2次方程式$ax^2+bx+c=0$の解が であることはよく知られており,これを[2次方程式の解の公式]といいますね. そこで[2次方程式の解の公式]があるなら[3次方程式の解の公式]はどうなのか,つまり 「3次方程式$ax^3+bx^2+cx+d=0$の解はどう表せるのか?」 と考えることは自然なことと思います. 歴史的には[2次方程式の解の公式]は紀元前より知られていたものの,[3次方程式の解の公式]が発見されるには16世紀まで待たなくてはなりません. この記事では,[3次方程式の解の公式]として知られる「カルダノの公式」の 歴史 と 導出 を説明します. 解説動画 この記事の解説動画をYouTubeにアップロードしています. 【3次方程式の解の公式】カルダノの公式の歴史と導出と具体例(13分44秒) この動画が良かった方は是非チャンネル登録をお願いします! 16世紀のイタリア まずは[3次方程式の解の公式]が知られた16世紀のイタリアの話をします. ジェロラモ・カルダノ かつてイタリアでは数学の問題を出し合って勝負する公開討論会が行われていた時代がありました. 公開討論会では3次方程式は難問とされており,多くの人によって[3次方程式の解の公式]の導出が試みられました. そんな中,16世紀の半ばに ジェロラモ・カルダノ (Gerolamo Cardano)により著書「アルス・マグナ(Ars Magna)」が執筆され,その中で[3次方程式の解の公式]が示されました. なお,「アルス・マグナ」の意味は「偉大な術」であり,副題は「代数学の諸法則」でした. このようにカルダノによって[3次方程式の解の公式]は世の中の知るところとなったわけですが,この「アルス・マグナ」の発刊に際して重要な シピオーネ・デル・フェロ (Scipione del Ferro) ニコロ・フォンタナ (Niccolò Fontana) を紹介しましょう. デル・フェロとフォンタナ 15世紀後半の数学者であるデル・フェロが[3次方程式の解の公式]を最初に導出したとされています. 三次関数 解の公式. デル・フェロは自身の研究をあまり公表しなかったため,彼の導出した[3次方程式の解の公式]が日の目を見ることはありませんでした. しかし,デル・フェロは自身の研究成果を弟子に託しており,弟子の一人であるアントニオ・マリア・デル・フィオール(Antonio Maria del Fiore)はこの結果をもとに討論会で勝ち続けていたそうです.
カルダノの公式の有用性ゆえに,架空の数としてであれ,人々は嫌々ながらもついに虚数を認めざるを得なくなりました.それでも,カルダノの著書では,まだ虚数を積極的に認めるには至っていません.カルダノは,解が実数解の場合には,途中で虚数を使わなくても済む公式が存在するのではないかと考え,そのような公式を見つけようと努力したようです.(現在では,解が実数解の場合でも,計算の途中に虚数が必要なことは証明されています.) むしろ虚数を認めて積極的に使っていこうという視点の転回を最初に行ったのは,アルベルト・ジラール()だと言われています.こうなるまでに,数千年の時間の要したことを考えると,抽象的概念に対する,人間の想像力の限界というものを考えさせられます.虚数が導入された後の数学の発展は,ご存知の通り目覚しいものがありました. [‡] 数学史上あまり重要ではないので脚注にしますが,カルダノの一生についても触れて置きます.カルダノは万能のルネッサンス人にふさわしく,数学者,医者,占星術師として活躍しました.カルダノにはギャンブルの癖があり,いつもお金に困っており,デカルトに先駆けて確率論の研究を始めました.また,機械的発明も多く,ジンバル,自在継ぎ手などは今日でも使われているものです.ただし,後半生は悲惨でした.フォンタナ(タルタリア)に訴えられ,係争に10年以上を要したほか,長男が夫人を毒殺した罪で処刑され,売春婦となった娘は梅毒で亡くなりました.ギャンブラーだった次男はカルダノのお金を盗み,さらにキリストのホロスコープを出版したことで,異端とみなされ,投獄の憂き目に遭い(この逮捕は次男の計画でした),この間に教授職も失いました.最後は,自分自身で占星術によって予め占っていた日に亡くなったということです. 三次方程式の解の公式が長すぎて教科書に書けない！. カルダノは前出の自著 の中で四次方程式の解法をも紹介していますが,これは弟子のロドヴィーコ・フェラーリ()が発見したものだと言われています.現代でも,人の成果を自分の手柄であるかのように発表してしまう人がいます.考えさせられる問題です. さて,カルダノの公式の発表以降,当然の流れとして五次以上の代数方程式に対しても解の公式を発見しようという試みが始まりましたが,これらの試みはどれも成功しませんでした.そして, 年,ノルウェーのニールス・アーベル()により,五次以上の代数方程式には代数的な解の公式が存在しないことが証明されました.この証明はエヴァリスト・ガロア()によってガロア理論に発展させられ,群論,楕円曲線論など,現代数学で重要な位置を占める分野の出発点となりました.
3次方程式や4次方程式の解の公式がどんな形か、知っていますか?3次方程式の解の公式は「カルダノの公式」、4次方程式の解の公式は「フェラーリの公式」と呼ばれています。そして、実は5次方程式の解の公式は存在しないことが証明されているのです… はるかって、もう二次方程式は習ったよね。 はい。二次方程式の解の公式は中学生でも習いましたけど、高校生になってから、解と係数の関係とか、あと複素数も入ってきたりして、二次方程式にも色々あるんだなぁ〜という感じです。 二次方程式の解の公式って言える? はい。 えっくすいこーるにーえーぶんのまいなすびーぷらすまいなするーとびーにじょうまいなすよんえーしーです。 二次方程式の解の公式 $$ax^2+bx+c=0(a\neq 0)$$のとき、 $$\displaystyle x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}$$ ただし、$$a, b, c$$は実数 うん、正解! それでは質問だ。なぜ一次方程式の解の公式は習わないのでしょうか? え、一次方程式の解の公式ですか…? そういえば、何ででしょう…? ちなみに、一次方程式の解の公式を作ってくださいと言われたら、できる? うーんと、 まず、一次方程式は、$$ax+b=0$$と表せます。なので、$$\displaystyle x=-\frac{b}{a}$$ですね! おっけーだ!但し、$$a\neq 0$$を忘れないでね! 一次方程式の解の公式 $$ax+b=0(a\neq 0)$$のとき、 $$\displaystyle x=-\frac{b}{a}$$ じゃあ、$$2x+3=0$$の解は? えっ、$$\displaystyle x=-\frac{3}{2}$$ですよね? うん。じゃあ$$-x+3=0$$は? えっと、$$x=3$$です。 いいねー 次は、$$3x^2-5x+1=0$$の解は? えっ.. ちょ、ちょっと待って下さい。計算します。 いや、いいよ計算しなくても(笑) いや、でもさすがに二次方程式になると、暗算ではできません… あっ、そうか。一次方程式は公式を使う必要がない…? と、いうと? 三次方程式の解の公式 [物理のかぎしっぽ]. えっとですね、一次方程式ぐらいだと、公式なんか使わなくても、暗算ですぐできます。 でも、二次方程式になると、暗算ではできません。そのために、公式を使うんじゃないですかね?
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二次方程式の解の公式は学校で必ず習いますが,三次方程式の解の公式は習いません.でも,三次方程式と四次方程式は,ちゃんと解の公式で解くことができます.学校で三次方程式の解の公式を習わないのは,学校で勉強するには複雑すぎるからです.しかし,三次方程式の解の公式の歴史にはドラマがあり,そこから広がって見えてくる豊潤な世界があります.そのあたりの展望が見えるところまで,やる気のある人は一緒に勉強してみましょう. 二次方程式を勉強したとき, 平方完成 という操作がありました. の一次の項を,座標変換によって表面上消してしまう操作です. 三次 関数 解 の 公司简. ただし,最後の行では,確かに一次の項が消えてしまったことを見やすくするために,, と置き換えました.ここまでは復習です. ( 平方完成の図形的イメージ 参照.) これと似た操作により,三次式から の二次の項を表面上消してしまう操作を 立体完成 と言います.次のように行います. ただし,最後の行では,見やすくするために,,, と置き換えました.カルダノの公式と呼ばれる三次方程式の解の公式を用いるときは,まず立体完成し,式(1)の形にしておきます. とか という係数をつけたのは,後々の式変形の便宜のためで,あまり意味はありません. カルダノの公式と呼ばれる三次方程式の解の公式が発見されるまでの歴史は大変興味深いものですので,少しここで紹介したいと思います.二次方程式の解(虚数解を除く)を求める公式は,古代バビロニアにおいて,既に数千年前から知られていました.その後,三次方程式の解の公式を探す試みは,幾多の数学者によって試みられたにも関わらず,16世紀中頃まで成功しませんでした.式(1)の形の三次方程式の解の公式を最初に見つけたのは,スキピオーネ・フェロ()だったと言われています.しかし,フェロの解法は現在伝わっていません.当時,一定期間内により多くの問題を解決した者を勝者とするルールに基づき,数学者同士が難問を出し合う一種の試合が流行しており,数学者は見つけた事実をすぐに発表せず,次の試合に備えて多くの問題を予め解いて,秘密にしておくのが普通だったのです.フェロも,解法を秘密にしているうちに死んでしまったのだと考えられます. 現在,カルダノの公式と呼ばれている解法は,二コロ・フォンタナ()が発見したものです.フォンタナには吃音があったため,タルタリア ( :吃音の意味)という通称で呼ばれており,現在でもこちらの名前の方が有名なようです.当時の慣習通り,フォンタナもこの解法を秘密にしていましたが,ミラノの数学者ジローラモ・カルダノ()に懇願され,他には公表しないという約束で,カルダノに解法を教えました.ところが,カルダノは 年に出版した (ラテン語で"偉大な方法"の意味.いまでも 売ってます !)という書物の中で,まるで自分の手柄であるかのように,フォンタナの方法を開示してしまったため,以後,カルダノの方法と呼ばれるようになったのです.
うん!多分そういうことだと思うよ! わざわざ一次方程式の解の公式のせても、あんまり意識して使わないからね。 三次方程式の解の公式 とういうことは、今はるかは、「一次方程式の解の公式」と、「二次方程式の解の公式」を手に入れたことになるね。 はい!計算練習もちゃんとしましたし、多分使えますよ! では問題です。 三次方程式の解の公式を求めて下さい。 ううう…ぽんさんの問題はいつもぶっ飛んでますよね… そんなの習ってませんよー 確かに、高校では習わないね。 でも、どんな形か気にならない? 確かに、一次、二次と解の公式を見ると、三次方程式の解の公式も見てみたいです。 どんな形なんですか? 実は俺も覚えてないんだよ…(笑) えぇー!! でも大丈夫。パソコンに解いてもらいましょう。 三次方程式$$ax^3+bx^2+cx+d=0$$の解の公式はこんな感じです。 三次方程式の解の公式 (引用:3%2Bbx^2%2Bcx%2Bd%3D0) えええ!こんな長いんですか!? うん。そうだよ! よく見てごらん。ちゃんと$$a, b, c, d$$の4つの係数の組み合わせで$$x$$の値が表現されていることが分かるよ! ホントですね… こんな長い公式を教科書に乗せたら、2ページぐらい使っちゃいそうです! それに、まず覚えられません!! (笑) だよね、だから三次方程式の解の公式は教科書に載っていない。 この三次方程式の解の公式は、別名「カルダノの公式」と呼ばれているんだ。 カルダノの公式ですか?カルダノさんが作ったんですか? 三次 関数 解 の 公式ブ. いや、いろんな説があるんだけど、どうやらこの解の公式を作った人は「タルタリア」という人物らしい。 タルタリアは、いろんな事情があってこの公式を自分だけの秘密にしておきたかったんだ。 でも、タルタリアが三次方程式の解の公式を見つけたという噂を嗅ぎつけた、カルダノという数学者が、タルタリアに何度もしつこく「誰にも言わないから、その公式を教えてくれ」とお願いしたんだ。 何度もしつこくお願いされたタルタリアは、「絶対に他人に口外しない」という理由で、カルダノにだけ特別に教えたんだけど、それが良くなかった… カルダノは、約束を破って、三次方程式の解の公式を、本に書いて広めてしまったんだ。 つまり結局は、この公式を有名にしたのは「カルダノ」なんだ。 だから、今でも「カルダノの公式」と呼ばれている。 公式を作ったわけじゃないのに、広めただけで自分の名前が付くんですね… 自分が作った公式が、他の人の名前で呼ばれているタルタリアさんも、なんだか、かわいそうです… この三次方程式の解の公式を巡る数学者の話はとてもおもしろい。興味があれば、学校の図書館で以下の様な本を探して読んでみるといいよ。この話がもっと詳しく書いてあるし、とても読みやすいよ!
そんな折,デル・フェロと同じく数学者のフォンタナは[3次方程式の解の公式]があるとの噂を聞き,フォンタナは独自に[3次方程式の解の公式]を導出しました. 実はデル・フェロ(フィオール)の公式は全ての3次方程式に対して適用することができなかった一方で,フォンタナの公式は全ての3時方程式に対して解を求めることができるものでした. そのため,フォンタナは討論会でフィオールが解けないパターンの問題を出題することで勝利し,[3次方程式の解の公式]を導いたらしいとフォンタナの名前が広まることとなりました. カルダノとフォンタナ 後に「アルス・マグナ」を発刊するカルダノもフォンタナの噂を聞きつけ,フォンタナを訪れます. カルダノは「公式を発表しない」という約束のもとに,フォンタナから[3次方程式の解の公式]を聞き出すことに成功します. しかし,しばらくしてカルダノはデル・フェロの公式を導出した原稿を確認し,フォンタナの前にデル・フェロが公式を得ていたことを知ります. そこでカルダノは 「公式はフォンタナによる発見ではなくデル・フェロによる発見であり約束を守る必要はない」 と考え,「アルス・マグナ」の中で「デル・フェロの解法」と名付けて[3次方程式の解の公式]を紹介しました. 同時にカルダノは最初に自身はフォンタナから教わったことを記していますが,約束を反故にされたフォンタナは当然激怒しました. その後,フォンタナはカルダノに勝負を申し込みましたが,カルダノは受けなかったと言われています. 以上のように,現在ではこの記事で説明する[3次方程式の解の公式]は「カルダノの公式」と呼ばれていますが, カルダノによって発見されたわけではなく,デル・フェロとフォンタナによって別々に発見されたわけですね. 3次方程式の解の公式 それでは3次方程式$ax^3+bx^2+cx+d=0$の解の公式を導きましょう. 導出は大雑把には 3次方程式を$X^3+pX+q=0$の形に変形する $X^3+y^3+z^3-3Xyz$の因数分解を用いる の2ステップに分けられます. ステップ1 3次方程式といっているので$a\neq0$ですから,$x=X-\frac{b}{3a}$とおくことができ となります.よって, とすれば,3次方程式$ax^3+bx^2+cx+d=0$は$X^3+pX+q=0$となりますね.
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