Equazioni reciproche Stampa
Scritto da Maria Rispoli   
Domenica 09 Gennaio 2011 21:33

Il concetto delle equazioni reciproche risale ad A. De Moivre (1667-1754) ed il nome è dovuto a L. Euler (1707-1783).

Girard nel 1629 enunciò, e Gauss poi dimostrò rigorosamente nel 1799, che un’equazione di grado n ha n radici (nell’insieme dei numeri complessi).

Poiché la conoscenza del metodo di risoluzione di nuovi tipi di equazioni, consente la risoluzione delle equazioni determina il contemporaneo progredire degli studi sulla risoluzione dei sistemi.

Un’equazione razionale intera, ridotta a forma normale, si dice reciproca se i suoi coefficienti equidistanti dagli estremi sono uguali od opposti; se sono uguali l’equazione si dice reciproca di prima specie, se sono opposti si dice reciproca di seconda specie.

 

Ad esempio l’equazione

3x3+13x2+13x+3=0

è reciproca di prima specie.

L’equazione:

2x3-6x2+6x-2=0

è reciproca di seconda specie.

Alcune delle classi di equivalenza di cui ci occuperemo sono del tipo:

ax3+bx2+bx+a=0

ax4+bx3+cx2+bx+a=0

ax5+bx4+cx3+cx2+bx+a=0

Queste sono le equazioni reciproche di prima specie, rispettivamente di terzo, quarto e quinto grado, a coefficienti reali, mentre le analoghe di seconda specie sono

ax3+bx2-bx+a=0

ax4+bx3 –bx-a=0

ax5+bx4+cx3-cx2-bx-a=0

Il nome di reciproche a queste equazioni deriva dal fatto che se una di esse ha come radice un numero a, anche il reciproco di quel numero, cioè 1/a, è radice dell’equazione. Ciò si potrebbe facilmente dimostrare, ma sarà sufficiente il constatarlo nella risoluzione di queste equazioni.

Osserviamo che:

“Ogni equazione reciproca di grado dispari ha  come  radice –1 se è di prima specie e +1 se è di seconda specie”.

“Ogni equazione reciproca di grado pari e di seconda specie ha come radici –1 e +1”.

Esaminiamo separatamente i vari casi di risoluzione delle equazioni reciproche.

 

Risoluzione delle equazioni reciproche di prima specie e di terzo grado

Una equazione reciproca di terzo grado e quindi di grado dispari, ha sempre come radice:

-1 se è di prima specie

+1 se è di seconda specie

Ed allora, essendo in ogni caso nota una radice, l’equazione si può sempre scindere in due: una di primo grado, avente come radice la radice nota, e l’altra di secondo grado avente come radici le due rimanenti radici dell’equazione data.

Consideriamo l’equazione:

ax3+bx2+bx+a=0

 

Avvalendoci della regola di Ruffini scomponiamo nel seguente modo:

Quindi:

ax3 + bx2 + bx + a = (x + 1) [ax2 – (a – b)x + a] = 0

e otteniamo:

x1 = -1

 

Basandoci su queste formule risolutive possiamo avendo in input i valori di a, b e c generare un elaborato in linguaggio Visual Basic che ci consente di giungere al calcolo dell’equazione reciproca proposta.

Se il discriminante =(a-b)2-4a2 si annulla allora:

 

e ciò accade se:

a-b = ± 2a

da cui:

a=-bb=3a

quindi:

x2 = x3 = -b

Possiamo determinare le condizioni affinché le radici x2, x3 abbiano per valore proprio il coefficiente a o il suo reciproco imponendo che:

 

Con semplici passaggi algebrici perveniamo ad un’equazione irrazionale:

 

che è equivalente al sistema:

 

e supposta soddisfatta la prima condizione, otteniamo dalla seconda l’equazione:

a2-a+b+1=0

la quale, risolta rispetto al parametro b fornisce:

b=-(a2-a+1).

Sostituendo tale valore nell’equazione reciproca iniziale abbiamo:

ax3-(a2-a+1)x2-(a2-a+1)x-a=0

Allo stesso risultato saremmo pervenuti se avessimo imposto l’uguaglianza di una delle radici dell’equazione al parametro a in luogo del suo reciproco.

Ad esempio sia data l’equazione:

3x3+13x2+13x+3=0

Essa ha come radice –1 e quindi il suo primo membro è divisibile per x meno la radice nota, cioè per x+1.

Eseguendo tale divisione si ha:

(3x3+13x2+13x+3) : (x+1) = 3x2+10x+3

Quindi:

(3x3+13x2+13x+3) = (x+1) (3x2+10x+3)

(x+1) (3x2+10x+3) = 0

E così l’equazione data si scinde nelle due seguenti:

(x+1) = 0                                  che ha come radice -1

(3x2+10x+3) = 0                       che ha come radici –3 e –1/3

Quindi le tre radici dell’equazione sono: -1, -3 e –1/3.

Osserviamo che le radici –3 e –1/3 sono una la reciproca dell’altra e la radice –1 è reciproca di sé stessa.

 

Risoluzione delle equazioni reciproche di seconda specie e 3° grado

Un’equazione reciproca di terzo grado e seconda specie ha come radici –1 e +1. Quindi il primo membro di tale equazione è divisibile sia per x+1 che per x-1 e, di conseguenza, l’equazione si scinde in tre equazioni: due di primo grado che hanno come radici le due radici già note –1 e +1, ed una di secondo grado che ha come radici le rimanenti due radici dell’equazione data.

Tale tipo di equazione ha la seguente formula:

ax3+bx2-bx-a=0

Poiché per x=1 il polinomio al primo membro dell’equazione si annulla, abbiamo:

Quindi:

ax3 + bx2 - bx - a = (x - 1) [ax2 + (a – b)x + a] = 0

da cui:

 x1=1

 

Con l’utilizzo di queste formule è possibile generare un algoritmo in linguaggio Visual Basic per la risoluzione di questo tipo di equazioni reciproche.

Notiamo che se il discriminante: =(a-b)2-4a2 si annulla abbiamo:

a+b = ± 2a

allora:

b = -3a  b = a

e quindi:

x2 = x3 =1

e cioè l’equazione ha la radice x=1 con molteplicità tre.

Infine anche per tali classi di equazioni possiamo dedurre le condizioni, perché una delle radici sia uguale al coefficiente a o al suo reciproco, pervenendo questa volta all’equazione:

ax3-(a2+a+1)x2+(a2+a+1)x-a=0

 

Risoluzione delle equazioni reciproche di prima specie e 4° grado

L’equazione reciproca di quarto grado e prima specie sono del tipo:

ax4+bx3+cx2+bx+a=0

In tal caso, dopo aver notato che una delle radici dell’equazione è senz’altro diversa da zero (in quanto se così non fosse avremmo l’annullamento del coefficiente a dividendo i due membri per x2 abbiamo:

 

allora:

 

Posto:

 

Allora:

 

da cui:

 

otteniamo l’equazione, detta risolvente:

ay2+by+c-2a=0

da cui:

 

 

Pertanto:

 

e

 

e quindi le equazioni da risolvere sono:

x2-y1x+1=0

e

x2-y2x+1=0

e le soluzioni sono:

 

 

Per la nostra procedura risulta utile verificare se le due quantità:

1 = y12 - 4

e

 2 = y2 2 - 4 

possono coincidere. Ammettendo che ciò si realizzi:

 

 

Una delle condizioni conduce al valore: B=0 (biquadratica) mentre l’altra:

 

da cui

 

che equivale a:

b2 – 4ac + 8a2 = 0

cioè:

=0

 Viceversa, se:

=b2-4ac+8a2=0

allora:

 

per cui:

 1= 2

Pertanto per ciò che concerne le radici, risulta:

 

 

allora:

x1=x3           x2=x4

In conclusione: se =0 Þ 1 =  2 per cui se uno qualunque dei due precedenti discriminanti si annulla, anche l’altro deve annullarsi, e viceversa se entrambi assumono lo stesso valore, allora il discriminante  si annulla.

Tale circostanza può essere da noi utilizzata per la costruzione del diagramma ad albero seguente:

 

<0

Radici complesse

=0

 1=2<0

1=2=0

1=2>0

>0

1<0

2<0

2=0

2>0

1=0

2<0

2>0

1>0

2<0

2=0

2>0

Esponiamo il metodo di risoluzione da seguire per le equazioni reciproche di quarto grado e prima specie riferendoci al seguente esempio.

Sia data l’equazione:

6x4-5x3-38x2-5x+6=0

Dividiamo tutti i termini per x2. Si ha così:

 

Raccogliendo a fattore comune i coefficienti uguali si ha:

 

Introduciamo ora un’incognita ausiliaria y, ponendo:

 

da cui, elevando a quadrato:

 

e quindi:

 

L’equazione data diventa:

6(y2 – 2) - 5y - 38 = 0

6y2 - 12 - 5y - 38 = 0

6y2 - 5y - 50 = 0

Da cui:

 

Ora dai valori così trovati dell’incognita ausiliaria y dedurremo quelli dell’incognita x dell’equazione data, tenendo presente la relazione che lega fra loro queste due incognite, cioè:

 

Sostituendo ad y ciascuno dei suoi due valori sopra calcolati, si hanno le due equazioni:

 

 

Risolvendole si ha:

x1=-2,                   x2=-1/2,       x3=1/3,        x4=3

I quattro valori così determinati per x sono le quattro radici dell’equazione reciproca data. Osserviamo anche in questo esempio che esse sono a due a due reciproche.

 

Risoluzione delle equazioni reciproche di seconda specie e 4° grado

Le equazioni reciproche di quarto grado e seconda specie hanno la seguente espressione:

ax4+bx3-bx-a=0

Osserviamo che mancando del termine centrale (coefficiente nullo) ed essendo questi equidistante dagli estremi, il suo coefficiente deve essere uguale al suo opposto: zero.

Le sue radici sono: x1= -1 e x2=+1 come si vede dalla struttura stessa dell’equazione, di conseguenza il polinomio al primo membro risulta divisibile sia per il binomio x-1 che per x+1 cioè, in definitiva, per il binomio x2 - 1 e quindi:

Pertanto:

ax4+bx3-bx-a=(x2-1)(ax2+bx+a)=0

da cui segue:

x1=-1

x2=+1

 

 

Osserviamo che volendo ricercare le radici uguali al parametro a o al suo reciproco basta imporre che sia:

 

 

e che

  

Pertanto l’equazione si riduce alla:

ax4-(a2+1)x3+(a2+1)x-a=0

Consideriamo ad esempio l’equazione:

2x4+5x3-5x-2=0

osserviamo, anzitutto, che un’equazione di grado pari se fosse completa dovrebbe avere un numero dispari di termini (uno di più del grado), e quindi dovrebbe avere un termine centrale, equidistante dagli estremi. Ma in una equazione reciproca di seconda specie il coefficiente di questo termine dovendo essere uguale al suo opposto non può che essere zero e quindi questo termine deve mancare.

L’equazione data ha come radici –1 e +1 e quindi il suo primo membro è divisibile per x+1 e x-1.

Eseguendo, successivamente, queste due divisioni l’equazione data si è trasformata in:

(x + 1)(x – 1)(2x2 + 5x + 2) = 0

E questa si scinde nelle equazioni:

x+1=0                  che ha come radice   –1

x-1=0                   che ha come radice   +1

(2x2 + 5x + 2) = 0

E risolvendo l’ultima equazione si ha che le radici dell’equazione reciproca data sono:

x1=-1,                   x2=1,           x3=-2,                   x4=-1/2.

 

Risoluzione delle equazioni reciproche di prima specie e 5° grado

Un’equazione reciproca di quinto grado se è di prima specie è del tipo:

ax5+bx4+cx3+cx2+bx+a=0

ha come radice –1 in quanto l’equazione è di grado dispari e quindi il suo primo membro è divisibile per x+1.

Allora

In tal modo essa si scinde in due equazioni: una di primo grado, che ha come radice – 1, e l’altra di quarto grado:

ax5+bx4+cx3+cx2+bx+a=(x+1)[ax4+(b-a)x3+(a-b+c)x+a]=0

ma:

ax4+(b-a)x3+(a-b+c)x+a=0

è una equazione reciproca di quarto grado e di prima specie che abbiamo già visto in precedenza, per cui dividendo per x2 diverso da 0 abbiamo:

 

 

aggiungiamo e sottraiamo 2a:

 

otteniamo

 

 

Poniamo:

 

possiamo scrivere:

 

per cui:

 

 

Essendo:

 

risulta:

x2+1=yx

x2-yx+1=0

quindi:

x2-y1x+1=0

x2-y2x+1=0

pertanto le soluzioni dell’equazione sono:

x1=-1

 

 

 

Risoluzione delle equazioni reciproche di seconda specie e 5° grado

L’equazione reciproca di quinto grado è di seconda specie ha la seguente forma:

ax5+bx4+cx3-cx2-bx-a=0

essa ha come radice +1 e quindi il suo primo membro è divisibile per x-1. Per cui applicando Ruffini, otteniamo:

In tal modo essa si scinde in due equazioni: una di primo grado e l’altra di quarto grado. Quindi:

ax5+bx4+cx3-cx2-bx2-bx-a=(x+1)[ax4+(a+b)x3+(a+b+c)x2+(a+b)x+a]=0

Per la legge di annullamento del prodotto, abbiamo la radice x=-1 e:

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

Questa è una equazione di prima specie e di quarto grado, poiché abbiamo una radice non nulla possiamo dividere per x2 e otteniamo:

 

 

Aggiungiamo e sottraiamo 2a:

 

 Poniamo:

 

otteniamo:

ay2 + (a + b)y + b + c – a = 0

che risolta ci fornisce i valori:

 

 Essendo:

 

risulta:

x2+1=yx

x2-yx+1=0

quindi y1 e y2 rappresentano i coefficienti del termine lineare in x delle equazioni:

x2-y1x+1=0

x2-y2x+1=0

pertanto le soluzioni dell’equazione sono:

x1=+1

 

 

 

Risoluzione delle equazioni reciproche di seconda specie e 6° grado

Un’equazione reciproca di sesto grado e seconda specie ha come radici –1 e +1 e quindi il suo primo membro è divisibile per x+1 e per x-1. Di conseguenza, l’equazione si scinde in tre equazioni: due di primo grado, che hanno come radici –1 e +1, ed una di quarto grado, che risulta reciproca di prima specie e che si risolve, quindi, come già visto in precedenza.

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Ultimo aggiornamento Domenica 06 Febbraio 2011 19:55