Magasabb fokú egyenletek megoldása

A másodfokú egyenlet tanulmányozása során megtapasztalhattad, milyen hasznos a megoldóképlet. Ez egy olyan képlet, amellyel bármelyik másodfokú egyenlet gyökei kiszámíthatók, feltéve hogy léteznek. Vajon a magasabb fokú egyenleteknél létezik-e hasonló módszer a megoldások kiszámítására? A megoldóképlet ma ismert alakjához hasonló megadása Michael Stifel nevéhez fűződik. A harmad-, illetve negyedfokú egyenletek általános megoldása csupán a XVI. század eleje-közepe táján vált ismertté Girolamo Cardano (ejtsd: Dzsirolamo Kárdánó) és tanítványa, Ludovico Ferrari (ejtsd: Ludovíkó Ferrári) révén. A matematikusok számos kísérletet tettek az ezeknél is magasabb fokú egyenletek általános megoldásának megadására, sikertelenül. Niels Henrik Abel (ejtsd: nílsz henrik Ábel) volt az, aki 1824-ben bebizonyította, hogy az ötödfokú egyenletnek nem létezik általános megoldása, majd Évariste Galois (ejtsd: evariszt galoá) belátta, hogy az ötnél magasabb fokszámú egyenleteknek sincs megoldóképletük. Természetesen egy-egy speciális magasabb fokú egyenlet ennek ellenére is megoldható.
Vizsgáljuk meg a következő negyedfokú egyenletet! ${x^4} - 10{x^2} + 9 = 0$ (ejtsd: x a negyediken, mínusz tíz x a másodikon, plusz 9 egyenlő nulla) Feltűnhet, hogy az ${x^4}$ (ejtsd x a negyediken) az ${x^2}$-nek (ejtsd: x négyzetének) a négyzete. Az ${x^2}$ (ejtsd: x négyzetének) helyére vezessük be az y ismeretlent, ennek alapján ${x^4}$ (ejtsd: x a negyediken) helyére ${y^2}$ kerül. Az egyenlet új alakja tehát \({y^2} - 10y + 9 = 0\). (ejtsd: y a négyzeten, mínusz 10 y plusz 9 egyenlő 0) Ez egy másodfokú egyenlet, amelynek megoldásai az 1 és a 9. Helyettesítsük vissza a kapott gyököket az \(y = {x^2}\) egyenletbe! Azt kapjuk, hogy az eredeti negyedfokú egyenletnek négy gyöke van: az 1, a –1, illetve a 3 és a –3. A gyökök helyességét visszahelyettesítéssel ellenőrizni kell! A negyedfokú egyenletnek négy megoldását találtuk meg. Általánosan igaz, hogy tetszőleges egyenletnek legfeljebb a fokszámával azonos számú különböző valós megoldása lehet. Összefoglalva: a megoldás kulcsa a megfelelő helyettesítés volt, amelynek segítségével az egyenlet másodfokúra redukálódott. Ezt a módszert alkalmazzuk a soron következő példákban is.
Oldjuk meg a következő egyenletet! \({x^6} + 7{x^3} - 8 = 0\) (ejtsd: x a hatodikon, plusz 7 x a harmadikon, mínusz 8 egyenlő 0) Az új ismeretlent most az \({x^3}\) (ejtsd: x a harmadikon) helyére helyettesíthetjük be, legyen ez y. Ekkor az \({x^6}\) (ejtsd: x a hatodikon) helyére beírható az \({y^2}\) (ejtsd: y négyzet). A kapott másodfokú egyenlet gyökei az 1 és a –8. A kapott gyököket helyettesítsük vissza az \(y = {x^3}\) (ejtsd: y egyenlő x a harmadikon) egyenletbe, így harmadfokú egyenleteket kapunk. Köbgyökvonást követően megkapjuk az x-re az 1 és –2 gyököket. A szükséges ellenőrzés elvégzésével megbizonyosodhatunk a megoldások helyességéről.
Lássunk egy harmadik példát is! \({\left( {x - 1} \right)^4} - 2{(x - 1)^2} - 8 = 0\) (ejtsd: x mínusz 1 a negyediken, mínusz 2-szer x mínusz 1 a másodikon, mínusz 8 egyenlő 0) Az elsődleges cél most is a megfelelő helyettesítés kiválasztása. Mivel az \(\left( {x - 1} \right)\) kifejezés a második és a negyedik hatványon is szerepel, célszerű \({\left( {x - 1} \right)^2}\) helyett új ismeretlent bevezetni. Legyen \(y = {\left( {x - 1} \right)^2}\) (ejtsd: y egyenlő x mínusz 1 a másodikon) és\({y^2} = {\left( {x - 1} \right)^4}\). (ejtsd: y a négyzeten egyenlő x mínusz 1 a negyediken) A helyettesítéssel kapott másodfokú egyenlet gyökei a 4 és a –2. Ezeket visszahelyettesítjük az \(y = {\left( {x - 1} \right)^2}\) egyenletbe, és megoldjuk. Az első egyenlet mindkét oldala nemnegatív, így a négyzetgyökvonás ekvivalens művelet. x-re adódnak a 3 és –1 gyökök. A második egyenletet vizsgálva feltűnhet, hogy míg a bal oldal csak nemnegatív értéket vehet fel, a jobb oldal negatív. Nem létezik olyan valós szám, amely ezt az egyenletet kielégítené, tehát nincs megoldása. Az egyenletnek csak két gyöke van, a 3 és a –1. A szükséges ellenőrzések elvégzésével megbizonyosodhatunk a megoldások helyességéről.