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五次方程


與二次、三次和四次多項式不同,一般的general五次方程不能用有限次加法減法乘法除法開方運算代數求解,這已被阿貝爾 (阿貝爾不可能性定理) 和伽羅瓦嚴格證明。然而,某些型別的五次方程can可以用這種方式求解。

QuinticGaloisGroups

不可約五次方程可以與一個伽羅瓦群相關聯,該群可能是對稱群 S_n亞迴圈群 M_n二面體群 D_n交錯群 A_n迴圈群 C_n,如上所示。五次方程的可解性取決於其對應的群是否為可解群。一個具有可解迴圈群的五次方程的例子是

 1024x^5-2816x^4+2816x^3-1232x^2+220x-11=0,
(1)

它出現在 sin(pi/11) 的計算中。

對於可解五次方程,可以使用 Malfatti 在 1771 年發現的公式找到根,他是第一個使用六次預解式“解”五次方程的人 (Pierpont 1895)。

一般的五次方程可以用雅可比 theta 函式求解,正如 Hermite 在 1858 年首次完成的那樣。克羅內克隨後更簡單地獲得了相同的解,而布里奧斯基也推匯出了該方程。為此,將一般的五次方程簡化為

 a_5x^5+a_4x^4+a_3x^3+a_2x^2+a_1x+a_0=0
(2)

布林克五次型

 x^5-x+rho=0.
(3)

定義

k=tan[1/4sin^(-1)((16)/(25sqrt(5)rho^2))]
(4)
s={-sgn(I[rho]) for R[rho]=0; sgn(R[rho]) for R[rho]!=0
(5)
b=(s(k^2)^(1/8))/(2·5^(3/4)sqrt(k(1-k^2))),
(6)

其中 k橢圓模量,則原始五次方程的根由下式給出

x_1=(-1)^(3/4)b{[m(e^(-2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)+i[m(e^(2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}{[m(e^(-4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)+[m(e^(4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}{[m(q^(1/5))]^(1/8)+q^(5/8)(q^5)^(-1/8)[m(q^5)]^(1/8)}
(7)
x_2=b{-[m(q^(1/5))]^(1/8)+e^(3pii/4)[m(e^(2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}×{e^(-3pii/4)[m(e^(-2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)+i[m(e^(4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}{i[m(e^(-4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)+q^(5/8)(q^5)^(-1/8)[m(q^5)]^(1/8)}
(8)
x_3=b{e^(-3pii/4)[m(e^(-2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)-i[m(e^(-4pii/5)q^(1/5)]^(1/8))}×{-[m(q^(1/5))]^(1/8)-i[m(e^(4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}×{e^(3pii/4)[m(e^(2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)+q^(5/8)(q^5)^(-1/8)[m(q^5)]^(1/8)}
(9)
x_4=b{[m(q^(1/5))]^(1/8)-i[m(e^(-4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}×{-e^(3pii/4)[m(e^(2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)-i[m(e^(4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}{e^(-3pii/4)[m(e^(-2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)+q^(5/8)(q^5)^(-1/8)[m(q^5)]^(1/8)}
(10)
x_5=b{[m(q^(1/5))]^(1/8)-e^(-3pii/4)[m(e^(-2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}×{-e^(3pii/4)[m(e^(2pii/5)q^(1/5))]^(1/8)+i[m(e^(-4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)}{-i[m(e^(4pii/5)q^(1/5))]^(1/8)+q^(5/8)(q^5)^(-1/8)[m(q^5)]^(1/8)}.
(11)

其中

 m(q)=(theta_2^4(0,q))/(theta_3^4(0,q))
(12)

逆模數,它可以表示為雅可比 theta 函式的比率。

尤拉將一般的五次方程簡化為

 x^5-10qx^2-p=0.
(13)

五次方程也可以代數地簡化為主五次型

 x^5+a_2x^2+a_1x+a_0=0.
(14)

透過求解四次方程,可以將五次方程代數地簡化為布林克五次型,正如 Jerrard 首次完成的那樣。Runge (1885) 和 Cadenhad 以及 Young 找到了可解五次方程的引數化形式

 x^5+ax+b=0
(15)

透過證明所有缺少 係數 x^4x^3x^2 的不可約可解五次方程具有以下形式

 x^5+(5mu^4(4nu+3))/(nu^2+1)x+(4mu^5(2nu+1)(4nu+3))/(nu^2+1)=0,
(16)

其中 munu有理數

Spearman 和 Williams (1994) 表明,形式為 (15) 且具有有理係數的不可約五次方程可以用根式求解,當且僅當存在有理數 epsilon=+/-1c>=0e!=0 使得

a=(5e^4(3-4epsilonc))/(c^2+1)
(17)
b=(-4e^5(11epsilon+2c))/(c^2+1)
(18)

(Spearman 和 Williams 1994)。

 x_j=e(omega^ju_1+omega^(2j)u_2+omega^(3j)u_3+omega^(4j)u_4),
(19)

其中

u_1=((v_1^2v_3)/(D^2))^(1/5)
(20)
u_2=((v_3^2v_4)/(D^2))^(1/5)
(21)
u_3=((v_2^2v_1)/(D^2))^(1/5)
(22)
u_4=((v_4^2v_2)/(D^2))^(1/5)
(23)
v_1=sqrt(D)+sqrt(D-epsilonsqrt(D))
(24)
v_2=-sqrt(D)-sqrt(D+epsilonsqrt(D))
(25)
v_3=-sqrt(D)+sqrt(D+epsilonsqrt(D))
(26)
v_4=sqrt(D)-sqrt(D-epsilonsqrt(D))
(27)
D=c^2+1.
(28)

費利克斯·克萊因使用契恩豪森變換將一般的五次方程簡化為形式

 y^5+5ay^2+5by+c=0.
(29)

然後他求解了相關的二十面體方程

 I(z,1,Z)=z^5(-1+11z^5+z^(10))^5 
 -[1+z^(30)-10005(z^(10)+z^(20))+522(-z^5+z^(25))]^2Z=0,
(30)

其中 Zabc 的根式函式。該方程的解可以用超幾何函式表示為

 (Z^(-1/60)_2F_1(-1/(60),(29)/(60),4/5,1728Z))/(Z^(11/60)_2F_1((11)/(60),(41)/(60),6/5,1728Z)).
(31)

另一種可能的方法是使用級數展開,這給出了布林克五次型的一個根(下面列表中的第一個)。所有五個根都可以使用微分方程推匯出來(Cockle 1860,Harley 1862)。設

F_1(rho)=F_2(rho)
(32)
F_2(rho)=_4F_3(1/5,2/5,3/5,4/5;1/2,3/4,5/4;(3125)/(256)rho^4)
(33)
F_3(rho)=_4F_3(9/(20),(13)/(20),(17)/(20),(21)/(20);3/4,5/4,3/2;(3125)/(256)rho^4)
(34)
F_4(rho)=_4F_3(7/(10),9/(10),(11)/(10),(13)/(10);5/4,3/2,7/4;(3125)/(256)rho^4),
(35)
(36)

那麼

t_1=-rho_4F_3(1/5,2/5,3/5,4/5;1/2,3/4,5/4;(3125)/(256)rho^4)
(37)
t_2=-F_1(rho)+1/4rhoF_2(rho)+5/(32)rho^2F_3(rho)+5/(32)rho^3F_4(rho)
(38)
t_3=-F_1(rho)+1/4rhoF_2(rho)-5/(32)rho^2F_3(rho)+5/(32)rho^3F_4(rho)
(39)
t_4=-iF_1(rho)+1/4rhoF_2(rho)-5/(32)irho^2F_3(rho)-5/(32)rho^3F_4(rho)
(40)
t_5=iF_1(rho)+1/4rhoF_2(rho)+5/(32)irho^2F_3(rho)-5/(32)rho^3F_4(rho).
(41)

這種技術為任何可以寫成以下形式的多項式方程,以單變數超幾何函式的形式給出閉式解

 x^p+bx^q+c.
(42)

考慮五次方程

 product_(j=0)^4[x-(omega^ju_1+omega^(4j)u_2)]=0,
(43)

其中 omega=e^(2pii/5)u_1u_2複數,這與棣莫弗五次方程 (Spearman 和 Williams 1994) 相關,並將其推廣到

 product_(j=0)^4[x-(omega^ju_1+omega^(2j)u_2+omega^(3j)u_3+omega^(4j)u_4)]=0.
(44)

展開,

 (omega^ju_1+omega^(2j)u_2+omega^(3j)u_3+omega^(4j)u_4)^5-5U(omega^ju_1+omega^(2j)u_2+omega^(3j)u_3+omega^(4j)u_4)^3-5V(omega^ju_1+omega^(2j)u_2+omega^(3j)u_3+omega^(4j)u_4)^2+5W(omega^ju_1+omega^(2j)u_2+omega^(3j)u_3+omega^(4j)u_4)+[5(X-Y)-Z]=0,
(45)

其中

U=u_1u_4+u_2u_3
(46)
V=u_1u_2^2+u_2u_4^2+u_3u_1^2+u_4u_3^2
(47)
W=u_1^2u_4^2+u_2^2u_3^2-u_1^3u_2-u_2^3u_4-u_3^3u_1-u_4^3u_3-u_1u_2u_3u_4
(48)
X=u_1^3u_3u_4+u_2^3u_1u_3+u_3^3u_2u_4+u_4^3u_1u_2
(49)
Y=u_1u_3^2u_4^2+u_2u_1^2u_3^2+u_3u_2^2u_4^2+u_4u_1^2u_2^2
(50)
Z=u_1^5+u_2^5+u_3^5+u_4^5
(51)

(Spearman 和 Williams 1994)。u_is 滿足

u_1u_4+u_2u_3=0
(52)
u_1u_2^2+u_2u_4^2+u_3u_1^2+u_4u_3^2=0
(53)
u_1^2u_4^2+u_2^2u_3^2-u_1^3u_2-u_2^3u_4-u_3^3u_1-u_4^3u_3-u_1u_2u_3u_4
(54)
=1/5a
(55)
5[(u_1^3u_3u_4+u_2^3u_1u_3+u_3^3u_3u_4+u_4^3u_1u_2)-(u_1u_3^2u_4^2+u_2u_1^2u_3^2+u_3u_2^2u_4^2+u_4u_1^2u_2^2)]-(u_1^5+u_2^5+u_3^5+u_4^5)=b
(56)

(Spearman 和 Williams 1994)。


另請參閱

布林克五次型, 布里奧斯基五次型, 布林克-傑拉德五次型, 三次方程, 棣莫弗五次方程, 主五次型, 二次方程, 四次方程, 六次方程

使用 探索

參考文獻

Birkhoff, G. and Mac Lane, S. "Insolvability of Quintic Equations." §15.8 in 現代代數學概覽,第5版 New York: Macmillan, pp. 418-421, 1996.Chowla, S. "On Quintic Equations Soluble by Radicals." Math. Student 13, 84, 1945.Cockle, J. "Sketch of a Theory of Transcendental Roots." Phil. Mag. 20, 145-148, 1860.Cockle, J. "On Transcendental and Algebraic Solution--Supplemental Paper." Phil. Mag. 13, 135-139, 1862.Davis, H. T. 非線性微分和積分方程導論。 New York: Dover, p. 172, 1960.Drociuk, R. J. "On the Complete Solution to the Most General Fifth Degree Polynomial." 3 May 2000. http://arxiv.org/abs/math.GM/0005026.Dummit, D. S. "Solving Solvable Quintics." Math. Comput. 57, 387-401, 1991.Glashan, J. C. "Notes on the Quintic." Amer. J. Math. 8, 178-179, 1885.Green, M. L. "On the Analytic Solution of the Equation of Fifth Degree." Compos. Math. 37, 233-241, 1978.Harley, R. "On the Solution of the Transcendental Solution of Algebraic Equations." Quart. J. Pure Appl. Math. 5, 337-361, 1862.Harley, R. "A Contribution to the History of the Problem of the Reduction of the General Equation of the Fifth Degree to a Trinomial Form." Quart. J. Math. 6, 38-47, 1864.Hermite, C. "Sulla risoluzione delle equazioni del quinto grado." Annali di math. pura ed appl. 1, 256-259, 1858.King, R. B. 超越四次方程。 Boston, MA: Birkhäuser, 1996.King, R. B. and Cranfield, E. R. "An Algorithm for Calculating the Roots of a General Quintic Equation from Its Coefficients." J. Math. Phys. 32, 823-825, 1991.Klein, F. "Sull' equazioni dell' Icosaedro nella risoluzione delle equazioni del quinto grado [per funzioni ellittiche]." Reale Istituto Lombardo, Rendiconto, Ser. 2 10, 1877.Klein, F. "Über die Transformation der elliptischen Funktionen und die Auflösung der Gleichungen fünften Grades." Math. Ann. 14, 111-144, 1879.Klein, F. 二十面體與五次方程解法講義。 New York: Dover, 1956.Livio, M. 無法解出的方程。 New York: Simon & Schuster, 2006.Pierpont, J. "Zur Entwicklung der Gleichung V. Grades (bis 1858)." Monatsh. für Math. und Physik 6, 15-68, 1895.Rosen, M. I. "Niels Hendrik Abel and Equations of the Fifth Degree." Amer. Math. Monthly 102, 495-505, 1995.Runge, C. "Ueber die aufloesbaren Gleichungen von der Form x^5+ux+v=0." Acta Math. 7, 173-186, 1885.Shurman, J. 五次方程的幾何。 New York: Wiley, 1997.Spearman, B. K. and Williams, K. S. "Characterization of Solvable Quintics x^5+ax+b." Amer. Math. Monthly 101, 986-992, 1994.Trott, M. "Solution of Quintics with Hypergeometric Functions." §3.13 in Mathematica 符號計算指南。 New York:Springer-Verlag, pp. 1110-1124, 2006. http://www.mathematicaguidebooks.org/. Trott, M. and Adamchik, V. "Solving the Quintic with Mathematica." http://library.wolfram.com/infocenter/TechNotes/158/. . "Solving the Quintic." Poster. Champaign, IL: , 1995. https://store.wolfram.com/view/misc/popup/solving-tqp.html.Young, G. P. "Solution of Solvable Irreducible Quintic Equations, Without the Aid of a Resolvent Sextic." Amer. J. Math. 7, 170-177, 1885.

在 中被引用

五次方程

請引用為

Weisstein, Eric W. "五次方程。" 來自 —— 資源。 https://mathworld.tw/QuinticEquation.html

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