質問<31>
「「三次方程式の解の公式」」
日付 98/8/7
質問者 坂田


三次方程式 x^3+mx+n=0の一般解を教えてください。

お返事(武田)
日付 98/8/9
回答者 武田


解の公式はありませんが、一般解は次のようにして求めるようです。
その前に、x2の項のある三次方程式
3+px2+qx+r=0
は、変換式 x=y-(p/3)とおくと、x2の項がな
い与式ができるので、この与式を計算すればよいようです。

与式 x3+mx+n=0
x=u+vとおき代入すると、
(u+v)3+m(u+v)+n=0
変形して
(u3+v3+n)+(3uv+m)(u+v)=0
この式が成り立つためには、
  ┌ u3+v3+n=0
  └ 3uv+m=0
でなければならないから、この2式を満たす組(u,v)を求めると、
与式の解が求まる。
3uv=-mより、v=-m/3uと変形し、代入すると、
3+(-m/3u)3+n=0
両辺にu3を掛けて、
6+nu3-m3/27=0
六次方程式だが、u3=tとおくと、
tの2次方程式になる。
2+nt-m3/27=0
二次方程式の解の公式を使って、
t=(-n/2)\(\pm\)\(\sqrt{\quad}\){(n/2)2+(m/3)3
このあとは、式が複雑になるので、この解をA,Bとおく。
A=(-n/2)+\(\sqrt{\quad}\){(n/2)2+(m/3)3
B=(-n/2)-\(\sqrt{\quad}\){(n/2)2+(m/3)3
すると、u3=Aより、
u=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×1,(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω,(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω2
ただし、1,ω,ω2は x3=1の3解である。
3も、u3と同じ解となるが、
片一方がAのときは、もう一方はBより、
v=(3\(\sqrt{\quad}\)B)×1,(3\(\sqrt{\quad}\)B)×ω,(3\(\sqrt{\quad}\)B)×ω2
したがって、x=u+vより与式の3解は、
  ┌x=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×1+(3\(\sqrt{\quad}\)B)×1
  │x=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω+(3\(\sqrt{\quad}\)B)×ω2
  └x=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω2+(3\(\sqrt{\quad}\)B)×ω
となる。

お返事(武田)
日付 98/12/22
回答者 武田


その後分かったことを追記します。

3次方程式の判別式R=(n/2)2+(m/3)3において
①R>0のとき、
u=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×1,(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω,(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω2より
3uv+m=0、uv=-m/3(定数)を満たすようにvを決めると、
u=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×1のとき、v=(3\(\sqrt{\quad}\)B)×1
u=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ωのとき、v=(3\(\sqrt{\quad}\)B)×ω2
(∵ω×ω2=ω3=1より)
u=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω2のとき、v=(3\(\sqrt{\quad}\)B)×ω
したがって、3つの場合より、x=u+vより与式の3解は、
  ┌x1=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×1+(3\(\sqrt{\quad}\)B)×1
  │x2=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω+(3\(\sqrt{\quad}\)B)×ω2
  └x3=(3\(\sqrt{\quad}\)A)×ω2+(3\(\sqrt{\quad}\)B)×ω
となる。これは、1実根x1と2複素根x2、x3となる。
②R<0のとき、(つまりm<0)
3=A=(-n/2)+\(\sqrt{\quad}\)R
複素数なので、極形式で表す。
3=r0(cosθ+isinθ)
ド・モアブルの定理より
u=3\(\sqrt{\quad}\)r0(cosθ/3+isinθ/3)
 =3\(\sqrt{\quad}\)r0iθ/3
3とv3は、共役複素数だから
3=r0(cosθ-isinθ)より、
v=3\(\sqrt{\quad}\)r0(cosθ/3-isinθ/3)
 =3\(\sqrt{\quad}\)r0-iθ/3
∴x1=u+v=23\(\sqrt{\quad}\)r0cosθ/3

ω=(-1+i\(\sqrt{\quad}\)3)/2=ei2π/3
ω2=e-i2π/3より
∴x2=ωu+ω2
   =ei2π/33\(\sqrt{\quad}\)r0iθ/3+e-i2π/33\(\sqrt{\quad}\)r0-iθ/3
   =-23\(\sqrt{\quad}\)r0cos(θ-π)/3

同様にして
∴x3=ω2u+ωv
   =-23\(\sqrt{\quad}\)r0cos(θ+π)/3

uv=(3\(\sqrt{\quad}\)r02とuv=-m/3(定数)より
3\(\sqrt{\quad}\)r0=\(\sqrt{\quad}\)(-m/3)
cosθ=(-n/2)/r0
このことより、r0とθが求まるので、
3実根x1、x2、x3が求まる。