高等代数的教科书里面讲到使用Ferrari(费拉里)解法求解四次方程时,从三次方程求得u的三个根,如果依次代入分解后的两个二次方程的系数,最后求的四次方程的解,如果对每一个u四次方程都有4个解,那么是不是最后有3∗4=123*4=123∗4=12个解呢?很多教材只是简单的讲到对每一个u四次方程的解都是一样(当然根据代数基本定理可知仅有4个根)。就这么简单一句要秒杀多少脑细胞。直接证明有点难,反正作者本人是没能直接证明出来。现在介绍欧拉的方法解四次方程,从另一个角度能看到为什么对于每一个u求解出来的四次方程的根相同。每一个一元四次方程变量代换x=y-b/4都可以消去三次项变成为下式
(1)x4+px2+qx+r=(x2+sx+t)(x2+ux+v)x^4 + px^2 + qx + r=(x^2+sx+t)(x^2+ux+v)\tag{1}x4+px2+qx+r=(x2+sx+t)(x2+ux+v)(1)
根据(1)式求待定的系数得到下面的方程组
(2)s=−up=t−u2+vq=u(v−t)r=tv\begin{aligned} s&=-u\\ p&=t-u^2+v\\ q&=u(v-t)\\ r&=tv \tag{2} \end{aligned} spqr​=−u=t−u2+v=u(v−t)=tv​(2)
整理方程组,将u,t,v看作是变量则根据三元一次方程组可以求得下面的关系
(3)s=−ut=(p+u2−qu)2v=(p+u2+qu)2\begin{aligned} s&=-u\\ t&=\frac{(p+u^2-\frac{q}{u})}{2}\\ v&=\frac{(p+u^2+\frac{q}{u})}{2}\tag{3} \end{aligned} stv​=−u=2(p+u2−uq​)​=2(p+u2+uq​)​​(3)
且由于u2(p+u2)2−q2=4u2ru^2(p+u^2)^2-q^2=4u^2ru2(p+u2)2−q2=4u2r若设U=u2U=u^2U=u2则U满足下面的三次多项式
(4)U3+2pU2+(p2−4r)U−q2=0U^3+2pU^2+(p^2-4r)U-q^2=0\tag{4} U3+2pU2+(p2−4r)U−q2=0(4)
回过头来看等式(1)如果设r1r_1r1​与r2r_2r2​是方程x2+sx+t=0x^2+sx+t=0x2+sx+t=0的根,r3r_3r3​和r4r_4r4​是方程x2+ux+v=0x^2+ux+v=0x2+ux+v=0的两个根。显然有下面的等式成立
(5)r1+r2+r3+r4=0r_1+r_2+r_3+r_4=0\tag{5}r1​+r2​+r3​+r4​=0(5)
且因为−(r1+r2)(r3+r4)=u2-(r_1+r_2)(r_3+r_4)=u^2−(r1​+r2​)(r3​+r4​)=u2所以−(r1+r2)(r3+r4)-(r_1+r_2)(r_3+r_4)−(r1​+r2​)(r3​+r4​)也一定是方程(4)的解。那方程(4)的另外两个根会是什么呢?普通人思考到这里时也许就戛然而止了,但是欧拉却继续发现两外两个根是−(r1+r3)(r2+r4)-(r_1+r_3)(r_2+r_4)−(r1​+r3​)(r2​+r4​)与−(r1+r4)(r2+r3)-(r_1+r_4)(r_2+r_3)−(r1​+r4​)(r2​+r3​)若令
(*)−(r1+r2)(r3+r4)=(r1+r2)2=α−(r1+r3)(r2+r4)=(r1+r3)2=β−(r1+r4)(r2+r3)=(r1+r4)2=γ根据韦达定理r1+r2=−u,r3+r4=u\begin{aligned} -(r_1+r_2)(r_3+r_4) &=(r_1+r_2)^2=\alpha\\ -(r_1+r_3)(r_2+r_4) &=(r_1+r_3)^2= \beta\\ -(r_1+r_4)(r_2+r_3) &= (r_1+r_4)^2=\gamma\tag{*}\text{根据韦达定理$r_1+r_2=-u,r_3+r_4=u$} \end{aligned} −(r1​+r2​)(r3​+r4​)−(r1​+r3​)(r2​+r4​)−(r1​+r4​)(r2​+r3​)​=(r1​+r2​)2=α=(r1​+r3​)2=β=(r1​+r4​)2=γ根据韦达定理r1​+r2​=−u,r3​+r4​=u​(*)
要证明它们是方程(4)的三个根那么等同于必须满足韦达定理的条件,即满足
(6)[−(r1+r2)(r3+r4)]+[−(r1+r3)(r2+r4)]+[−(r1+r4)(r2+r3)]=α+β+γ=−2p[-(r_1+r_2)(r_3+r_4)]+[-(r_1+r_3)(r_2+r_4)] +[-(r_1+r_4)(r_2+r_3)]=\alpha+ \beta+\gamma=-2p\tag{6}[−(r1​+r2​)(r3​+r4​)]+[−(r1​+r3​)(r2​+r4​)]+[−(r1​+r4​)(r2​+r3​)]=α+β+γ=−2p(6)
(7)[−(r1+r2)(r3+r4)][−(r1+r3)(r2+r4)]+[−(r1+r2)(r3+r4)][−(r1+r4)(r2+r3)]+[−(r1+r3)(r2+r4)][−(r1+r4)(r2+r3)]=αβ+αγ+βγ=p2−4r[-(r_1+r_2)(r_3+r_4)][-(r_1+r_3)(r_2+r_4)]+[-(r_1+r_2)(r_3+r_4)][-(r_1+r_4)(r_2+r_3)]\\ +[-(r_1+r_3)(r_2+r_4) ][-(r_1+r_4)(r_2+r_3)]=\alpha\beta+\alpha\gamma+\beta\gamma=p^2-4r\tag{7}[−(r1​+r2​)(r3​+r4​)][−(r1​+r3​)(r2​+r4​)]+[−(r1​+r2​)(r3​+r4​)][−(r1​+r4​)(r2​+r3​)]+[−(r1​+r3​)(r2​+r4​)][−(r1​+r4​)(r2​+r3​)]=αβ+αγ+βγ=p2−4r(7)
(8)[−(r1+r2)(r3+r4)][−(r1+r3)(r2+r4)][−(r1+r4)(r2+r3)]=αβγ=q2[-(r_1+r_2)(r_3+r_4)][-(r_1+r_3)(r_2+r_4)][-(r_1+r_4)(r_2+r_3)]=\alpha\beta\gamma=q^2\tag{8}[−(r1​+r2​)(r3​+r4​)][−(r1​+r3​)(r2​+r4​)][−(r1​+r4​)(r2​+r3​)]=αβγ=q2(8)
现在分别来证明(6)(7)(8),由等式(5)可以得出
(9)(r1+r2+r3+r4)2=r12+r22+r32+r42+2r1r2+2r1r3+2r1r4+2r2r3+2r2r4+2r3r4=(r12+r22+r32+r42)+(r1+r2)(r3+r4)+(r1+r3)(r2+r4)+(r1+r4)(r2+r3)=0\begin{aligned} (r1+r2+r3+r4)^2=r1^2+r2^2+r3^2+r4^2+2r_1r_2+2r_1r_3+2r_1r_4+2r_2r_3+2r_2r_4+2r_3r_4\\ =(r1^2+r2^2+r3^2+r4^2)+(r_1+r_2)(r_3+r_4)+(r_1+r_3)(r_2+r_4)+(r_1+r_4)(r_2+r_3)=0\tag{9} \end{aligned} (r1+r2+r3+r4)2=r12+r22+r32+r42+2r1​r2​+2r1​r3​+2r1​r4​+2r2​r3​+2r2​r4​+2r3​r4​=(r12+r22+r32+r42)+(r1​+r2​)(r3​+r4​)+(r1​+r3​)(r2​+r4​)+(r1​+r4​)(r2​+r3​)=0​(9)
所以有
(r1+r2)(r3+r4)+(r1+r3)(r2+r4)+(r1+r4)(r2+r3)=−(r12+r22+r32+r42)=2u2−2(t+v)=−2p\begin{aligned} (r_1+r_2)(r_3+r_4)+(r_1+r_3)(r_2+r_4)+(r_1+r_4)(r_2+r_3)&=-(r1^2+r2^2+r3^2+r4^2)\\ &=2u^2-2(t+v) \\ &=-2p \end{aligned} (r1​+r2​)(r3​+r4​)+(r1​+r3​)(r2​+r4​)+(r1​+r4​)(r2​+r3​)​=−(r12+r22+r32+r42)=2u2−2(t+v)=−2p​
(7)式可以表示成
[(r1+r2)(r1+r3)]2+[(r1+r2)(r1+r4)]2+[(r1+r3)(r1+r4)]2=(r12+r1r2+r1r3+r2r3)2+(r12+r1r2+r1r4+r2r4)2+(r12+r1r3+r1r4+r3r4)2=(r12)2+(r1r2)2+(r1r3)2+(r2r3)2+2r13r2+2r13r3+2r12r2r3+2r12r2r3+2r1r22r3+2r1r2r32+(r12)2+(r1r2)2+(r1r4)2+(r2r4)2+2r13r2+2r13r4+2r12r2r4+2r12r2r4+2r1r22r4+2r1r2r42+(r12)2+(r1r3)2+(r1r4)2+(r3r4)2+2r13r3+2r13r4+2r12r3r4+2r12r3r4+2r1r32r4+2r1r3r42\begin{aligned} [(r_1+r_2)(r_1+r_3)]^2+[(r_1+r_2)(r_1+r_4)]^2+[(r_1+r_3)(r_1+r_4)]^2&=\\ (r_1^2+r_1r_2+r_1r_3+r_2r_3)^2+(r1^2+r_1r_2+r_1r_4+r_2r_4)^2+(r_1^2+r_1r_3+r_1r_4+r_3r_4)^2&=\\ (r_1^2)^2+(r_1r_2)^2+(r_1r_3)^2+(r_2r_3)^2+2r_1^3r_2+2r_1^3r_3+2r_1^2r_2r_3+2r_1^2r_2r_3+2r_1r_2^2r_3+2r_1r_2r_3^2+\\ (r_1^2)^2+(r_1r_2)^2+(r_1r_4)^2+(r_2r_4)^2+2r_1^3r_2+2r_1^3r_4+2r_1^2r_2r_4+2r_1^2r_2r_4+2r_1r_2^2r_4+2r_1r_2r_4^2+\\ (r_1^2)^2+(r_1r_3)^2+(r_1r_4)^2+(r_3r_4)^2+2r1^3r_3+2r_1^3r_4+2r_1^2r_3r_4+2r_1^2r_3r_4+2r_1r_3^2r_4+2r_1r_3r_4^2 \end{aligned} [(r1​+r2​)(r1​+r3​)]2+[(r1​+r2​)(r1​+r4​)]2+[(r1​+r3​)(r1​+r4​)]2(r12​+r1​r2​+r1​r3​+r2​r3​)2+(r12+r1​r2​+r1​r4​+r2​r4​)2+(r12​+r1​r3​+r1​r4​+r3​r4​)2(r12​)2+(r1​r2​)2+(r1​r3​)2+(r2​r3​)2+2r13​r2​+2r13​r3​+2r12​r2​r3​+2r12​r2​r3​+2r1​r22​r3​+2r1​r2​r32​+(r12​)2+(r1​r2​)2+(r1​r4​)2+(r2​r4​)2+2r13​r2​+2r13​r4​+2r12​r2​r4​+2r12​r2​r4​+2r1​r22​r4​+2r1​r2​r42​+(r12​)2+(r1​r3​)2+(r1​r4​)2+(r3​r4​)2+2r13r3​+2r13​r4​+2r12​r3​r4​+2r12​r3​r4​+2r1​r32​r4​+2r1​r3​r42​​==
根据(9)式有r22+r32+r42=−r12−2r1r2−2r1r3−2r1r4−2r2r3−2r2r4−2r3r4r_2^2+r_3^2+r_4^2=-r_1^2-2r_1r_2-2r_1r_3-2r_1r_4-2r_2r_3-2r_2r_4-2r_3r_4r22​+r32​+r42​=−r12​−2r1​r2​−2r1​r3​−2r1​r4​−2r2​r3​−2r2​r4​−2r3​r4​代入上式化简为
3(r12)2+2r12(r22+r32+r42)+r22(r32+r42)+r32r42+4r13r2+4r13r3+4r13r4+4r12r2r3+4r12r2r4+4r13r3r4+2r1r22r3+2r1r2r32+2r1r22r4+2r1r2r42+2r1r32r4+2r1r3r42=r14+r22(r32+r42)+r32r42+2r1r22r3+2r1r2r32+2r1r22r4+2r1r2r42+2r1r32r4+2r1r3r42=r14+r22(r32+r42)+r32r42+2r1r2[r2(r3+r4)+(r32+r42)]+2r1r3r4(r3+r4)\begin{aligned} 3(r_1^2)^2+2r_1^2(r_2^2+r_3^2+r_4^2)+r_2^2(r_3^2+r_4^2)+r_3^2r_4^2+4r_1^3r_2+4r_1^3r_3+4r_1^3r_4+4r_1^2r_2r_3+4r_1^2r_2r_4+4r_1^3r_3r_4&+\\ 2r_1r_2^2r_3+2r_1r_2r_3^2+2r_1r_2^2r_4+2r_1r_2r_4^2+2r_1r_3^2r_4+2r_1r_3r_4^2&=\\ r_1^4+r_2^2(r_3^2+r_4^2)+r_3^2r_4^2+2r_1r_2^2r_3+2r_1r_2r_3^2+2r_1r_2^2r_4+2r_1r_2r_4^2+2r_1r_3^2r_4+2r_1r_3r_4^2&=\\ r_1^4+r_2^2(r_3^2+r_4^2)+r_3^2r_4^2+2r_1r_2[r_2(r_3+r_4)+(r_3^2+r_4^2)]+2r_1r_3r_4(r_3+r_4) \end{aligned} 3(r12​)2+2r12​(r22​+r32​+r42​)+r22​(r32​+r42​)+r32​r42​+4r13​r2​+4r13​r3​+4r13​r4​+4r12​r2​r3​+4r12​r2​r4​+4r13​r3​r4​2r1​r22​r3​+2r1​r2​r32​+2r1​r22​r4​+2r1​r2​r42​+2r1​r32​r4​+2r1​r3​r42​r14​+r22​(r32​+r42​)+r32​r42​+2r1​r22​r3​+2r1​r2​r32​+2r1​r22​r4​+2r1​r2​r42​+2r1​r32​r4​+2r1​r3​r42​r14​+r22​(r32​+r42​)+r32​r42​+2r1​r2​[r2​(r3​+r4​)+(r32​+r42​)]+2r1​r3​r4​(r3​+r4​)​+==​
根据(2)式与韦达定理使用变量uvt替换r3,r4将上式进一步化简为
r14+(u2−2t−r12)(u2−2v)+v2+2t[(−u−r1)u+u2−2v]+2r1uv=r14+(u2−2t)(u2−2v)+v2−r12(u2−2v)+2u(v−t)r1−4tv=r14+u4−2(t+v)u2+v2+4tv−r12(u2−2v)+2u(v−t)r1−4tv=r14+(t+v−u2)2−t2−2tv−r12(u2−2v)+2u(v−t)r1=r14+(v+t−u2)r12+(v−t)r12+2u(v−t)r1+(t+v−u2)2−t2−2tv=r14+(v+t−u2)r12+u(v−t)r1+tv+(v−t)r12+u(v−t)r1+(v−t)t+(t+v−u2)2−4tv=p2−4r\begin{aligned} r_1^4+(u^2-2t-r_1^2)(u^2-2v)+v^2+2t[(-u-r_1)u+u^2-2v]+2r_1uv&=\\ r_1^4+(u^2-2t)(u^2-2v)+v^2-r_1^2(u^2-2v)+2u(v-t)r_1-4tv&=\\ r_1^4+u^4-2(t+v)u^2+v^2+4tv-r_1^2(u^2-2v)+2u(v-t)r_1-4tv&=\\ r_1^4+(t+v-u^2)^2-t^2-2tv-r_1^2(u^2-2v)+2u(v-t)r_1&=\\ r_1^4+(v+t-u^2)r_1^2+(v-t)r_1^2+2u(v-t)r_1+(t+v-u^2)^2-t^2-2tv&=\\ r_1^4+(v+t-u^2)r_1^2+u(v-t)r_1+tv+(v-t)r_1^2+u(v-t)r_1+(v-t)t+(t+v-u^2)^2-4tv&=\\ p^2-4r \end{aligned} r14​+(u2−2t−r12​)(u2−2v)+v2+2t[(−u−r1​)u+u2−2v]+2r1​uvr14​+(u2−2t)(u2−2v)+v2−r12​(u2−2v)+2u(v−t)r1​−4tvr14​+u4−2(t+v)u2+v2+4tv−r12​(u2−2v)+2u(v−t)r1​−4tvr14​+(t+v−u2)2−t2−2tv−r12​(u2−2v)+2u(v−t)r1​r14​+(v+t−u2)r12​+(v−t)r12​+2u(v−t)r1​+(t+v−u2)2−t2−2tvr14​+(v+t−u2)r12​+u(v−t)r1​+tv+(v−t)r12​+u(v−t)r1​+(v−t)t+(t+v−u2)2−4tvp2−4r​======​
(7)式也得到证明,下面证明等式(8)成立只需要证明(r1+r2)(r1+r3)(r1+r4)(r_1+r_2)(r_1+r_3)(r_1+r_4)(r1​+r2​)(r1​+r3​)(r1​+r4​)等于±q\pm q±q就可以了
(r1+r2)(r1+r3)(r1+r4)=r13+r12r2+r12r3+r12r4+r1r2r3+r1r2r4+r1r3r4+r2r3r4=r12(r1+r2+r3+r4)+r1r2r3+r1r2r4+r1r3r4+r2r3r4=r1r2(r3+r4)+(r1+r2)r3r4=u(t−v)=−q\begin{aligned} (r_1+r_2)(r_1+r_3)(r_1+r_4)&=\\ r_1^3+r_1^2r_2+r_1^2r_3+r_1^2r_4+r_1r_2r_3+r_1r_2r_4+r_1r_3r_4+r_2r_3r_4&=\\ r_1^2(r_1+r_2+r_3+r_4)+r_1r_2r_3+r_1r_2r_4+r_1r_3r_4+r_2r_3r_4&=\\ r_1r_2(r_3+r_4)+(r_1+r_2)r_3r_4&=\\ u(t-v)&=-q \end{aligned} (r1​+r2​)(r1​+r3​)(r1​+r4​)r13​+r12​r2​+r12​r3​+r12​r4​+r1​r2​r3​+r1​r2​r4​+r1​r3​r4​+r2​r3​r4​r12​(r1​+r2​+r3​+r4​)+r1​r2​r3​+r1​r2​r4​+r1​r3​r4​+r2​r3​r4​r1​r2​(r3​+r4​)+(r1​+r2​)r3​r4​u(t−v)​=====−q​
现在(6)(7)(8)都得到了证明所以确定了它们是一元三次方程(4)的三个根,反过来如果已知(4)的三个根如何来确定(1)表达以及求r1r_1r1​,r2r_2r2​,r3r_3r3​,r4r_4r4​呢?首先,无论(*)中取α\alphaα,β\betaβ,γ\gammaγ次序如何,可以确定最终得出的解的集合是相同的。其次,由于U=u2U=u^2U=u2,从(3)式可以看出u=Uu=\sqrt{U}u=U​与u=−Uu=-\sqrt{U}u=−U​只会交换(1)式中的t,v与s,u的值,令r1+r2=αr_1+r_2=\sqrt{\alpha}r1​+r2​=α​或使r1+r2=−αr_1+r_2=-\sqrt{\alpha}r1​+r2​=−α​只是交换了两个分解式的次序,选择r1+r2=αr_1+r_2=\sqrt{\alpha}r1​+r2​=α​另外,
r1+r3=±β,r1+r4=±γr_1+r_3=\pm \sqrt{\beta},r_1+r_4=\pm \sqrt{\gamma}r1​+r3​=±β​,r1​+r4​=±γ​有四种可能的选择,枚举并求出所有的解之后r1,r2,r3,r4的解的集合分成两组{r1,r2,r3,r4}\{r_1,r_2,r_3,r_4\}{r1​,r2​,r3​,r4​}与{−r1,−r2,−r3,−r4}\{-r_1,-r_2,-r_3,-r_4\}{−r1​,−r2​,−r3​,−r4​},但并不是所有的取值都满足(3),因为选取其中一组计算
r1r2=[α−(β+γ−2βγ)]/4=[2α−(α+β+γ)−2βγ]/4=p+α2−βγ2=t=(p+α2−qα)2⇒qα=βγ\begin{aligned} r_1r_2=[\alpha-(\beta+\gamma-2\sqrt{\beta}\sqrt{\gamma})]/4= [2\alpha-(\alpha+\beta+\gamma)-2\sqrt{\beta}\sqrt{\gamma}]/4&=\\ \frac{p+{\sqrt{\alpha}}^2-\sqrt{\beta}\sqrt{\gamma}}{2}=t&=\frac{(p+{\sqrt{\alpha}}^2-\frac{q}{\sqrt{\alpha}})}{2}\\ \Rightarrow \frac{q}{\sqrt{\alpha}} = \sqrt{\beta}\sqrt{\gamma} \end{aligned} r1​r2​=[α−(β+γ−2β​γ​)]/4=[2α−(α+β+γ)−2β​γ​]/42p+α​2−β​γ​​=t⇒α​q​=β​γ​​==2(p+α​2−α​q​)​​
当满足qα=βγ\frac{q}{\sqrt{\alpha}} = \sqrt{\beta}\sqrt{\gamma}α​q​=β​γ​条件时解集合表示为{r1,r2,r3,r4}\{r_1,r_2,r_3,r_4\}{r1​,r2​,r3​,r4​},选取其中一种情形计算具体的r1,r2,r3,r4例如
(10)r1+r2+r3+r4=0r1+r2=αr1+r3=βr1+r4=γ\begin{aligned} r_1+r_2+r_3+r_4=0 \\ r_1+r_2=\sqrt{\alpha}\\ r_1+r_3=\sqrt{\beta} \\ r_1+r4=\sqrt{\gamma}\tag{10} \end{aligned} r1​+r2​+r3​+r4​=0r1​+r2​=α​r1​+r3​=β​r1​+r4=γ​​(10)
根据(10)式解出的方程组的解是
(2)r1=α+β+γ2r2=α−β−γ2r3=−α+β−γ2r4=−α−β+γ2\begin{aligned} r_1&=\frac{\sqrt{\alpha}+\sqrt{\beta}+\sqrt{\gamma}}{2} \\ r_2&=\frac{\sqrt{\alpha}-\sqrt{\beta}-\sqrt{\gamma}}{2} \\ r_3&=\frac{-\sqrt{\alpha}+\sqrt{\beta}-\sqrt{\gamma}}{2} \\ r_4&=\frac{-\sqrt{\alpha}-\sqrt{\beta}+\sqrt{\gamma}}{2}\tag{2} \end{aligned} r1​r2​r3​r4​​=2α​+β​+γ​​=2α​−β​−γ​​=2−α​+β​−γ​​=2−α​−β​+γ​​​(2)
上式可以看到四次方程每一个解都使用三次方程的解的根表示(根与根之间也存在关系),显然对于每一个u四次方程的解集都是相同的。
请参考 https://en.wikipedia.org/wiki/Quartic_function

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