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네 개의 임계점 을 가지는 오차함수의 그래프
오차 방정식 (Quintic equation)이란, 최고차항의 차수가 5인 다항 방정식 을 뜻한다. 일반적인 형태는
a x 5 + b x 4 + c x 3 + d x 2 + e x + f = 0 , a ≠ 0
와 같다. 여기에서 a , b , c , d , e 는 각각 x 5 , x 4 , x 3 , x 2 , x 의 계수 라고 한다. 또한 f 는 상수항이라고 부른다.
그리고 차수가 홀수인 경우를 기수차라고 하고 짝수인 경우를 우수차라고 하기 때문에, 오차방정식은 기수차 방정식이다. 또한 차수가 소수인 방정식을 기약 방정식이라고 한다.
오차방정식의 근
갈루아 와 아벨 은 기하적인 면을 배제하고 계수만 가지고 표현할 수 없다는 것을 증명했다. 반면에 일차 , 이차 , 삼차 , 사차 방정식 은 그러한 과정이 가능하다. 이 결과는 아벨-루피니 정리(Abel–Ruffini theorem )로 알려져 있으며 1924년에 최초로 출판되었다.[ 1] 종종 일반인들은 이 결과가 '5차 방정식을 항상 풀 수 없다' 또는 '5차 방정식은 해가 없다'로 오해하여 받아들이는데, 이는 잘못된 것이다. 대수학의 기본 정리 (fundamental theorem of algebra)에 의해 복소수 범위에서 5차방정식의 해는 항상 존재한다. 다만, 그 해를 유한번의 사칙연산과 거듭제곱근으로 표현을 할 수 없다는 것이다. 이는 마치 자연수를 유한번 이용하여 원주율 을 표현할 수 없는 것과 유사하다.
실제적인 문제에서 정확한 해석적 해는 종종 필요없을 때가 있다. 수치적인 근사치로 충분한 경우가 많으며 이를 위해 뉴턴의 방법 , Laguerre의 방법 , Jenkins-Traub 알고리즘 등 다양한 기법이 알려져 있다.
근과 계수와의 관계
틀:참고
오차방정식 a x 5 + b x 4 + c x 3 + d x 2 + e x + f = 0 의 다섯 근을 α , β , γ , δ , ϵ 라고 하면,
다항 방정식에서 근과 계수와는 다음의 관계가 성립한다.
( x − α ) ( x − β ) ( x − γ ) ( x − δ ) ( x − ϵ ) = 0
x 5 − ( α + β + γ + δ + ϵ ) x 4 + ( α β + α γ + α δ + α ϵ + β γ + β δ + β ϵ + γ δ + γ ϵ + δ ϵ ) x 3
− ( α β γ + α β δ + α β ϵ + α γ δ + α γ ϵ + α δ ϵ + β γ δ + β γ ϵ + β δ ϵ + γ δ ϵ ) x 2
+ ( α β γ δ + α β γ ϵ + α β δ ϵ + α γ δ ϵ + β γ δ ϵ ) x − α β γ δ ϵ = 0
또한,
α + β + γ + δ + ϵ = − b a
α β + α γ + α δ + α ϵ + β γ + β δ + β ϵ + γ δ + γ ϵ + δ ϵ = c a
α β γ + α β δ + α β ϵ + α γ δ + α γ ϵ + α δ ϵ + β δ ϵ + β δ γ + β γ ϵ + γ δ ϵ = − d a
α β γ δ + α β γ ϵ + α β δ ϵ + α γ δ ϵ + β γ δ ϵ = e a
α β γ δ ϵ = − f a 의 관계가 있다.
특히 각 항(x 5 , x 4 , x 3 , x 2 , x , f )에 따른 계수의 출현에 대한 조합개수는 조합 의 경우의 수 로 따져 볼 수 있다.
5차방정식에 존재하는 5개의 가상의 근을 α , β , γ , δ , ϵ 라고 하면, 1개씩의 조합의 경우의 수는 ,
n ! k ! ⋅ ( n − k ) ! = 5 ! 1 ! ⋅ ( 5 − 1 ) ! = 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 1 ! ⋅ ( 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 ) = 5 1 = 5
2개씩의 조합의 경우의 수는 ,
n ! k ! ⋅ ( n − k ) ! = 5 ! 2 ! ⋅ ( 5 − 2 ) ! = 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 2 ! ⋅ ( 3 ⋅ 2 ⋅ 1 ) = 5 ⋅ 4 2 ⋅ 1 = 2 0 2 = 1 0
3개씩의 조합의 경우의 수는 ,
n ! k ! ⋅ ( n − k ) ! = 5 ! 3 ! ⋅ ( 5 − 3 ) ! = 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 3 ! ⋅ ( 2 ⋅ 1 ) = 5 ⋅ 4 2 ⋅ 1 = 2 0 2 = 1 0
4개씩의 조합의 경우의 수는 ,
n ! k ! ⋅ ( n − k ) ! = 5 ! 4 ! ⋅ ( 5 − 4 ) ! = 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 4 ! ⋅ ( 1 ) = 5 1 = 5 이다.
5개씩의 조합의 경우의 수는 ,
n ! k ! ⋅ ( n − k ) ! = 5 ! 5 ! ⋅ ( 5 − 5 ) ! = 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 5 ! ⋅ 0 ! = 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 = 1 2 0 1 2 0 = 1 이다.
a x 5 + b x 4 + c x 3 + d x 2 + e x + f = 0
다항 방정식에서 양변의 각 항들을 해당 방정식의 최고차항(n 차항)의 x 의 계수, a 로 나눈 다음 x = y − b 𝐧 a 의 형태로 치환하면 차고차항(최고차항의 바로 아랫차항)을 생략시킬 수 있다. 이러한 절차로 정리하는 것을 차고차항 압축 정리(zipping)이라 칭한다.
이 과정을 5차방정식에 적용시키면 다음과 같이 된다.
먼저, 최고차항의 계수로 양변을 나눈다.
x 5 + b a x 4 + c a x 3 + d a x 2 + e a x + f a = 0
그리고 y로 치환한다.
x = y − b 𝟓 a
그러면, 방정식은
y 5 + p y 3 + q y 2 + r y + s = 0
의 꼴로 정리된다. 여기서 p , q , r , s 는 다음과 같다.
p = − 2 b 2 + 5 a c 5 a 2
q = 4 b 3 − 1 5 a b c + 2 5 a 2 d 2 5 a 3
r = − 3 b 4 + 1 5 a b 2 c − 5 0 a 2 b d + 1 2 5 a 3 e 1 2 5 a 4
s = 6 2 5 a 3 b e + 4 b 5 − 2 5 a b 3 c + 1 2 5 a 2 b 2 d + 3 1 2 5 a 5 f 3 1 2 5 a 5
일반적인 해법이 있는 특수 5차 방정식들
상반방정식
5차 방정식은 차수가 홀수(기수)이므로 우선, 조립제법 이나 다항식 장제법 으로 ( x ± a ) 의 꼴과 4차 방정식으로 찻수를 낮추어 푼다.
예) :a x 5 + b x 4 + c x 3 + c x 2 + b x + a = 0
이 식은 먼저 하나의 해는 무조건 − 1 임을 알아야 한다. − 1 이 나올 수 있는 인수는 ( x + 1 ) 이므로 조립제법을 통해 남는 인수를 알아낸다. 조립제법을 이용하면 방정식은
a x 4 + ( − a + b ) x 3 + ( a − b + c ) x 2 + ( − a + b ) x + a = 0
가 되고 이 방정식은 짝수차 상반방정식이므로 짝수차의 해법을 이용하여 푼다.
이항방정식
x 5 ± a = 0 의 꼴은 이항방정식으로 a 와 근의 계수 ω 를 찾아 5개의 근을 구할 수 있다.
오차방정식의 판별식
오차 방정식의 판별식 은 59개항으로 이루어져 있다.
실베스터 행렬 의 종결식 을 사용한 소행렬식 의 라플라스 전개 로 5차방정식의 판별식 유도가 가능하다.
a x 5 + b x 4 + c x 3 + d x 2 + e x + f = 0 을
a 5 x 5 + a 4 x 4 + a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x 1 + a 0 = 0 으로 계수를 예약했을때, 실베스터 행렬 M = ( 2 n − 1 ) ⋅ ( 2 n − 1 )
M = [ a 5 a 4 a 3 a 2 a 1 a 0 0 0 0 0 a 5 a 4 a 3 a 2 a 1 a 0 0 0 0 0 a 5 a 4 a 3 a 2 a 1 a 0 0 0 0 0 a 5 a 4 a 3 a 2 a 1 a 0 5 a 5 4 a 4 3 a 3 2 a 2 1 a 1 0 a 0 0 0 0 0 5 a 5 4 a 4 3 a 3 2 a 2 1 a 1 0 a 0 0 0 0 0 5 a 5 4 a 4 3 a 3 2 a 2 1 a 1 0 a 0 0 0 a 0 0 0 5 a 5 4 a 4 3 a 3 2 a 2 1 a 1 0 0 0 a 0 0 0 5 a 5 4 a 4 3 a 3 2 a 2 1 a 1 ]
D = ( − 1 ) n ( n − 1 ) 2 a n − 1 M
D = ( − 1 ) 5 ( 5 − 1 ) 2 a 5 − 1 M
D = ( − 1 ) 2 0 2 a 5 − 1 M
D = ( − 1 ) 1 0 a 5 − 1 M
브링-제라드 형태
오차 방정식이 오차 항, 선형 항 및 절대 항만 포함하는 경우 이 방정식은 브링-제라드 (Bring-Jerrard) 형식을[ 2] 갖는다. 십구 세기 후반에 John Stuart Glashan, George Paxton Young, Carl Runge는 초등함수 를 사용하여 항상 풀 수 있는 매개변수화를 발견했다:
x 5 + 5 μ 4 ( 4 ν + 3 ) ν 2 + 1 x = 4 μ 5 ( 2 ν + 1 ) ( 4 ν + 3 ) ν 2 + 1
그리고 이것은 이 방정식의 일반적인 해다:
x = 2 μ 2 0 ν + 1 5 5 ν 2 + 1 4 cosh { 1 5 arcosh [ 1 2 5 ν 2 + 1 4 ( 2 ν 2 + 1 + 2 ν − 1 ) ( 2 0 ν + 1 5 ) 3 / 2 ] } −
− 2 μ 2 0 ν + 1 5 5 ν 2 + 1 4 sinh { 1 5 arsinh [ 1 2 5 ν 2 + 1 4 ( 2 ν 2 + 1 − 2 ν + 1 ) ( 2 0 ν + 1 5 ) 3 / 2 ] }
이것은 μ = 1 과 ν = 0에 대한 계산 예다:
x 5 + 1 5 x = 1 2
x = 2 5 1 5 cosh [ 1 5 arcosh ( 5 9 1 5 ) ] − 2 5 1 5 sinh [ 1 5 arsinh ( 5 3 1 5 ) ]
매개변수를 변경하여 다음과 같은 방정식 및 해결책 쌍을 설정할 수 있다:
x 5 + x = 2 5 y − 5 / 4 ( 1 + y − y 2 ) 2 + 2 y 2 1 0 + 1 5 y − 1 0 y 2 4
x = 2 5 y − 1 / 4 1 0 + 1 5 y − 1 0 y 2 4 cosh { 1 5 arcosh [ 5 5 + 5 y 2 ( 1 + 2 y ) 4 + 6 y − 4 y 2 ] } −
− 2 5 y − 1 / 4 1 0 + 1 5 y − 1 0 y 2 4 sinh { 1 5 arsinh [ 5 y 5 + 5 y 2 ( 2 − y ) 4 + 6 y − 4 y 2 ] }
이 해결책 공식은 모든 실수 값 0 < y < 2에 대해 유효하다.
모듈러 타원 함수를 통한 해결책
다음에서 이 방정식을[ 3] 일반화한다:
x 5 + x = w
x = 2 5 y − 1 / 4 1 0 + 1 5 y − 1 0 y 2 4 cosh { 1 5 arcosh [ 5 5 + 5 y 2 ( 1 + 2 y ) 4 + 6 y − 4 y 2 ] } −
− 2 5 y − 1 / 4 1 0 + 1 5 y − 1 0 y 2 4 sinh { 1 5 arsinh [ 5 y 5 + 5 y 2 ( 2 − y ) 4 + 6 y − 4 y 2 ] }
y = 5 ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } 5 ⟩ 2 2 ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } ⟩ 2 − 1 2
이 공식은 아래에 설명되어 있다.
위의 방정식에서 다음 방정식이 생성된다:
w = 2 5 y − 5 / 4 ( 1 + y − y 2 ) 2 + 2 y 2 1 0 + 1 5 y − 1 0 y 2 4
방정식은 다음과 같이 재정렬될 수 있다:
( 2 y 5 − y 6 1 + 2 y ) 1 / 2 = 3 1 2 5 2 5 6 w 4 + 1 − 2 5 1 6 5 w 2
( 2 y 5 − y 6 1 + 2 y ) 1 / 2 = sin { 2 arcsin [ ( 5 0 5 w 2 + 3 2 + 2 3 1 2 5 w 4 + 2 5 6 ) − 1 / 2 ( 3 1 2 5 w 4 + 2 5 6 + 1 6 + 5 5 4 w ) ] }
y = 5 ϑ 0 0 { q [ ( 5 0 5 w 2 + 3 2 + 2 3 1 2 5 w 4 + 2 5 6 ) − 1 / 2 ( 3 1 2 5 w 4 + 2 5 6 + 1 6 + 5 5 4 w ) ] 5 } 2 2 ϑ 0 0 { q [ ( 5 0 5 w 2 + 3 2 + 2 3 1 2 5 w 4 + 2 5 6 ) − 1 / 2 ( 3 1 2 5 w 4 + 2 5 6 + 1 6 + 5 5 4 w ) ] } 2 − 1 2 y = 5 ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } 5 ⟩ 2 2 ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } ⟩ 2 − 1 2
그리스 기호는 테타 야코비 테타 함수 를 나타낸다:
ϑ 0 0 ( z ) = 1 + 2 ∑ k = 1 ∞ z k 2
ϑ 0 0 ( z ) = ∏ k = 1 ∞ ( 1 − z 2 k ) ( 1 + z 2 k − 1 ) 2
놈 함수 는 문자 q로 표시된다:
q ( ε ) = exp [ − π K ( 1 − ε 2 ) K ( ε ) − 1 ]
문자 K는 제1종 완전 타원 적분 을 나타낸다:
K ( r ) = ∫ 0 π / 2 1 1 − r 2 sin ( φ ) 2 d φ
약어 ctlh 및 aclh로 렘니스케이트 (lemniscate) 함수가[ 4] 표시된다:
s l ( φ ) = tan ⟨ 2 arctan { 4 G sin ( φ G ) ∑ k = 1 ∞ cosh [ ( 2 k − 1 ) π ] cosh [ ( 2 k − 1 ) π ] 2 − cos ( φ / G ) 2 } ⟩
c l ( φ ) = tan ⟨ 2 arctan { 4 G cos ( φ G ) ∑ k = 1 ∞ cosh [ ( 2 k − 1 ) π ] cosh [ ( 2 k − 1 ) π ] 2 − sin ( φ / G ) 2 } ⟩
[ sl ( φ ) 2 + 1 ] [ cl ( φ ) 2 + 1 ] = 2
ctlh ( ϱ ) = cl ( 1 2 2 ϱ ) [ sl ( 1 2 2 ϱ ) 2 + 1 sl ( 1 2 2 ϱ ) 2 + cl ( 1 2 2 ϱ ) 2 ] 1 / 2
aclh ( s ) = 1 2 2 π G − ∫ 0 1 s s 4 t 4 + 1 d t
G = 1 2 2 π Γ ( 3 4 ) − 2
ctlh [ 1 2 a c l h ( s ) ] 2 = ( 2 s 2 + 2 + 2 s 4 + 1 ) − 1 / 2 ( s 4 + 1 + 1 + s )
sl [ 1 2 2 a c l h ( s ) ] = s 4 + 1 − s 2
문자 G는 가우스 상수 를 나타낸다.
로저스 라마누잔 연속 분수
로저스 라마누잔 (Rogers Ramanujan) 연속 분수는[ 5] 다음과 같이 정의된다:
R ( z ) = z 1 / 5 ( z ; z 5 ) ∞ ( z 4 ; z 5 ) ∞ ( z 2 ; z 5 ) ∞ ( z 3 ; z 5 ) ∞
두 개의 항목으로 구성된 대괄호 표현식은 포흐하머 기호 를 나타낸다.
R ( z ) = tan { 1 2 arctan [ ϑ 0 0 ( z 1 / 2 ) 2 2 ϑ 0 0 ( z 5 / 2 ) 2 − 1 2 ] } 2 / 5 tan { 1 2 arccot [ ϑ 0 0 ( z 1 / 2 ) 2 2 ϑ 0 0 ( z 5 / 2 ) 2 − 1 2 ] } 1 / 5
R ( z 2 ) = tan { 1 2 arctan [ ϑ 0 0 ( z ) 2 2 ϑ 0 0 ( z 5 ) 2 − 1 2 ] } 2 / 5 tan { 1 2 arccot [ ϑ 0 0 ( z ) 2 2 ϑ 0 0 ( z 5 ) 2 − 1 2 ] } 1 / 5
S ( z ) = tan { 1 2 arctan [ ϑ 0 0 ( z ) 2 2 ϑ 0 0 ( z 5 ) 2 − 1 2 ] } 1 / 5 cot { 1 2 arccot [ ϑ 0 0 ( z ) 2 2 ϑ 0 0 ( z 5 ) 2 − 1 2 ] } 2 / 5
S ( z ) = R ( z 4 ) R ( z 2 ) R ( z )
이 공식을 기반으로 다음 공식 쌍을 만들 수 있다:
x 5 + x = w
x = S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } ⟩ 2 − R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } 2 ⟩ S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } ⟩ 2 ×
× 1 − R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } 2 ⟩ S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } ⟩ R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } 2 ⟩ 2 ×
× ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } 5 ⟩ ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } 1 / 5 ⟩ 2 − 5 ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } 5 ⟩ 3 2 2 0 4 sl [ 1 2 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 5 4 5 4 w ) ] 2 } ⟩ 3
첫 번째 계산 예:
x 5 + x = 3
x = S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } ⟩ 2 − R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } 2 ⟩ S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } ⟩ 2 ×
× 1 − R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } 2 ⟩ S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } ⟩ R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } 2 ⟩ 2 ×
× ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } 5 ⟩ ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } 1 / 5 ⟩ 2 − 5 ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } 5 ⟩ 3 2 2 0 4 sl [ 1 2 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } ⟩ 3 q { ctlh [ 1 2 aclh ( 1 5 4 5 4 ) ] 2 } ≈ 0 . 4 5 2 3 7 4 0 5 9 4 5 0 3 4 4 3 4 8 5 7 6 6 0 0 2 6 4 2 8 4 3 8 7 8 2 6 3 7 7 8 4 5 7 6 3 9 0 9
x ≈ 1 . 1 3 2 9 9 7 5 6 5 8 8 5 0 6 5 2 6 6 7 2 1 1 4 1 6 3 4 2 8 8 5 3 2 3 7 9 8 1 6 5 2 6 0 2 7 7 2 7
두 번째 계산 예:
x 5 + x = 7
x = S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } ⟩ 2 − R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } 2 ⟩ S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } ⟩ 2 ×
× 1 − R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } 2 ⟩ S ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } ⟩ R ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } 2 ⟩ 2 ×
× ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } 5 ⟩ ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } 1 / 5 ⟩ 2 − 5 ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } 5 ⟩ 3 2 2 0 4 sl [ 1 2 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] ϑ 0 0 ⟨ q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } ⟩ 3 q { ctlh [ 1 2 aclh ( 3 5 4 5 4 ) ] 2 } ≈ 0 . 5 3 6 0 9 6 3 0 8 9 2 2 0 0 1 6 1 4 6 0 0 7 3 0 9 6 5 4 9 1 4 3 5 6 9 9 0 0 9 9 0 2 3 6
x ≈ 1 . 4 1 0 8 1 3 8 5 1 0 5 9 5 7 7 1 3 1 9 8 5 2 9 1 8 7 5 3 4 9 9 3 9 7 8 3 9 2 1 5 9 8 9
같이 보기
각주