5795-1 (Содержание и значение математической символики), страница 4

Тогда уравнение примет вид х³ + px + q = 0.

В нашей символике это уравнение соответствует уравнениям (1), (2), которые решал Тарталья.

Кардано узнал способ решения уравнений третьей степени, предложенный Тартальи, опубликовал его. Формула же стала носить название «формулы Кардано».

Выведем теперь ее.

Рассмотрим уравнение х³ + px + q = 0. Введем новые неизвестные x = u + v и подставим их в исходное уравнение; получим u³ + v³ + (3uv + p)(u + v) + q = 0.

Приравняем 3uv + p к нулю: 3uv + p = 0.

Уравнение примет вид u³ + v³ + q = 0. Тогда uv = – , u³v³ = – , u³ + v³ = -q.

Выражения u³ и v³ можно принять за корни квадратного уравнения z² + qz – = 0.

Решая его, получим z₁ = – + , z₂= – – .

Таким образом, x = u + v = + , x = + .

Это и есть формула Кардано. Не лишне заметить, что в таком виде Кардано ее не искал: он формулировал решение уравнений (1) и (2) и рассматривал связь между уравнениями (2) и (3).

В случае, когда + <0, под квадратным корнем получается отрицательное число и корень дает мнимость. Этот случай получил название неприводимого, так как решение уравнения третьей степени не приводится к решению квадратного уравнения. Как уже говорилось, с ним не справились ни Тарталья, ни Кардано. Его с помощью тригонометрии разобрал Виет.

Чтобы получить представление о символике Кардано, приведем пример записи корня кубического уравнения x³ + 6x = 20. Выражение записывалось так R_x.u.cu.R_x.108 10 R_x.u.cu.R_x.108 10.

Здесь R_x – знак корня (Radix), R_x.u.cu означает корень кубический из всего выражения до вертикальной черты или после нее, и - сокращения слов plus и minus.

Кардано показал, что легко можно решить уравнение x⁴ ax = bx² + . Он привел его к виду x⁴ = b(x )², а затем извлечением корня получил квадратное уравнение. Аналогично он рассматривал и некоторые другие виды уравнений.

Однако уравнение x⁴ + 6x² + 36 = 60x, предложенное да Кои Кардано не сумел решить.

Открыл метод решения уравнений четвертой степени 23 – летний ученик Кардано – Луиджи Феррари.

После того, как были исследованы уравнения третьей степени, задача об уравнениях четвертой степени стала более легкой. Феррари рассматривал уравнение, не содержащее члена с x³, т.е. уравнение вида x⁴ + ax² + bx + c = 0.

Он преобразовывал его так, чтобы в левой части был полный квадрат, а в правой – выражение не выше второй степени относительно x.

Выделением полного квадрата получалось = x⁴ + ax + = -bx – c + , = -bx – c + .

Теперь следовало выполнить такие преобразования, чтобы из левой и правой частей можно было извлечь корень. С этой целью Феррари вводил новую переменную t и прибавлял к обеим частям выражение 2 t + t². Это дает = 2tx² – bx – c + at + + t², = 2tx² – bx + (– c + + at + t²).

Нужно, чтобы правая часть была полным квадратом. Вспомним, как обстоит дело с трехчленом ax² + bx + c. Выделим в нем полный квадрат: ax² + bx + c = а(x² + x + ) = =a(x² + 2x + - + ) = a(x² + 2x + + ) = a(x+ )² + .

Трехчлен будет полным квадратом, когда 4ac – b² = 0. В нашем случае роль коэффициента при x² играет 2t, а роль свободного члена - выражение в скобках правой части уравнения. Тогда выражению 4ac – b² = 0 соответствует 42t(t² + at + - c) – b² = 0, b² = 2t(4t² + 4at + a² - 4c).

Таким образом, нахождение t свелось к решению кубического уравнения, а x находится з квадратного уравнения после извлечения корня из левой и правой частей, т.е. из уравнения x² + + t₀ = .

Кардано отмечает, что таким же приемом можно решать уравнения, в которых отсутствует член не с третьей степенью х, а с первой. В этом случае делается подстановка х = k/y.

Открытия, сделанные итальянцами в алгебре и систематически изложенные Кардано, стали доступны математикам других стран и дали импульс развитию науки.

Дальнейшее развитие алгебры было связано с совершенствованием символики и разработкой общих методов решения уравнений.

В этом преуспел Франсуа Виета.

2.2 Символика Виета и развитие алгебры.

Виет считается одним из основоположников алгебры. Но его интерес к алгебре первоначально связан с возможными приложениями к тригонометрии и геометрии. А задачи тригонометрии и геометрии, в свою очередь, приводили Виета к важным алгебраическим обобщениям. Так было, например, с решением уравнений третьей степени в неприводимом случае и с исследованием некоторых классов разрешимых алгебраических уравнений высших степеней.

Свою алгебру Виет ценил очень высоко. Он не пользовался словом «алгебра», эту науку он зазывал «искусством анализа». Виет различал видовую логистику и числовую логистику. Термин «логистика» означает совокупность арифметических приемов вычислений, «вид» имел смысл символа.

Видовая логистика Виета после внесенных им в символику усовершенствований представляла собой буквенное исчисление. Ее объектами служат геометрические и псевдогеометрические образы, связанные между собой различными соотношениями. Виет был последователем древних: он оперировал такими величинами, как сторона, квадрат, куб, квадратоквадрат, квадратокуб , и т. д., образующими своеобразную лестницу скаляров. Действия над скалярами у Виета, как и у древних геометров, подчинены «закону однородности»: составленные из неизвестных и известных величин уравнения должны быть однородными относительно всех их вместе взятых. Умножению чисел у Виета соответствует образование нового скаляра, размерность которого равна сумме размерностей множителей. Операция, соответствующая делению чисел, дает новую величину, размерность которой равна разности размерностей.

Виет разработал символику, в которой наравне с обозначением неизвестных впервые появились знаки для произвольных величин, называемых в настоящее время параметрами. Для обозначения скаляров он предложил пользоваться прописными буквами: «искомые величины будут обозначены буквой А или другой гласной Е, I, О, U, Y, а данные – буквами B, D, G или другими согласными»

Слово «коэффициент» введено Виетом. Рассматривая выражение

(А + В)² + D(A + В),

он назвал величину D, участвующую с А + В в образовании площади, longitude ciefficiens, т. е. содействующей длиной.

Из знаков Виет употреблял +, — и дробную черту. Современные скобки у него заменяла общая черта на всем выражением.

Символика Виета страдала недостатками, в некоторых отношениях она была менее совершенна, чем у его предшественников и современников. Виет для записи действий употреблял слова: in у него означало умножение, aequatur заменяло знак равенства. Словами же выражались степени различных величин. Для трех низших степеней он взял названия из геометрии, например, А³ называл A cubus. Высшим степеням он давал геометрические наименования, происходящие от низших: А⁹, например,— A cubo-cubo-cubus. Известная величина В представлялась как величина девятой степени записью solido-solido-solidum. Если сторона (latus) умножается на неизвестную величину, то она называется содействующей) (coefficiens) при образовании площади.

Уравнение А³ + 3ВА = D Виет записывал так: А cubus + В planum in 43 aequatur D solido, а уравнение ВАⁿ –А^m+n = Z так:

В parabola in А gradum — А potestate aequatur Z homogenae (В, умноженное на градус А, минус А в степени равняется однородной Z),

Обозначения в числовой логистике выглядели проще:

N – первая степень, Q – квадрат, С – куб и т. д. Уравнение x³ - 3x = 1 записывалось в виде 1С – 3N aequatur 1»

Неудобства символики Виета связаны и с требованием однородности. Как и древние греки, Виет считал, что сторону можно складывать только со стороной, квадрат – с квадратом, куб – с кубом и т. д. В связи с этим возникал законный вопрос: имеют ли право на существование уравнения выше третьей степени, поскольку в пространственном мире четвертая, пятая и т. д. степени аналогов не имеют.

Для придания уравнению однородности Виет после входящих в него параметров писал planum (плоскость), solidum (тело) и т. д. Вот как выглядит в записи Виета уравнение х³ + ЗВ²х = 2z³: A cubus + В plano 3 in A aequari Z solido 2.

Правило Тартальи для решения уравнения третьей степени у Виета имело вид:

.

Символики Виета придерживался впоследствии П. Ферма. От «тирании» однородности просто и остроумно сумел освободиться Декарт (об этом будет сказано дальше).

Может показаться, что Виет ввел в символику алгебры совсем немного. Буквами для обозначения отрезков пользовались еще Евклид и Архимед, их успешно применяли Леонардо Пизанский, Иордан Неморарий, Николай Орем, Лука Пачоли, Кардано, Бомбелли и многие другие математики. Но сделал существенный шаг вперед Виет. Его символика позволила не только решать конкретные задачи, но и находить общие закономерности и полностью обосновывать их. Это, в свою очередь, способствовало выделению алгебры в самостоятельную ветвь математики, не зависящую от геометрии. «Это нововведение (обозначение буквами данных и искомых) и особенно применение буквенных коэффициентов положило начало коренному перелому в развитии алгебры: только теперь стало возможным алгебраическое исчисление как система формул, как оперативный алгоритм».

Сказанное, легко подтвердить примерами. Пусть х₁, x₂ – корни квадратного уравнения. Перемножим разности x – x₁ и х – х₂: (x – x₁)(х – х₂)=х² – (х₁ + х₂)х + х₁х₂.

Обозначим (x – x₁)(х – х₂) = х² + px + q, сравнивая с предыдущим, получим p = – (х₁ + х₂), q = x₁x₂.

Выполним то же самое для кубического уравнения:

(x – x₁)(х – х₂)(x – x₃)=x³ – (х₁ + х₂ + x₃)x² + (x₁x₂ + x₁x₃ + x₂x₃)x – x₁x₂x₃.

Сравним результат с выражением (x – x₁)(х – х₂)(x – x₃) = x³ + a₁x² + a₂x + a₃.

Это дает a₁ = – (x₁ + x₂ + x₃)

a₂ = x₁x₂ + x₁x₃ + x₂x₃

a₃= – x₁x₂x₃.

Такой результат для квадратного уравнения был известен Кардано (в случае положительных корней – еще и раньше); Кардано отметил свойство корней кубического уравнения относительно коэффициента при х². Но никакого обоснования в общем виде дать он не мог; это сделал Виет для уравнений до пятой степени включительно.

Преимущества символики предоставили Виету возможность не только получить новые результаты, но и более полно и обоснованно изложить все известное ранее. И если предшественники Виета высказывали некоторые правила, рецептуры для решений конкретных задач и иллюстрировали их примерами, то Виет дал полное изложение вопросов, связанных с решением уравнений первых четырех степеней.

Рассмотрим ход рассуждений Виета при решении кубического уравнения.

Возьмем уравнение x³ + 3ax = 2b. Положим a = t² + xt.

Найдем отсюда

х = и подставим в исходное уравнение. Получим + 3a = 2b, откуда для определения t наводим квадратное уравнение относительно t³: (t³)² + 2bt³ – а³ == 0.

Отсюда определится t, а затем и х. Заметим еще, что подстановка а = t² + xt приводит исходное уравнение к виду

(х + t)³ – t³ = 2b,

которое вместе с уравнением (х + t)t = a, (х + t)³t³ = a³ дало бы возможность применить метод Тартальи и дель Ферро. Но Виет таким путем не пошел.

Рассмотрим теперь пример. Найдем методом Виета действительный корень уравнения

х³ + 24x=56.

Здесь а=8, b=28. Запишем уравнение относительно t: (t³)² + 56t³ - 8³ - 0.

Решим его:

t³= –28 = – 28 36 t₁ = = 2 t₂ = = –4.

Найдем теперь х:

x₁ = = –2 , x₂ = = 2 = x₁.

При изложении метода Феррари для решения уравнения четвертой степени Виет провел аналитически выкладки, указанные выше, и получил уравнение, содержащее основную неизвестную А и вспомогательную Е (х и t у Феррари).

Виет, верный последователь древних, оперировал только рациональными положительными числами, которые он обозначал буквами. Если в результате подстановки в уравнение значений параметров неизвестное оказывалось иррациональным, он давал этому случаю особое обоснование.

В качестве примера такого обоснования приведем «геометрическое» решение кубического уравнения по способу дель Ферро – Тартальи.

В записи Виета уравнение имело вид A³ + 3BA = D.

Известное решение: А является разностью «сторон» которые образуют площадь В и разность кубов которых равна D. Если обозначить «стороны» буквами u и v, то uv = B, u³ – u³ =D, A= u –v.

Виет придавал решению «геометрическое» толкование; он вместо D solidum записывал произведение В planum на D, т. е. получал уравнение A³ + 3ВA= BD.

Затем он определял четыре величины, образующие «геометрический ряд», так, чтобы прямоугольник, построенный на средних или на крайних, по площади равнялся В, а разность крайних была D. Тогда A будет разностью средних.

Поясним сказанное. Обозначим эти четыре величины через z, u, v и t. Тогда можно записать

z:u = u:v = v:t, zt = uv = B, z – t = D, A = u – v.

Если в решении Тартальи D заменить на BD, то оба решения совпадут.

Способ Виета означает замену кубического корня двумя средними геометрическими, что полностью соответствует духу древних греков.

Из получившихся пропорций найдем

u³ = z²t, v³ = zt u³ – v³ = zt(z – t) = BD

Виет особо рассматривал трехчленные уравнения различных степеней и в первую очередь интересовался количеством их корней, имея в виду только положительные корни. Отрицательные корни он определял как корни уравнения, в котором неизвестное х заменено на –у. Виет , получал трехчленные уравнения из квадратных; он поступал так, чтобы число положительных корней оставалось прежним. При этом он пользовался подстановкой х = ky^m или специальными приемами.

Один из приемов Виета выглядит так. Пусть дано уравнение

x² + ах = b, а, b>0.

Для получения уравнения четвертой степени возведем левую и правую части уравнения в квадрат:

(х² + ах - b)³ = x⁴ + a²x² + b² + 2ax³ – 2bx² – 2abx = 0

Полученное уравнение можно переписать:

x⁴ + 2ах³ + 2а²x² – а²x²+ b² – 2bх² – 2abx = 0.

Исключим 2ах³ + 2a²x², воспользовавшись тем, что b = х² + ax:

2ах(х² + аx) = b2аx, 2ах³ + 2a²x = 2abx.

Тогда x⁴ + 2abx – а²x² + b² – 2bx² – 2abx = 0, x⁴ – a²x² + b² – 2bx² = 0.

Теперь осталось исключить x²; из исходного уравнения найдем: x² = b – ax и подставим в последнее:

x⁴ – (a² + 2b)x² + b² = 0, x⁴ – (a² + 2b)(b – ax) + b² = 0, x⁴ + (2ab + a³)x = b² + a²b

Полученное уравнение четвертой степени имеет те и только те положительные корни, которые были у исходного квадратного.

Для нахождения трехчленного уравнения третьей степени Виет в качестве исходного брал уравнение

ax – x² = ab

и умножал его левую и правую части на х + b; это при водило к уравнению

(а – b)х² – х³ = ab²

с теми же положительными корнями, которые были у квадратного.

И еще один частный вопрос рассмотрел Виет. В уравнении

ах^m – x^m+n = b

имеющем по условию два корня, он определил коэффициенты, при которых корни уравнения имели бы заданные значения.

Пусть эти корни у и z. Тогда

a = , b =

Ту же задачу он решил относительно уравнения

x^m+n + ax^m = b, где m + n – число четное, m – нечетное.

Чрезвычайно важно то, что Виет распространил известные ранее частные преобразования на все алгебраические уравнения. Подстановку х = у + k, применявшуюся Кардано для исключения из кубического уравнения члена второй степени, он применил к уравнениям любой степени. Также известную Кардано обратную подстановку х = k/y Виет употреблял, чтобы освободиться в некоторых случаях от отрицательных коэффициентов и иррациональностей. Например, уравнение х⁴ – 8х = подстановкой х = он преобразовал к виду y⁴ + 8у³ = 80. Подстановкой х = y Виет преобразовывал уравнение n-й степени так, что коэффициент при члене (n -1)-й степени (a) становился равным b, в то время как старший коэффициент оставался равным единице. Подстановку х = ky он применял, чтобы избавиться от дробных коэффициентов.

Особый интерес представляет исследование Виета по составлению уравнений из линейных множителей и по установлению связей между корнями уравнения и его коэффициентами. Первоначальные сведения и по тому, и по другому вопросу были у Кардано.

Кардано в ту пору, когда еще не знал метода дель Ферро и Тартальи, решал некоторые уравнения третьей степени разложением на множители. В уравнении

2х³ + 4x² + 25 = l6x + 55

с этой целью он прибавлял к обеим частям 2x² + 10x + 5. Затем преобразовывал его к виду (2х + 6)(х² + 5) = (х + 10)(2х + 6), сокращал на 2х + 6 и получал квадратное уравнение.

Кардано же при нахождении положительного корня уравнения х³ + b = ах складывал его почленно с уравнением у³ = ay + b, получал из них квадратное уравнение делением на х минус известный отрицательный корень х – (–у). Такое преобразование позволило Кардано установить, что коэффициент при члене второй степени в правой части кубического уравнения равен сумме его корней. Это был первый шаг к установлению зависимости между корнями и коэффициентами алгебраического уравнения.

Виет составил полные уравнения с заданными положительными корнями вплоть до пятой степени и показал, как образуются коэффициенты при x^n-1, x^n-2, x^n-3, ... Он установил, что эти коэффициенты при условии, что старший коэффициент равен 1 или –1 (свободный член в правой части должен был стоять со знаком +), представляют собой взятые с чередующимися знаками суммы: самих корней, парных произведений их, произведений корней, взятых по три, и т. д. Работа, в которой Виет подробно рассмотрел это утверждение, до нас не дошла. Неизвестно, как он поступал в том случае, когда уравнение имеет и отрицательные корни. Но, скорее всего, это не представляло для Виета особых трудностей: достаточно было сделать в уравнении замену х = –у и можно оперировать с положительными корнями нового уравнения. Такие примеры в его работах встречались. Если уравнение х³ + q = рх имеет два положительных корня х₁ и х₂, то уравнение y³ = ру + q – один положительный корень у₁ = –х₃ причем у₁ = х₁ + х₂ (это знал Кардано), x₁² + x₂² + x₁x₂ = p, x₁x₂(x₁ + x₂) = q.

Как видим, в исследованиях Виета встречались начала теории симметрических функций и разложения многочленов на линейные множители, что вскоре привело к открытию основной теоремы алгебры о числе корней уравнения произвольной степени. Эти исследования Виета продолжили математики следующего поколения Т. Гарриот (1560— 1621), А.Жирар (1595-1632), Р. Декарт (1596-1650).

2.3 Символика Декарта и развитие алгебры.

В сочинении «Исчисление г. Декарта» неизвестный автор изложил арифметические основы математики Декарта. Они писал: «Эта новая арифметика состоит из букв a, b, c и т.д., а также из цифр 1, 2, 3 и т.д. Если цифры стоят перед буквами, например, 2а, 3b, 1/4с, то это означает, что величина а берется двойной, величина b – тройной, а от величины с берется четверть. Но если они находятся позади букв, например, а³, b⁴, c⁵, то это означает, что величина а умножается сама на себя три раза, величина b – четыре раза, а величина с – пять раз». «Сложение производится с помощью такого знака +. Так, чтобы сложить а и b, я пишу а + b. Вычитание производится с помощью такого знака –. Так, чтобы вычесть а из b, я пишу b – a и т. д. Если в вычитаемом выражении есть несколько частей, то у них в нем изменяются лишь знаки. Так, если из d требуется вычесть а – b + с, то останется d – а + b – –с. Точно так же при вычитании а² – b² из с² – d² останется с² – d² – а² + b². Но если имеются присоединенные цифры и члены одинакового вида, то их следует подписывать друг под другом и производить их сложение и вычитание как в обыкновенной арифметике... Если требуется умножить одну букву на другую, то их следует лишь соединить вместе, но если имеются присоединенные, числа, то они следуют законам обыкновенной арифметики. Что касается знаков, то известно, что + на + дает в произведении + и что –, умноженный на –, также дает в произведении +. Но + на – или же –, умноженный на +, дает в произведении –».

Точно так же определялись действие деления, операции с дробями «по правилам обыкновенной арифметики». Вот рассуждение о корне: «Когда корень извлечь из квадрата нельзя, его квадрат помещают под связку , чтобы отметить, что его следует рассматривать как корень, и тогда его корень называют иррациональной величиной».

Из всего этого видно, как далеко зашла формализация алгебраических действий по сравнению с тем, что было у древних греков и у предшественников Декарта; видно также, что надобности в геометрической интерпретации алгебры уже нет.

Формализации алгебры (и всей математики) чрезвычайно способствовало то, что Декарт усовершенствовал буквенную символику. Он обозначал известные величины буквами а, b, с, . . ., неизвестные («неопределенные») – буквами x, y, z, .... Он ввел обозначения степеней: a², a³ , х³ , . . . Правда, квадраты величин он выражал и с помощью символов аа, хх. Обозначение корня несколько отличается от современного. Так, выражение означает один из кубических корней, входящих в формулу Кардано.

Все буквы в формулах Декарта считались положительными величинами; для обозначения отрицательных величин ставился знак минус; если знак коэффициента произволен, перед ним ставилось многоточие. Знак равенства имел необычный вид . Вот как, например, выглядело уравнение с произвольными коэффициентами:

+x⁴…px³…qx… 0.

И еще один символ применял Декарт: он ставил звездочки, чтобы показать отсутствующие члены уравнения, например:

x⁵*** – b 0.

Другие математики того времени тоже пользовались символикой, близкой к разработанной Декартом, а древние греки излагали свои мысли вообще без символики. Ферма построил аналитическую геометрию, располагая запасом употребляемых до него алгебраических средств. «...все это может побудить нас недооценить те успехи, которые поставлены здесь во главу всей математической деятельности Декарта. Значение этих успехов становится, однако, понятным, если мы примем во внимание, как часто мы должны были для изложения идей более ранних авторов прибегать к пользованию алгебраической формой Декарта; без нее мы вряд ли смогли бы это сделать сколь-нибудь сжато и наглядно. Мы смогли воспользоваться этой алгебраической формой, с одной стороны, потому что декартова трактовка алгебры благодаря своим преимуществам получила ныне широкое распространение, и знакомство с ней происходит уже в школе. С другой стороны, она уже сама по себе в большой мере расчистила путь многому, что раньше могло быть изложено лишь весьма громоздким образом и было поэтому доступно лишь очень способным математикам» (Цейтен Г. Г, История математики в XVI и XVII веках, с. 202)

Иными словами, разработка и введение алгебраической символики сделали математику более демократичной.

Уравнения, по утверждению Декарта, представляют собой равные друг другу суммы известных и неизвестных членов или же, если рассматривать эти суммы вместе, равны «ничему» (нулю). Декарт указал, что «уравнения часто удобно рассматривать именно последним образом», т. е. в виде Р (х) = 0. Для теоретических построений Декарта такая запись уравнений играла важную роль.

Этой формой он пользовался при установлении числа корней алгебраического уравнения, что привело к формулировке основной теоремы алгебры: число корней уравнения (положительных - «истинных», отрицательных - «ложных» и мнимых - «воображаемых») равно числу единиц в наивысшем показателе степени входящей в уравнение неизвестной величины. Справедливость теоремы он аргументировал тем, что при перемножении n двучленов вида х – а получается многочлен степени n. Недостающие «воображаемые» корни, природу которых Декарт не разъясняет, можно примыслить.