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困扰数学两千多年的三次方程

 louis2010 2020-01-02

早在2000多年前,古巴比伦人和中国人就已经可以解一元二次方程,公元前500年前后,毕达哥拉斯学派诞生,在公元前300年左右,古希腊数学家欧几里得在他的《几何原本》中,给出了一元二次方程的几何解法。

古希腊的数学有着很高的造诣,大家肯定听说过古希腊三大几何问题,就是只用尺规作图的前提下,完成倍立方,画圆为方和三等分任意角。

现在我们知道,这三个问题都是无法完成的,我们站在现代数学的高度上看,其中的三等分角,本质上就是求解三次方程,因为我们利用三角函数的三倍角公式:

cos3α=4(cosα)^3-3cosα

其中θ=3α是已知角,所以cos3α=a是已知的,我们让x=cosα,其中x就是我们需要求解的值,于是就有三次方程:

a=4x^3-3x

后面我们会知道三次方程中包含了三次根式,而三次根式是无法用尺规作图完成的,所以尺规作图三等分任意角无法完成,当然,古希腊时期还没有三角函数的概念,古希腊人只会从几何的角度去研究数学问题。

对于特殊形式的三次方程是可以解的,比如缺少一次和二次项,但是这些情况不具有一般性,一般形式的一元三次方程为:

x^3+ax^2+bx+c=0

这个一般形式看起来还是有点复杂,我们稍微用点数学技巧,利用变量替换x=y-a/3,带入上面的一般形式后,就可以约去二次项,把三次方程的最终形式变为:

x^3+px=q

我们把没有二次项的三次方程称之为缺项三次方程,之所以把常数项q放在方程右边,完全是历史原因,因为古人没有负数的概念,当古人遇到负数时,会认为这是不可能的,然后把这个数扔进垃圾桶,在他们看来,求解x^3+px=q和x^3=px+q是两个完全不同的问题。

在十六世纪以前,解三次方程被公认为非常难的数学问题,不少数学家花费大量精力也没能攻克这个难题;然后在十六世纪早期,一位不怎么知名的意大利数学家费罗,突然解决了这个问题,从此拉开了虚数的帷幕,接下来就是另外一个精彩故事了。

本专栏预计更新到16章节,将全面讲述虚数的发展过程,让大家深入了解一个数学概念从萌发到成熟的艰辛,文中从三次方程解法的发现故事,到黎曼猜想的提出,都和虚数有着密切关系,欢迎大家订阅!

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