Algebra 2/Complementi di algebra/Equazioni di grado superiore al secondo

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L’equazione di terzo grado, un po’ di storia

“Trovare un numero il cui cubo, insieme con due suoi quadrati e dieci volte il numero stesso, dia come somma 20”.

Il problema enunciato venne posto da Giovanni Panormita, astronomo e filosofo alla corte di Federico II, a Leonardo Pisano, detto Fibonacci, che ne tentò la soluzione nella sua opera “Flos”.

Con il linguaggio matematico attuale il problema si formalizza nell’equazione di terzo grado x3+2x2+10x=20; Fibonacci pervenne al valore approssimato x=1,3688 come soluzione al problema, senza indicare la via seguita per la sua determinazione. Pur tuttavia egli riuscì a dimostrare che le soluzioni di un’equazione di terzo grado non possono mai esprimersi mediante radicali quadratici neanche se sovrapposti.

Solo tra il 1540 e il 1545, ad opera dei matematici italiani Niccolò Fontana, detto Tartaglia[1], e Gerolamo Cardano[2], fu scoperta la formula risolutiva dell’equazione generale di terzo grado. Cardano dimostrò che ogni equazione di terzo grado ax3+bx2+cx+d=0 è riconducibile alla forma y3+py+q=0 operando la sostituzione x=y−b3a, per la quale ricava la formula risolutiva: Template:Testo centrato da cui poi si risale alla soluzione in x dell’equazione assegnata.

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Equazioni riconducibili al prodotto di due o più fattori

In questo capitolo ci proponiamo di determinare l’insieme soluzione di equazioni algebriche di grado superiore al secondo.

Ricordiamo che un’equazione algebrica si presenta nella forma p(x)=0 dove p(x) è un polinomio nella variabile x, di grado n, a coefficienti reali: Template:Testo centrato

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Equazioni binomie

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L’equazione scritta come axn+b=0 è detta in forma normale o canonica.

Dobbiamo distinguere i casi:

  • n è pari e a⋅b<0. I coefficienti a e b hanno segno discorde. L’equazione ammette due sole soluzioni reali ed opposte: x1=−ban∨x2=−−ban;
  • n è pari e a⋅b>0. I coefficienti a e b hanno lo stesso segno. L’equazione non ammette soluzioni reali;
  • n è dispari e b≠0. L’equazione ha un'unica soluzione reale x1=−ban;
  • b=0. L’equazione è axn=0 e le n soluzioni sono coincidenti nell’unica soluzione x=0. In questo caso si dice che l’unica soluzione x=0 ha molteplicità n.

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Equazioni trinomie

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Sono esempi di equazioni trinomie x4−5x2+4=0,   x6−4x3+3=0,  x10−x5+6=0.

Per risolvere queste equazioni è opportuno fare un cambio di incognita: ponendo t=xn l’equazione trinomia diventa di secondo grado: at2+bt+c=0 e da questa, detta equazione risolvente, si ricavano i valori di t. Successivamente, dalla relazione t=xn, si ricavano i valori di x.

Equazione biquadratica

Se n=2 l’equazione è detta biquadratica e si presenta nella forma  ax4+bx2+c=0.

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Conclusione L’equazione biquadratica ax4+bx2+c=0

  • ha quattro soluzioni reali distinte se il discriminante dell’equazione risolvente è positivo e se risultano positivi anche i rapporti −ba e ca che indicano rispettivamente la somma e il prodotto delle sue soluzioni;
  • ha due soluzioni reali distinte se il discriminante dell’equazione risolvente è positivo e se risulta negativo il rapporto ca che indica il prodotto delle sue soluzioni;
  • non ha soluzioni reali se il discriminante dell’equazione risolvente è positivo e se risulta positivo il rapporto ca e negativo il rapporto −ba;
  • non ha soluzioni reali se il discriminante dell’equazione risolvente è negativo.

Per stabilire il numero di soluzioni di un’equazione biquadratica si può anche utilizzare la regola dei segni di Cartesio:

  • Δ>0 e due variazioni si hanno 4 soluzioni reali;
  • Δ>0 una permanenza e una variazione si hanno 2 soluzioni reali;
  • Δ=0 e −b2a>0 si hanno due soluzioni reali; −b2a<0 nessuna soluzione reale;
  • Δ<0 nessuna soluzione reale.

Equazioni trinomie con n maggiore di 2

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Equazioni che si risolvono con sostituzioni

Molte altre equazioni si possono risolvere con opportune sostituzioni.

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Equazioni reciproche

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Dalle definizioni si ha che:

  • x3−2x2−2x+1=0 è un’equazione di terzo grado reciproca di prima specie;
  • 3x4+5x3−4x2+5x+3=0 è un’equazione di quarto grado reciproca di prima specie;
  • −7x4+5x3−5x+7=0 è un’equazione di quarto grado reciproca di seconda specie;
  • 3x5+2x4+6x3−6x2−2x−3=0 è un’equazione di quinto grado reciproca di seconda specie;
  • −2x4+8x3+3x2−8x+2=0 è un’equazione di quarto grado, ma non è reciproca di seconda specie, in quanto il coefficiente di secondo grado dovrebbe essere nullo.

Il seguente teorema mette in luce una importante proprietà di cui godono queste equazioni.

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Consideriamo il polinomio dell’equazione reciproca di prima specie Template:Testo centrato

Ipotesi: x=λ è una radice dell’equazione p(x)=0;

Tesi: x=1λ è una radice dell’equazione p(x)=0.

Dimostrazione: Sappiamo che se x=λ è una radice di p(x)=0 allora p(λ)=0, cioè Template:Testo centrato

Scriviamo il polinomio con x=1λ Template:Testo centrato dove nell’ultimo passaggio abbiamo messo in evidenza il termine (1λ)n (è consentito perché per ipotesi λ non è nullo). Confrontando le scritture di p(λ) e p(1λ) risulta Template:Testo centrato Quindi anche 1λ è una radice di p(x)=0.

Dimostra tu il teorema per le equazioni di seconda specie.

Equazioni di terzo grado reciproche di prima specie

Queste equazioni hanno la seguente struttura: Template:Testo centrato Una radice dell’equazione è x=−1, infatti sostituendo tale valore al posto della x nel polinomio al primo membro si ottiene: Template:Testo centrato

Ricordiamo che secondo la regola del resto, il valore trovato (zero) ci assicura che il polinomio al primo membro è divisibile per x+1; con la divisione polinomiale o con la regola di Ruffini possiamo scrivere a0x3+a1x2+a1x+a0=(x+1)⋅(a0x2+(a1−a0)x+a0)=0 da cui, per la legge di annullamento del prodotto, possiamo determinare le soluzioni dell’equazione assegnata.

Un modo alternativo per determinare l’insieme soluzione dell’equazione reciproca di prima specie consiste nel raccogliere parzialmente i due coefficienti a0 e a1 in modo da ottenere a0(x3+1)+a1(x2+x)=0 da cui a0(x+1)(x2−x+1)+a1x(x+1)=0 e raccogliendo il binomio (x+1) ritroviamo la fattorizzazione precedente: (x+1)(a0x2+(a1−a0)x+a0)=0.

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Equazioni di terzo grado reciproche di seconda specie

Queste equazioni hanno la seguente struttura: Template:Testo centrato Una radice dell’equazione è x=1, basta verificare sostituendo tale valore al posto della x nel polinomio al primo membro. Si ottiene: Template:Testo centrato

Procedendo come nel caso precedente si può ottenere la scomposizione in fattori del polinomio al primo membro: (x−1)⋅(a0x2+(a0+a1)x+a0)=0 e quindi determinare l’I.S. dell’equazione assegnata applicando la legge di annullamento del prodotto.

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Equazioni di quarto grado reciproche di prima specie

Rientrano in questa classificazione le equazioni del tipo: Template:Testo centrato

Prima di tutto osserviamo che x=0 non può essere una radice in quanto, se lo fosse, sarebbe nullo il termine noto, cioè a0=0 e di conseguenza sarebbe nullo anche il coefficiente di x4 quindi il grado dell’equazione diventerebbe 3 o inferiore. Questa premessa ci consente di dividere per x2 ottenendo l’equazione equivalente a0x2+a1x+a2+a1x+a0x2=0 e raccogliendo a fattori parziali si ha a0(x2+1x2)+a1(x+1x)+a2=0.

Ponendo  t=x+1x  si ha  t2=(x+1x)2⇒t2=x2+1x2+2⇒x2+1x2=t2−2.

Sostituendo nell’equazione otteniamo la seguente equazione di secondo grado equivalente a quella data: a0(t2−2)+a1t+a2=0, ovvero Template:Testo centrato

Una volta trovate, se esistono (reali), le radici t1 e t2 di questa equazione, possiamo determinare le corrispondenti radici dell’equazione iniziale risolvendo le due equazioni fratte x+1x=t1  e  x+1x=t2  nell’incognita x, rispettivamente equivalenti a Template:Testo centrato

Queste ultime equazioni hanno soluzioni reali se e solo se |t|≥2. Infatti, risolvendo rispetto a x l’equazione x+1x=t, troviamo: x2−tx+1=0 e calcolando il discriminante Δ=t2−4 vediamo che ci sono soluzioni reali se e solo se t2−4≥0 ovvero se e solo se t≤−2∨t≥2 cioè |t|≥2.

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Equazioni di quarto grado reciproche di seconda specie

Fanno parte di questa classe le equazioni del tipo: Template:Testo centrato in cui il coefficiente di x2 è nullo. Per risolvere questa equazione, raccogliamo a fattore parziale a0 e a1 ottenendo: a0(x4−1)+a1(x3−x)=0⇒a0(x2−1)(x2+1)+a1x(x2−1)=0.

Raccogliendo a fattore comune totale si ha: Template:Testo centrato Per la legge di annullamento del prodotto si hanno quindi le due radici x1=1, x2=−1 e le eventuali radici reali dell’equazione di secondo grado a0x2+a1x+a0=0.

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Equazioni di quinto grado reciproche di prima specie

Fanno parte di questa classe le equazioni del tipo: Template:Testo centrato

Con il raccoglimento parziale otteniamo: Template:Testo centrato Applichiamo ora la formula per la scomposizione della somma di potenze ottenendo Template:Testo centrato Raccogliendo (x+1) ricaviamo: Template:Testo centrato e quindi l’equazione diventa: Template:Testo centrato

Per la legge di annullamento del prodotto si determina la soluzione reale x=−1 e con i metodi analizzati in precedenza si risolve l’equazione di quarto grado reciproca di prima specie: Template:Testo centrato

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Equazioni di quinto grado reciproche di seconda specie

Fanno parte di questa classe le equazioni del tipo: Template:Testo centrato

Con il raccoglimento parziale si ottiene Template:Testo centrato

Applichiamo ora la formula per la scomposizione della differenza di potenze ottenendo: Template:Testo centrato Raccogliendo il binomio (x−1) si ottiene Template:Testo centrato e quindi Template:Testo centrato

Una radice è x=1 e le altre provengono dall’equazione di quarto grado reciproca di prima specie: Template:Testo centrato

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Equazioni reciproche di sesto grado

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Esercizi del capitolo

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  1. ↑ soprannome dovuto al suo linguaggio balbettante (1499 ca. - 1557).
  2. ↑ matematico, medico, astrologo e filosofo (1501 - 1576).