虚数是负数的平方根,为什么是在三次方程中才出现的呢?

虚数是负数的平方根,为什么是在三次方程中才出现的呢?

西摩在路上,一个巴掌真的拍不响吗?
这是一个非常好的问题。
真的很不错!
老实说,看到有人问这个问题,我都有点小激动!
下面我来解释一下。

0. 在解二次方程时对虚数的忽视

回顾我们的二次方程:

就是通过配方将问题转为一个简单二次方程和一个一般一次方程:

即我们的:

这就是我们要凑出一个完全平方的目的,因为这样可以将问题转化为已知的问题。

但是在实数范围内,我们找不到一个数的平方是负数的情况。

因此当

时,我们直接就说方程无解,然后就不会去想太多了

1. 虚数在三次方程求解中的关键作用

(实系数)三次方程的一般形式如下:

其实在三次方程的求解过程中,也是通过将问题转化为

一个简单三次方程和一个一般二次方程:

来求解的。

我们简单回顾下文艺复兴时期卡尔达诺在其著作《大术》(Arsmagna)中发表的内容,加上一点点复数的基本知识,这样就很容易理解整个思路框架,不至于迷失在繁杂的计算中而忘了自己的目标。

卡尔达诺是在与尼科洛.塔尔塔利亚的通信中,从一首尼科洛的藏头诗中学会的。

两人恩怨极深!

尼科洛

Step1- 归结为缺二次项的三次方程

首先方程两边同时除以首次项系数,便得到:

,便可消去二次项,得到:

Step2- 归结为解二次方程

这一步就比较巧妙了。

通过多元来降低次数。

代入上述方程:

展开上述左边,化为如下:

观察上述式子,我们想,要是

那问题就简单了。

因为此时我们将

看成两个数的话,我们就有机会得到两数之和,两数之积了。

于是我们联想起二次方程的根与系数关系,很快就看到希望的曙光了

将上述想法实现,便有如下式子。

由于

,

,则 U,V 是如下方程的两个根:

于是得到二次方程的解,

.

由于 v 由

等式所确立,因此只要解出 u 即可。

,当它大于等于 0 时,大家相对容易做出正确的判断。

这也是为什么在文艺复兴时期,尼科洛只能解系数 p 大于 0 的情况。

但是当 delta 小于 0 时,由于 u 没有实数解,我们容易臆想原三次方程没有实数解

这是错误的。

Step3- 归结为解三次方程

为了解释清楚 delta 小于 0 的情况,我们不得不采用复数的指数形式。

这样做还有另外一个好处,就是对于上述不管 delta 是否小于 0 的所有情况,我们都能找到统一的答案

对任何一个非 0 复数,我们都能找到统一的唯一表达:三角形式或者说指数形式

上式中的 r,theta 分别称为复数 z 的模长和幅角

回到正题,由于u,v 的对称性,于是我们将关于 u 的三次方的二次方程重新写成如下形式:

于是 u 的三个根分别为

由于 v 由

,所以 z 的三个根分别为:

1). delta 小于 0 时

在二次方程

小于 0 时,由

我们可以很容易的计算得到

.

此时,方程的三个根都有统一的表达式:

因此当 delta 小于 0 时,原三次方程不是没有实数根,反而是有三个不同的实数根,因为上述括号里面的两个复数是共轭的,共轭复数相加就成了实数。

正是在这个三次方程的求解过程中,发现虚数对其实数根的帮助之大,而且还很关键。

这才真正重视这件事情。

也就是说,不考虑虚数,我们的二次方程的实数根不会受影响,该是几个就是几个,该是什么值就是什么值。

但是在一个有三个不同实数根的三次方程中,如果不考虑虚数,

你极有可能一个实数根都找不到,而考虑虚数你却能找到全部实数根

不要说有三个实根的情况了,就算只有一个实根的时候,一般情况下你也很难找出这个实根。

比如直接从方程 出发,你是很难通过运气来凑出其实数解的。
因为 就是其唯一的实数解,这显然是无理数。
即便是今天,多项式方程手工能凑出来的解依然只有有理数解。
事实上,它的另外两个根是虚数.

这点就可以看出复数的威力了

即使是为实数服务,有了复数也能让事情更加高效,圆满!


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