 3 = t: (t a)(8t + a) 2 = 27b 2 t. Oczywiście jest to równanie trzeciego stopnia: 64t 3 (48a + 27b)t 2 15ta 2 a 3 = 0.

Wzory na pierwiastki równań trzeciego stopnia można otrzymać za pomocą wzorów de Moivre a, zazwyczaj tylko w postaci przybliżonej. Tak więc w praktyce wzory Cardano są nieprzydatne.

Spójrzmy na inne równanie sześcienne: 8x 3 6x = 1, czyli 4x 3 3x = 1 2.

Przypomnijmy wzór cos 3α = 4 cos 3 α 3 cos α Niech x = cos α. Wówczas równanie 4x 3 3x = 1/2 przyjmie postać 4 cos 3 α 3 cos α = 1 2, czyli cos 3α = cos 60.

Stąd 3α = 60 + k 360, k = 0, 1, 2, więc α = 20 + k 120, k = 0, 1, 2. α = 20, α = 140, α = 260, czyli x = cos 20 lub x = cos 140 lub x = 260.

Kiedy taka metoda zadziała? x 3 + px + q = 0, czyli x 3 + px = q. Musimy doprowadzić lewą stronę do postaci 4y 3 3y.

Niech x = ay. Wówczas mamy a 3 y 3 + pay = q, czyli Zatem chcemy, aby 4y 3 + 4pa a y = 4q 3 a 3 4p a 2 = 3, czyli a = 4p 3.

Podstawmy zatem do równania x 3 +px = q wyrażenie x = ay dla a jw. Otrzymamy 4y 3 3y = 4q 1 4p 3 3 = 4q ( ) 3 3 = 3q 3 4p p 4p. Prawa strona jest wartością cosinusa, o ile 27q 2 + 4p 3 0. Innymi słowy metoda Viety działa wówczas, gdy Cardano wymaga liczb zespolonych.

Nawet wówczas Vieta nie wymaga sięgnięcia do Cardana. Można skorzystać z cosinusa hiperbolicznego cosh x = ex + e x. 2

Ale jasne, iż także metoda Viety rzadko daje wynik dokładny. Zwróćmy uwagę, że obie metody, gdy chcemy uzyskać czytelne wyniki przybliżone, prowadzą do trygonometrii - w metodzie Viety jest to jawne, w metodzie Cardana gdy obliczamy pierwiastki za pomocą postaci trygonometrycznej.

W praktyce żadna z tych metod nie ma praktycznego znaczenia. Ale istnienie wzorów Cardana (i analogicznych wzorów dla równań czwartego stopnia) doprowadziło do odkrycia liczb zespolonych, o bardzo rozległych zastosowaniach i postawiło problem istnienia analogicznych wzorów dla równań wyższych stopni. Ten ostatni problem doprowadził do powstania teorii grup i teorii Galois. Piszę o tym w końcowej części mojej Algebry z geometrią, (p. niżej), ale jest to zawsze dość trudne.

ZADANIA 1. Pokaż, że każde równanie postaci x 3 + ax 2 + bx + c = 0 można sprowadzić do postaci x 3 + px + q = 0. 2. Znajdź przynajmniej jeden pierwiastek równania (x + 5)(x 1)(x 4) = 0 za pomocą (a raczej za utrudnieniem ) wzorów Cardana. Uwaga: Znalezienie wszystkich trzech wymaga nieco biegłości w operowaniu liczbami zespolonymi. 3. Wykaż, że równanie x 3 + px + q = 0 ma pierwiastek podwójny wtedy i tylko wtedy, gdy q 2 /4 + p 3 /27 = 0. Wywnioskuj stąd, że we wzorach Cardano pojawiają się pierwiastki z liczb ujemnych wtedy i tylko wtedy, gdy wszystkie trzy pierwiastki są rzeczywiste. 4. Rozwiąż równanie 32x 5 + 10x = 40x 3 + 1.

Ogłoszenie nadawcy czyli auto-reklama

Marek Zakrzewski MARKOWE WYKŁADY Z MATEMATYKI Prawdziwa matematyka dla (prawie) wszystkich

ANALIZA, dozw. od lat 17 MATEMATYKA DYSKRETNA, dozw. od lat 18 ALGEBRA Z GEOMETRIĄ, dozw. od lat 19 Ostrzeżenie: Matematyka dawkowana w niewłaściwych ilościach, bez konsultacji z odpowiedzialnym nauczycielem, może zaszkodzić zdrowiu, życiu, a nawet karierze.

Charakterystyczną cecha kursu jest nacisk na konkretne, ciekawe problemy, np.: - jak obliczyć objętość torusa czy kuli czterowymiarowej; - jak Euler odkrył równość 1 + 1 2 2 + 1 3 2 + 1 4 2 +... = π 2 6 ; - jak obliczyć wartość przybliżoną wartość π; - na ile części dzieli przestrzeń n płaszczyzn w położeniu ogólnym?

Marek Zakrzewski MARKOWE WYKŁADY Z MATEMATYKI Markowy produkt w cenie podróbki

Dziękuję za uwagę.