요약
이 수업에서는 복소수 범위에서 다항방정식을 다룬다. 증명 없이 받아들이는 대수학의 기본 정리로부터, 차수가 인 모든 다항식이 개의 일차인수의 곱이고 중복도를 고려하여 정확히 개의 근을 가진다는 것을 귀납법으로 이끌어 낸다. 임의의 차수에 대하여 근과 계수의 관계를 증명하고, 근의 제곱의 합과 세제곱의 합의 공식을 증명한다. 이항방정식, 삼항방정식, 상반방정식을 차수가 더 낮은 방정식으로 바꾸어 푼다. 이어서 삼차방정식을 이차항이 없는 꼴로 바꾸고, 카르다노 공식을 유도하며, 판별식으로 근을 분류하고, 모든 근이 실수일 때에도 이 공식이 왜 복소수를 받아들이게 했는지를 봄벨리의 방정식으로 보이며, 그 경우를 삼배각 공식으로 푼다. 마지막으로 사차방정식을 삼차항이 없는 꼴로 바꾸고, 삼차 분해방정식의 한 근을 이용하여 이를 두 이차방정식으로 분해하는 페라리의 방법을 증명하며, 오차부터는 비슷한 공식이 존재하지 않는 이유를 설명한다.
학습 목표
- 대수학의 기본 정리로부터 모든 복소계수 다항식이 일차인수의 곱으로 인수분해됨을 이끌어 내고, 근과 계수의 관계와 거듭제곱의 합으로 근과 계수를 연결한다.
- 이항방정식, 삼항방정식, 상반방정식을 차수가 더 낮은 방정식으로 바꾸어 푼다.
- 삼차방정식을 이차항이 없는 꼴로 바꾸고, 카르다노 공식을 유도하며, 실계수 삼차방정식의 근을 판별식의 부호에 따라 분류한다.
- 세 실근을 가지는 삼차방정식을 삼각함수를 이용한 해법으로 풀고, 봄벨리의 예로 복소수를 받아들이는 과정에서 카르다노 공식이 한 역사적 역할을 설명한다.
- 사차방정식을 페라리의 방법으로 푼다. 삼차항이 없는 꼴로 바꾼 뒤 삼차 분해방정식의 한 근을 이용하여 인수분해한다.
복소수에서의 대수학의 기본 정리
강좌 대수학과 기하학 I의 고차 다항식의 근에 관한 수업에서는 대수학의 기본 정리를 진술하고, 차수가 인 모든 복소 다항식이 개의 일차인수의 곱이라는 그 결과를 개략적으로 보였으며, 이로부터 모든 실계수 다항식이 일차인수와 기약 이차인수의 곱임을 이끌어 냈다. 여기서는 복소수에서의 그 인수분해에 대한 완전한 증명을 귀납법으로 제시한다. 이 수업은 복소수의 관점을 택한다. 계수와 근은 복소수일 수 있으며, 질문은 방정식이 해를 가지느냐가 아니라 그 모든 해를 어떻게 구하느냐가 된다. 차수가 인 복소계수 다항식은 식 꼴의 표현이며, 여기서 값은 복소수이고 식이 성립한다. 복소수 값은 식의 근이라 하는데, 이는 식이 성립할 때이다.
강좌 I의 다항식의 대수에 관한 수업에서 한 다항식의 나눗셈 정리, 나머지정리, 인수정리의 증명은 계수의 덧셈, 곱셈, 나눗셈의 성질만 사용하며, 집합은 집합과 이 성질들을 공유한다. 이는 복소수에 관한 수업에서 본 바와 같다. 따라서 이 증명들은 복소계수 다항식에 대해서도 그대로 성립하며, 같은 수업의 서로 다른 근에 관한 보조정리와 항등식의 성질(모든 복소수에서 같은 값을 갖는 두 다항식은 계수가 같다), 그리고 고차 다항식의 근에 관한 수업의 근의 중복도의 정의도 마찬가지이다. 집합을 구별 짓는 것은 아래의 정리이다.
증명 없이 받아들이는 사실 (대수학의 기본 정리). 차수가 인 복소계수 다항식은 모두 적어도 하나의 복소수 근을 가진다.
강좌 I의 다항식의 근에 관한 수업에서처럼, 이 정리는 증명 없이 받아들인다. 알려진 모든 증명이 두 실변수 함수의 연속성이나 복소변수 함수의 연구처럼 이 강좌를 넘어서는 도구를 사용하기 때문이다. 카를 프리드리히 가우스는 달랑베르와 오일러의 시도에 이어 1799년에 최초의 거의 완전한 증명을 제시했다. 그 주된 결과는 다항방정식이 집합의 확장을 강요하지 않는다는 것이다. 이는 식이 집합의 확장을, 식이 집합의 확장을 강요했던 것과 다르다. 모든 복소 다항식은 집합에서 완전히 분해된다.
모든 다항식 식(차수 , 복소계수, 최고차항의 계수 )은 아래 식처럼 값과 개의 일차인수의 곱이다. 여기서 값은 반드시 서로 다를 필요는 없는 복소수이다. 식의 근은 정확히 수 값들이며, 각 근은 그 중복도가 나타내는 횟수만큼 목록에 나타난다. 따라서 식은 중복도를 고려하여 정확히 개의 복소수 근을 가진다.
증명은 강좌 I의 합, 수열, 귀납법에 관한 수업에서처럼 차수에 대한 귀납법으로 진행한다. 그림은 복소평면에서 다항식 식으로 증명을 따라가며, 그 근은 값(이중근), , , 값이다.
증명
기초 경우: 차수가 인 다항식은 그 최고차항의 계수와 단 하나의 일차인수의 곱이며, 그 인수의 근은 값이다.
차수가 인 다항식에 대하여 정리가 참이라고 가정하고, 식을 차수가 인 다항식이라 하자. 대수학의 기본 정리에 의해 식은 근 값을 가진다. 인수정리에 의해 식은 식과 몫 식(차수 )의 곱이며, 그 최고차항의 계수는 식의 것과 같다. 이는 최고차항을 비교하면 알 수 있다. 예에서는 식이 성립하고, 조립제법으로 식의 몫을 얻는다.
귀납 가정에 의해 식은 그 최고차항의 계수 값과 개의 일차인수의 곱이다. 대입하면 식이 원하는 꼴로 쓰인다. 수학적 귀납법의 원리에 의해 모든 차수 값에 대하여 인수분해가 존재한다.
복소수의 곱은 인수 중 어느 하나가 영일 때에만 영이 되며, 식이 성립한다. 따라서 수 값이 식의 근일 필요충분조건은 그것이 어떤 값과 같은 것이다. 목록의 근 외에 다른 근은 없다.
같은 인수를 모은다. 값이 서로 다른 근이고 값이 번 나타난다고 하면, 식을 식으로 나눈 몫은 값에서 영이 되지 않는다. 영이 아닌 인수들의 곱이기 때문이다. 따라서 값은 값의 중복도이며, 다른 근들도 마찬가지이다. 중복도의 합은 값이며, 예에서는 식이 성립한다.
강좌 I의 다항식의 근에 관한 수업에 따르면 각 근의 중복도는 잘 정의되므로, 목록 값은 순서를 제외하면 식에 의해 정해진다. 인수분해는 유일하다. 이제부터 차수가 인 다항식의 근이라 하면 중복도가 나타내는 반복을 포함한 이 개의 수의 목록을 가리킨다. 계수가 실수이면, 복소수에 관한 수업의 켤레근 정리에 의해 실수가 아닌 근은 켤레 쌍으로 나타난다. 각 쌍의 두 인수를 곱하면 실계수 이차인수를 얻고, 이렇게 하여 다항식의 근에 관한 수업의 실수 범위에서의 인수분해를 다시 얻는다.
콘텐츠를 불러오는 중…