오차 방정식

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네 개의 임계점을 가지는 오차함수의 그래프

오차 방정식(Quintic equation)이란, 최고차항의 차수가 5인 다항 방정식을 뜻한다. 일반적인 형태는

ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f=0,a0

와 같다. 여기에서 a,b,c,d,e는 각각 x5,x4,x3,x2,x계수라고 한다. 또한 f는 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

갈루아아벨은 기하적인 면을 배제하고 계수만 가지고 표현할 수 없다는 것을 증명했다. 반면에 일차, 이차, 삼차, 사차 방정식은 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 원주율을 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 ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f=0의 다섯 근을 α,β,γ,δ,ϵ라고 하면, 다항 방정식에서 근과 계수와는 다음의 관계가 성립한다.

(xα)(xβ)(xγ)(xδ)(xϵ)=0
x5(α+β+γ+δ+ϵ)x4+(αβ+αγ+αδ+αϵ+βγ+βδ+βϵ+γδ+γϵ+δϵ)x3

(αβγ+αβδ+αβϵ+αγδ+αγϵ+αδϵ+βγδ+βγϵ+βδϵ+γδϵ)x2

+(αβγδ+αβγϵ+αβδϵ+αγδϵ+βγδϵ)xαβγδϵ=0

또한,

α+β+γ+δ+ϵ=ba
αβ+αγ+αδ+αϵ+βγ+βδ+βϵ+γδ+γϵ+δϵ=ca
αβγ+αβδ+αβϵ+αγδ+αγϵ+αδϵ+βδϵ+βδγ+βγϵ+γδϵ=da
αβγδ+αβγϵ+αβδϵ+αγδϵ+βγδϵ=ea
αβγδϵ=fa 의 관계가 있다.

특히 각 항(x5,x4,x3,x2,x,f)에 따른 계수의 출현에 대한 조합개수는 조합경우의 수로 따져 볼 수 있다.

5차방정식에 존재하는 5개의 가상의 근을 α,β,γ,δ,ϵ라고 하면, 1개씩의 조합의 경우의 수는 ,

n!k!(nk)!=5!1!(51)!=543211!(4321)=51=5

2개씩의 조합의 경우의 수는 ,

n!k!(nk)!=5!2!(52)!=543212!(321)=5421=202=10

3개씩의 조합의 경우의 수는 ,

n!k!(nk)!=5!3!(53)!=543213!(21)=5421=202=10

4개씩의 조합의 경우의 수는 ,

n!k!(nk)!=5!4!(54)!=543214!(1)=51=5이다.

5개씩의 조합의 경우의 수는 ,

n!k!(nk)!=5!5!(55)!=543215!0!=5432154321=120120=1이다.

차고차항 압축 정리(취른하우스 변형)

ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f=0

다항 방정식에서 양변의 각 항들을 해당 방정식의 최고차항(n차항)의 x의 계수, a로 나눈 다음 x=yb𝐧a의 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.

x5+bax4+cax3+dax2+eax+fa=0

그리고 y로 치환한다.

x=yb𝟓a

그러면, 방정식은

y5+py3+qy2+ry+s=0

의 꼴로 정리된다. 여기서 p,q,r,s는 다음과 같다.

p=2b2+5ac5a2 q=4b315abc+25a2d25a3 r=3b4+15ab2c50a2bd+125a3e125a4 s=625a3be+4b525ab3c+125a2b2d+3125a5f3125a5

일반적인 해법이 있는 특수 5차 방정식들

상반방정식 5차 방정식은 차수가 홀수(기수)이므로 우선, 조립제법이나 다항식 장제법으로 (x±a)의 꼴과 4차 방정식으로 찻수를 낮추어 푼다.

예) :ax5+bx4+cx3+cx2+bx+a=0 이 식은 먼저 하나의 해는 무조건 1임을 알아야 한다. 1이 나올 수 있는 인수는 (x+1)이므로 조립제법을 통해 남는 인수를 알아낸다. 조립제법을 이용하면 방정식은

ax4+(a+b)x3+(ab+c)x2+(a+b)x+a=0

가 되고 이 방정식은 짝수차 상반방정식이므로 짝수차의 해법을 이용하여 푼다.

이항방정식

x5±a=0의 꼴은 이항방정식으로 a와 근의 계수 ω를 찾아 5개의 근을 구할 수 있다.

오차방정식의 판별식

오차 방정식의 판별식은 59개항으로 이루어져 있다.

실베스터 행렬종결식을 사용한 소행렬식라플라스 전개로 5차방정식의 판별식 유도가 가능하다.

ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f=0
a5x5+a4x4+a3x3+a2x2+a1x1+a0=0으로 계수를 예약했을때, 실베스터 행렬 M=(2n1)(2n1)
M=[a5a4a3a2a1a00000a5a4a3a2a1a00000a5a4a3a2a1a00000a5a4a3a2a1a05a54a43a32a21a10a000005a54a43a32a21a10a000005a54a43a32a21a10a000a0005a54a43a32a21a1000a0005a54a43a32a21a1]
D=(1)n(n1)2an1M
D=(1)5(51)2a51M
D=(1)202a51M
D=(1)10a51M

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 초등함수를 사용하여 항상 풀 수 있는 매개변수화를 발견했다:

x5+5μ4(4ν+3)ν2+1x=4μ5(2ν+1)(4ν+3)ν2+1

그리고 이것은 이 방정식의 일반적인 해다:

x=2μ20ν+155ν2+14cosh{15arcosh[125ν2+14(2ν2+1+2ν1)(20ν+15)3/2]}
2μ20ν+155ν2+14sinh{15arsinh[125ν2+14(2ν2+12ν+1)(20ν+15)3/2]}

이것은 μ = 1 과 ν = 0에 대한 계산 예다:

x5+15x=12
x=2515cosh[15arcosh(5915)]2515sinh[15arsinh(5315)]

매개변수를 변경하여 다음과 같은 방정식 및 해결책 쌍을 설정할 수 있다:

x5+x=25y5/4(1+yy2)2+2y210+15y10y24
x=25y1/410+15y10y24cosh{15arcosh[55+5y2(1+2y)4+6y4y2]}
25y1/410+15y10y24sinh{15arsinh[5y5+5y2(2y)4+6y4y2]}

이 해결책 공식은 모든 실수 값 0 < y < 2에 대해 유효하다.

모듈러 타원 함수를 통한 해결책

다음에서 이 방정식을[3] 일반화한다:

x5+x=w
x=25y1/410+15y10y24cosh{15arcosh[55+5y2(1+2y)4+6y4y2]}
25y1/410+15y10y24sinh{15arsinh[5y5+5y2(2y)4+6y4y2]}
y=5ϑ00q{ctlh[12aclh(5454w)]2}522ϑ00q{ctlh[12aclh(5454w)]2}212

이 공식은 아래에 설명되어 있다.

위의 방정식에서 다음 방정식이 생성된다:

w=25y5/4(1+yy2)2+2y210+15y10y24

방정식은 다음과 같이 재정렬될 수 있다:

(2y5y61+2y)1/2=3125256w4+125165w2
(2y5y61+2y)1/2=sin{2arcsin[(505w2+32+23125w4+256)1/2(3125w4+256+16+554w)]}
y=5ϑ00{q[(505w2+32+23125w4+256)1/2(3125w4+256+16+554w)]5}22ϑ00{q[(505w2+32+23125w4+256)1/2(3125w4+256+16+554w)]}212y=5ϑ00q{ctlh[12aclh(5454w)]2}522ϑ00q{ctlh[12aclh(5454w)]2}212

그리스 기호는 테타 야코비 테타 함수를 나타낸다:

ϑ00(z)=1+2k=1zk2
ϑ00(z)=k=1(1z2k)(1+z2k1)2

놈 함수는 문자 q로 표시된다:

q(ε)=exp[πK(1ε2)K(ε)1]

문자 K는 제1종 완전 타원 적분을 나타낸다:

K(r)=0π/211r2sin(φ)2dφ

약어 ctlh 및 aclh로 렘니스케이트(lemniscate) 함수가[4] 표시된다:

sl(φ)=tan2arctan{4Gsin(φG)k=1cosh[(2k1)π]cosh[(2k1)π]2cos(φ/G)2}
cl(φ)=tan2arctan{4Gcos(φG)k=1cosh[(2k1)π]cosh[(2k1)π]2sin(φ/G)2}
[sl(φ)2+1][cl(φ)2+1]=2
ctlh(ϱ)=cl(122ϱ)[sl(122ϱ)2+1sl(122ϱ)2+cl(122ϱ)2]1/2
aclh(s)=122πG01ss4t4+1dt
G=122πΓ(34)2
ctlh[12aclh(s)]2=(2s2+2+2s4+1)1/2(s4+1+1+s)
sl[122aclh(s)]=s4+1s2

문자 G는 가우스 상수를 나타낸다.

로저스 라마누잔 연속 분수

로저스 라마누잔 (Rogers Ramanujan) 연속 분수는[5] 다음과 같이 정의된다:

R(z)=z1/5(z;z5)(z4;z5)(z2;z5)(z3;z5)

두 개의 항목으로 구성된 대괄호 표현식은 포흐하머 기호를 나타낸다.

R(z)=tan{12arctan[ϑ00(z1/2)22ϑ00(z5/2)212]}2/5tan{12arccot[ϑ00(z1/2)22ϑ00(z5/2)212]}1/5
R(z2)=tan{12arctan[ϑ00(z)22ϑ00(z5)212]}2/5tan{12arccot[ϑ00(z)22ϑ00(z5)212]}1/5
S(z)=tan{12arctan[ϑ00(z)22ϑ00(z5)212]}1/5cot{12arccot[ϑ00(z)22ϑ00(z5)212]}2/5
S(z)=R(z4)R(z2)R(z)

이 공식을 기반으로 다음 공식 쌍을 만들 수 있다:

x5+x=w
x=Sq{ctlh[12aclh(5454w)]2}2Rq{ctlh[12aclh(5454w)]2}2Sq{ctlh[12aclh(5454w)]2}2×
×1Rq{ctlh[12aclh(5454w)]2}2Sq{ctlh[12aclh(5454w)]2}Rq{ctlh[12aclh(5454w)]2}22×
×ϑ00q{ctlh[12aclh(5454w)]2}5ϑ00q{ctlh[12aclh(5454w)]2}1/525ϑ00q{ctlh[12aclh(5454w)]2}532204sl[122aclh(5454w)]ϑ00q{ctlh[12aclh(5454w)]2}3

첫 번째 계산 예:

x5+x=3
x=Sq{ctlh[12aclh(15454)]2}2Rq{ctlh[12aclh(15454)]2}2Sq{ctlh[12aclh(15454)]2}2×
×1Rq{ctlh[12aclh(15454)]2}2Sq{ctlh[12aclh(15454)]2}Rq{ctlh[12aclh(15454)]2}22×
×ϑ00q{ctlh[12aclh(15454)]2}5ϑ00q{ctlh[12aclh(15454)]2}1/525ϑ00q{ctlh[12aclh(15454)]2}532204sl[122aclh(15454)]ϑ00q{ctlh[12aclh(15454)]2}3q{ctlh[12aclh(15454)]2}0.452374059450344348576600264284387826377845763909
x1.132997565885065266721141634288532379816526027727

두 번째 계산 예:

x5+x=7
x=Sq{ctlh[12aclh(35454)]2}2Rq{ctlh[12aclh(35454)]2}2Sq{ctlh[12aclh(35454)]2}2×
×1Rq{ctlh[12aclh(35454)]2}2Sq{ctlh[12aclh(35454)]2}Rq{ctlh[12aclh(35454)]2}22×
×ϑ00q{ctlh[12aclh(35454)]2}5ϑ00q{ctlh[12aclh(35454)]2}1/525ϑ00q{ctlh[12aclh(35454)]2}532204sl[122aclh(35454)]ϑ00q{ctlh[12aclh(35454)]2}3q{ctlh[12aclh(35454)]2}0.53609630892200161460073096549143569900990236
x1.4108138510595771319852918753499397839215989

같이 보기

각주