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第18章 韦达

韦达(Vieta,1540-1603年),法国普瓦捷人,韦达子承父业,也学法律专业,普瓦捷大学毕业后以律师为业,法国行政法院审查官兼皇室律师。业余时间自修数学,成为代数学权威。

韦达的代表作是《分析方法入门》,此外还有《三角学的数学基础》《数值解法》《论方程的整理与修正》《各种各样的解法》《回答》等著作。

韦达关于三次方程的解法,与塔塔利亚、卡丹等人的解法不同,对于方程

x3+3ax=b

x=ay-y

则方程变成

(ay-y)3+3a(ay-y)=b

(a3y3-3a2y2y+3ayy2-y3)+3ay-3ay=b

a3y3-3a2y+3ay-y3+3a2y-3ay=b

a3y3-y3=b

最后得

y6+by3-a3=0

这是以y3为未知量的一元二次方程,求得y3后,再求y与x即可。

对于一元四次方程,韦达也有高招,不妨设四次方程为三次项存在时,令x=y+α,适当选α的值可消去三次项。于是

x4=c-αx2-bx

x4+x2y2+14y4=c-αx2-bx+x2y2+14y4

(x2+y22)2=(y2-α)x2-bx+(y44+c)(16)

选择适当的y,目的是使(y2-α)x2-bx-(y44+c)是完全平方,这相当于使y满足判别式为零,即

b2-4(y2-a)(y44+c)=0

b2-4(y64+cy2-ay44-ac)=0

y6-ay4+4cy2=4ac+b2

解这个关于未知量为y2的二次方程,即得所求的y2,进而得y的值,把此y值代入式(16),两边开平方,得x的二次方程,进而求得x。

韦达的上述变换,真可谓鬼斧神工。

在《数值解法》一书中,他给出代数方程的近似数值解,例如对于二次方程

x2+bx=c

令x1是它的一个近似值,考虑此根的更好近似值x1+x2,有

(x1+x2)2+b(x1+x2)=c

x21+2x1x2+x22+bx1+bx2=c

当x2很小时,忽略x22,则得

x2=c-x21-bx12x1+b

用x1+x2代替x1,用上述同样的算法可得更好的近似x1+x2+x3,等等。韦达用这种逐次逼迫的数值方法求解过六次方程x6+6000x-191246976=0。

在《各种各样的解法》一书中,韦达考虑单位圆内接正4,8,16,…,2n边形的面积,n趋于无穷时,此面积的极限为π=S=21212+121212+1212+1212…这是数学史上第一个关于π的计算公式。韦达算得π∈(3.1415926535,3.1415926536)。

在三角学中,韦达建立了和差化积公式sinA±sinB=2sin(A±B2)cos(A±B2)和三角形(△ABC)的正切定律a+ba-b=tan(A-B2)tan(A+B2)。

韦达的一项最有用的成果是高次方程的韦达定理:对n次方程

a0xn+a1xn-1+a2xn-2+…+an-1x+an=0

设x1,x2,…xn是它的n个根,则

∑ni=1xi=-a1a0

∑ni<1xixj=-a2a0

∑ni<j<kxixjxk=-a3a0

……

x1x2…xn=(-1)nana0

当时韦达并未给出上述韦达定理的证明,其严格证明是1797年之后高斯等人给出的。韦达定理是代数学最根本的理论基础之一。

对于希腊的三大作图题,韦达曾作过深入研究,他发明了一种用可刻度直尺来解倍立方问题的解法。

已知线段AB,欲作线段AC,使得AC3=2(AB)3。

1°作∠ABM=90°,∠ABN=120°,见图35。

2°作直线AD,交BM于C,交BN于D,在直尺上标志与AB等长的线段A′B′,作直线AD时,调整直尺方位,CD=A′B′,则AC即为所示。

事实上,设AB=a,AC=b,BC=c,∠ADB=θ。在ABD中,由正弦定理

asinθ=a+bsin120°

aa+b=sinθsin120°

在BCD中,由正弦定理

csinθ=asin30°

ac=sin30°sinθ

于是

a2c(a+b)=sin30°sin20°=33

又由勾股定理c2=b2-a2,于是

a4(b2-a2)(a+b)2=13

2a3(2a+b)=b3(2a+b)

即有2a3=b3,2(AB)3=AC3。

在法国与西班牙战争期间,韦达为法国军队破译了西班牙的密码,使西班牙遭到重大的失败。西班牙国王菲力普二世深信他的密码不是凡人可以破译的,他便向教皇控告韦达对西班牙实施了魔术妖法,“与基督教教义相背”。西班牙宗教裁判所以韦达背叛上帝罪,缺席宣判韦达焚刑。在法国学术界的保护之下,韦达幸免死刑,1603年在巴黎寿终正寝。

1646年,《韦达文集》出版,他的光辉的代数学思想与丰富的成果,被数学界所吸收,韦达被尊称为“代数学之父”。