要約
この課では、複素数の範囲における多項式方程式を学ぶ。証明なしに認める代数学の基本定理から、次数 のすべての多項式が 個の 1 次因数の積であり、重複度を込めて数えてちょうど 個の根をもつことを帰納法で導く。任意の次数について解と係数の関係を証明し、根の 2 乗の和と 3 乗の和の公式を証明する。二項方程式、三項方程式、相反方程式を、より次数の低い方程式に帰着させて解く。続いて、3 次方程式を 2 次の項のない形に帰着させ、カルダノの公式を導き、判別式によって根を分類し、すべての根が実数であってもこの公式が複素数を受け入れることを迫った理由をボンベリの方程式で示し、その場合を三倍角の公式で解く。最後に、4 次方程式を 3 次の項のない形に帰着させ、3 次分解方程式の一つの根を用いてそれを二つの 2 次方程式に分解するフェラーリの方法を証明し、5 次以上では同様の公式が存在しない理由を説明する。
学習目標
- 代数学の基本定理から、すべての複素係数多項式が 1 次因数の積に分解されることを導き、解と係数の関係と累乗和によって根と係数を結びつける。
- 二項方程式、三項方程式、相反方程式を、より次数の低い方程式に帰着させて解く。
- 3 次方程式を 2 次の項のない形に帰着させ、カルダノの公式を導き、実数係数の 3 次方程式の根をその判別式の符号によって分類する。
- 三つの実根をもつ 3 次方程式を三角関数による解法で解き、ボンベリの例によって、複素数が受け入れられる過程でカルダノの公式が果たした歴史的役割を説明する。
- 4 次方程式をフェラーリの方法で解く。3 次の項のない形に帰着させ、3 次分解方程式の一つの根を用いて因数分解する。
複素数における代数学の基本定理
コース 代数と幾何 I の高次多項式の根の課では、代数学の基本定理を述べ、その帰結として次数 のすべての複素多項式が 個の 1 次因数の積であることを概説し、そこからすべての実数係数多項式が 1 次因数と既約な 2 次因数の積であることを導いた。ここでは、複素数におけるその因数分解の完全な証明を帰納法によって与える。この課は複素数の立場をとる。係数も根も複素数でよく、問いは方程式が解をもつかどうかではなく、そのすべての解をどう求めるかになる。次数 の複素係数多項式とは式 のことであり、 は複素数で、 である。複素数 が の根であるとは、 となることである。
コース I の多項式の代数の課で与えた除法の原理、剰余の定理、因数定理の証明は、係数の和、積、商の性質しか用いておらず、 は とそれらの性質を共有する。これは複素数の課で見たとおりである。したがって、それらの証明は複素係数の多項式に対してもそのまま成り立つ。同じ課の異なる根の補題と恒等式の性質(すべての複素数で同じ値をとる二つの多項式は同じ係数をもつ)、および高次多項式の根の課の根の重複度の定義についても同様である。 を特徴づけるのは次の定理である。
証明なしに認める事実(代数学の基本定理)。次数 の複素係数多項式は、少なくとも一つの複素数の根をもつ。
コース I の多項式の根の課と同じく、この定理は証明なしに認める。知られている証明はどれも、二つの実変数の関数の連続性や複素変数の関数の研究など、このコースを超える道具を用いるからである。カール・フリードリヒ・ガウスは、ダランベールとオイラーの試みの後、1799 年に最初のほぼ完全な証明を与えた。その主な帰結は、多項式方程式が の拡張を迫らないということである。これは、 が の拡張を、 が の拡張を迫ったのとは違う。すべての複素多項式は において完全に分解する。
多項式 (次数 、複素係数、最高次の係数 )はすべて、次の式のように、 と 個の 1 次因数の積である。ここで は必ずしも相異ならない複素数である。 の根はちょうど数 であり、それぞれはその重複度が示す回数だけリストに現れる。したがって、 は重複度を込めてちょうど 個の複素数の根をもつ。
証明は、コース I の総和・数列・帰納法の課と同じく、次数についての帰納法で進める。図は複素平面上で多項式 を用いて証明を追う。その根は (2 重根)、、、 である。
証明
初段:次数 の多項式は、その最高次の係数とただ一つの 1 次因数の積であり、その因数の根は である。
次数 の多項式について定理が正しいと仮定し、 を次数 の多項式とする。代数学の基本定理により、 は根 をもつ。因数定理により、 は と商 (次数 )の積であり、その最高次の係数は のものと同じである。これは最高次の項を比べればわかる。例では であり、組立除法で式の商が得られる。
帰納法の仮定により、 はその最高次の係数 と 個の 1 次因数の積である。代入すると、 は求める形に書ける。数学的帰納法の原理により、すべての次数 について因数分解が存在する。
複素数の積は、いずれかの因数が 0 のときにしか 0 にならず、 である。したがって、数 が の根であるのは、それがいずれかの と一致するとき、かつそのときに限る。リストにある根のほかに根はない。
等しい因数をまとめる。 を相異なる根とし、 が 回現れるとすると、 を で割った商は で 0 にならない。0 でない因数の積だからである。よって は の重複度であり、ほかの根についても同様である。重複度の和は であり、例では である。
コース I の多項式の根の課によれば各根の重複度はきちんと定まるので、リスト は順序を除いて によって決まる。因数分解は一意的である。以後、次数 の多項式の根とは、重複度の示す繰り返しを含めた、この 個の数のリストを指す。係数が実数ならば、複素数の課の共役な根の定理により、実数でない根は共役な対になって現れる。各対の二つの因数を掛けると実数係数の 2 次因数が得られ、こうして多項式の根の課の実数の範囲での因数分解が再び得られる。
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