３次方程式の解の公式｜「カルダノの公式」の導出と歴史

２次方程式 $ax^2+bx+c=0$ の解が

$\begin{align*} x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a} \end{align*}$

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．

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，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．

このように，[３次方程式の解の公式]は存在すら永らく知られていませんでした．

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」の歴史と導出について説明します．

【SPONSORED LINK】

16世紀のイタリア

本題の前に[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書きましょう．

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．

この討論会では方程式の解を与える勝負が行われ，勝者には懸賞金が与えられていたそうです．

そこでは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．

このようにして[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．

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．

そんな折，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，独自にデル・フェロが導いた公式と同じものを導出しました．

しかし，フィオールは３次方程式の特別な場合のみしか解くことができなかったため，フォンタナは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たそうです．

カルダノとフォンタナ

３次方程式の討論会で[３次方程式の解の公式]を使ったフォンタナは有名となりました．

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，フォンタナは当然のごとく激怒しました．

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そうです．

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証明されたわけですね．

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，両辺を $a$ で割って

$\begin{align*} x^3+\frac{b}{a}x^2+\frac{c}{a}x+\frac{d}{a}=0 \end{align*}$

が成り立ちます．ここで， $x=X-\frac{b}{3a}$ とすると，

$\begin{align*} &\bra{X-\frac{b}{3a}}^3+\frac{b}{a}\bra{X-\frac{b}{3a}}^2+\frac{c}{a}\bra{X-\frac{b}{3a}}+\frac{d}{a}=0 \\\iff&\bra{X^3-\frac{b}{a}X^2+\frac{b^2}{3a^2}X-\frac{b^3}{27a^3}} \\&+\frac{b}{a}\bra{X^2-\frac{2b}{3a}X+\frac{b^2}{9a^2}}+\frac{c}{a}\bra{X-\frac{b}{3a}}+\frac{d}{a}=0 \\\iff&X^3+\frac{-b^2+3ac}{3a^2}X+\frac{2b^3-9abc+27a^2d}{27a^3}=0 \end{align*}$

となります．よって，

$\begin{align*} p=\frac{-b^2+3ac}{3a^2},\quad q=\frac{2b^3-9abc+27a^2d}{27a^3} \end{align*}$

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．

ステップ２

$\omega$ を１の原始３乗根の１つとすると，因数分解

$\begin{align*} &X^3+y^3+z^3-3Xyz \\=&(X+y+z)(X^2+y^2+z^2-Xy-yz-zX) \\=&(X+y+z)(X+\omega y+\omega^2z)(X+\omega^2 y+\omega z) \end{align*}$

が成り立ちます．なお，「１の原始３乗根」とは３乗して初めて１になる複素数のことで， $x^3=1$ の１でない虚数解に一致します．

よって

$\begin{align*} \begin{cases} -3yz=p\\ y^3+z^3=q \end{cases} \end{align*}$

を満たす $y$ , $z$ が分かれば，方程式 $X^3+pX+q=0$ の解を

$\begin{align*} X=-y-z,-y\omega-z\omega^2,-y\omega^2-z\omega \end{align*}$

により表せますね．

さて，先ほどの連立方程式より

$\begin{align*} \begin{cases} y^3z^3=-\frac{p^3}{27}\\ y^3+z^3=q \end{cases} \end{align*}$

となるので，２次方程式の解と係数の関係より $t$ の２次方程式

$\begin{align*} t^2-qt-\frac{p^3}{27}=0 \end{align*}$

は $y^3$ , $z^3$ を解にもちます．一方，２次方程式の解の公式より，この方程式の解は

$\begin{align*} t=&\frac{q\pm\sqrt{q^2+\frac{4p^3}{27}}}{2} \\=&\frac{3\sqrt{3}q\pm\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}} \end{align*}$

となります． $y$ , $z$ は対称なので

$\begin{align*} &y=\sqrt[3]{\frac{3\sqrt{3}q+\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}}}, \\&z=\sqrt[3]{\frac{3\sqrt{3}q-\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}}} \end{align*}$

として良いですね．これで，３次方程式が解けました．

結論

以上より，３次方程式の解の公式は以下のようになります．

３次方程式 $ax^3+bx^2+cx+d=0$ の解は

$\begin{align*} x=&-\frac{b}{3a}-\sqrt[3]{\frac{3\sqrt{3}q+\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}}}-\sqrt[3]{\frac{3\sqrt{3}q-\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}}}, \\&-\frac{b}{3a}-\sqrt[3]{\frac{3\sqrt{3}q+\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}}}\omega-\sqrt[3]{\frac{3\sqrt{3}q-\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}}}\omega^2, \\&-\frac{b}{3a}-\sqrt[3]{\frac{3\sqrt{3}q+\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}}}\omega^2-\sqrt[3]{\frac{3\sqrt{3}q-\sqrt{27q^2+4p^3}}{6\sqrt{3}}}\omega \end{align*}$

である．ただし，

$p=\dfrac{-b^2+3ac}{3a^2}$
$q=\dfrac{2b^3-9abc+27a^2d}{27a^3}$
$\omega$ は１の原始３乗根

である．

具体例

この公式に直接代入して計算するのは現実的ではありません．

そのため，公式に代入して解を求めるというより，解の導出の手順を当てはめるのが良いですね．

方程式 $x^3-3x^2-3x-4=0$ を解け．

単純に $(x-4)(x^2+x+1)=0$ と左辺が因数分解できることから解は

$\begin{align*} x=4,\frac{-1\pm\sqrt{3}i}{2} \end{align*}$

と得られますが，[カルダノの公式]を使っても同じ解が得られることを確かめましょう．

$x=X+1$ とおくと，方程式 $x^3-3x^2-3x-4=0$ は

$\begin{align*} &(X+1)^3-3(X+1)^2-3(X+1)-4=0 \\\iff&(X^3+3x^2+3x+1)-3(X^2+2X+1)-3(X+1)-4=0 \\\iff&X^3-6X-9=0 \end{align*}$

となる．因数分解

$\begin{align*} X^3-3yzX+(y^3+z^3) =(X+y+z)(X+\omega y+\omega^2z)(X+\omega^2 y+\omega z) \end{align*}$

と比較して，

$\begin{align*} \begin{cases} -3yz=-6\\ y^3+z^3=-9 \end{cases} \end{align*}$

なる $y$ , $z$ を見つけることができれば，解は

$\begin{align*} X=-y-z,-\omega y-\omega^2z,-\omega^2 y-\omega z \end{align*}$

となる． $y^3z^3=8$ と $y^3+z^3=-9$ だから，２次方程式の解と係数の関係より， $t$ の２次方程式

$\begin{align*} t^2+9t+8=0 \end{align*}$

は解 $y^3$ , $z^3$ をもつ．一方，これは $(t+1)(t+8)=0$ と左辺を因数分解できるから，解は $t=-1,-8$ である．

$y$ , $z$ の対称性より $(y^3,z^3)=(-1,-8)$ としてよく，さらに $yz=2$ に注意して $(y,z)=(-1,-2)$ としてよい．

以上より，求める解は

$\begin{align*} x=&X+1 \\=&-(-1)-(-2)+1,-(-1)\omega-(-2)\omega^2+1,-(-1)\omega^2-(-2)\omega+1 \\=&4,\omega+2\omega^2+1,\omega^2+2\omega+1 \\=&4,\omega^2,\omega \\=&4,\frac{-1\pm\sqrt{3}i}{2} \end{align*}$

である．

なお，最後に $(y,z)=(-2,-1)$ や $(y,z)=(-\omega,-2\omega^2)$ などとしても，最終的に

$-y-z$
$-y\omega-z\omega^2$
$-y\omega^2-z\omega$

が辻褄を合わせて同じ解が得られます．

参考文献

数学の真理をつかんだ25人の天才たち (イアン・スチュアート著，水谷淳訳，ダイヤモンド社)

アルキメデス，オイラー，ガウス，ガロア，ラマヌジャンといった数学上の25人の偉人が，時系列順にざっくりとまとめられた伝記です．

カルダノもこの本の中で紹介されています．

しかし，上述したようにカルダノ自身が重要な発見をしたわけではないので，カルダノがなぜ「数学の真理をつかんだ天才」とされているのか個人的には疑問ではあります……

とはいえ，ほとんどが数学界を大きく発展させるような発見をした人物が数多く取り上げられています．

そして「そんな偉大な人物が実はそんな人間だったのか」と意外な一面も知ることができる一冊になっています．

Amazon 楽天市場

rocketman より:

5月 18, 2020 7:01 pm

誤りだと思われる点をいくつか見つけましたので、こちらにコメントします。

p=(-b^2+3a^2c)/3a^2
↓
p=(-b^2+3ac)/3a^2

ステップ2及び具体例の因数分解の
X+ω^2y+ωy
↓
X+ω^2y+ωz

結論の解の公式の右辺第2項のaは不要ではないでしょうか？

具体例の
X^3+3x^3+3x+1
↓
X^3+3X^2+3X+1

t^2+9t+8=0がそのまま表示されているようです。(LaTeXを使ったことがなく今初歩的なことを調べただけなので、そうではないかもしれないのですが)beginのスペルミスが原因ではないでしょうか？

長文失礼しました。

返信
- yama-taku より:
  
  5月 18, 2020 11:04 pm
  
  多くのご指摘をありがとうございます．
  ご指摘のように，誤植がありましたので修正しました．
  
  \beginもスペルミスで，不細工なところをお見せして失礼しました．
  
  返信