ทฤษฎีบทของมาร์เดน

ในทางคณิตศาสตร์ทฤษฎีบทของมาร์เดนซึ่งตั้งชื่อตามมอร์ริส มาร์เดนแต่ได้รับการพิสูจน์เมื่อประมาณ 100 ปีก่อนหน้านั้นโดยยอร์ก ซีเบค ให้ความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตระหว่างรากของพหุ นามดีกรีสาม ที่มีสัมประสิทธิ์เชิงซ้อน กับรากของ อนุพันธ์ของ พหุนามนั้น ดูเพิ่มเติมที่คุณสมบัติทางเรขาคณิตของรากพหุนาม
คำแถลง
พหุนามกำลังสามมีรากสามรากในระนาบจำนวนเชิงซ้อน ซึ่งโดยทั่วไปจะก่อตัวเป็นรูปสามเหลี่ยม และทฤษฎีบทเกาส์-ลูคัสกล่าวว่ารากของอนุพันธ์ของพหุนามนั้นจะอยู่ภายในรูปสามเหลี่ยมนี้ ทฤษฎีบทของมาร์เดนระบุตำแหน่งของรากเหล่านั้นภายในรูปสามเหลี่ยมนี้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น:
- สมมติว่ารากz , z และz ของพหุนามดีกรีสามp ( z )ไม่อยู่บนเส้นตรงเดียวกัน จะมีวงรีที่ไม่ซ้ำกันวงหนึ่งที่จารึกอยู่ในสามเหลี่ยมที่มีจุดยอดz , z , z และสัมผัสกับด้านที่จุดกึ่งกลางของจุดยอด เหล่านั้น ซึ่งเรียกว่าวงรีสไตเนอร์จุดโฟกัสของวงรีนั้นคือรากของอนุพันธ์p' ( z )
การพิสูจน์
หลักฐานนี้มาจากแบบฝึกหัดใน หนังสือ “เรขาคณิต” ของฟริตซ์ คาร์ลสัน (เป็นภาษาสวีเดน, 1943) [ 1 ]
กำหนดให้ ใดๆที่มีให้กำหนดแล้วดังนั้นเราจึงได้
และในทำนองเดียวกันสำหรับและกล่าวอีกนัยหนึ่ง ด้วยการเปลี่ยนตัวแปรเชิงเส้น เราสามารถทำการเลื่อน การหมุน และการปรับขนาดตามอำเภอใจบนรากของและได้
ดังนั้น โดยไม่เสียความเป็นทั่วไป เราจะให้จุดโฟกัสของวงรีสไตเนอร์อยู่บนแกนจริงที่ โดยที่คือความยาวโฟกัส ให้ เป็นความยาวกึ่งแกนยาวและกึ่งแกนสั้นตาม ลำดับ ดังนั้น
ให้รากทั้งสามของเป็นสำหรับ.
ยืดระนาบเชิงซ้อนในแนวนอนเพื่อให้วงรีสไตเนอร์กลายเป็นวงกลมที่มีรัศมีซึ่งจะเปลี่ยนรูปสามเหลี่ยมให้กลายเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าที่มีจุดยอด
จากเรขาคณิตของสามเหลี่ยมด้านเท่าเราจะได้ดังนั้นโดยสูตรของ Vieta (เพื่อความเรียบร้อยในการเขียน เราจะ "วนกลับ" ดัชนี นั่นคือ) เนื่องจากและ เราต้องการแสดงว่า จึงเหลือเพียงแสดงว่า
เนื่องจากยังคงต้องแสดงให้เห็นนั่นคือยังคงต้องแสดงให้เห็น
จากเรขาคณิตของสามเหลี่ยมด้านเท่า เราจะได้และสำหรับแต่ละซึ่งหมายความว่า
ซึ่งจะนำไปสู่ความเท่าเทียมกันตามที่ต้องการ
ความสัมพันธ์เพิ่มเติมระหว่างตำแหน่งรากและวงรีสไตเนอร์
ตามทฤษฎีบทเกาส์-ลูคัสรากของอนุพันธ์อันดับสองp "( z )ต้องเป็นค่าเฉลี่ยของจุดโฟกัสทั้งสอง ซึ่งก็คือจุดศูนย์กลางของวงรีและจุดศูนย์กลางมวลของสามเหลี่ยม ในกรณีพิเศษที่สามเหลี่ยมเป็นสามเหลี่ยมด้านเท่า (เช่น ในกรณีของพหุนามp ( z ) = z 3 − 1 ) วงรีที่แนบในสามเหลี่ยมจะกลายเป็นวงกลม และอนุพันธ์ของ pจะมีรากซ้ำที่จุดศูนย์กลางของวงกลม ในทางกลับกัน ถ้าอนุพันธ์มีรากซ้ำ สามเหลี่ยมนั้นจะต้องเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า ( Kalman 2008a )
การสรุปโดยทั่วไป
ทฤษฎีบทในรูปแบบทั่วไปมากขึ้น ซึ่งพัฒนาโดยLinfield (1920)ใช้ได้กับพหุนามp ( z ) = ( z − a ) i ( z − b ) j ( z − c ) kซึ่งดีกรีi + j + kอาจสูงกว่าสาม แต่มีรากเพียงสามรากคือa , bและcสำหรับพหุนามดังกล่าว รากของอนุพันธ์สามารถพบได้ที่รากซ้ำของพหุนามที่กำหนด (รากที่มีเลขชี้กำลังมากกว่าหนึ่ง) และที่จุดโฟกัสของวงรีซึ่งจุดสัมผัสกับสามเหลี่ยมแบ่งด้านของวงรีในอัตราส่วน i : j , j : kและk : i
การสรุปทั่วไปอีกประการหนึ่ง ( Parish (2006) ) คือสำหรับ รูปหลายเหลี่ยม nด้าน: รูปหลาย เหลี่ยม n ด้านบาง รูปมีวงรีภายในที่สัมผัสกับแต่ละด้าน ณ จุดกึ่งกลางของด้านนั้นๆ ทฤษฎีบทของ Marden ยังคงใช้ได้: จุดโฟกัสของวงรีสัมผัสจุดกึ่งกลางนี้คือศูนย์ของอนุพันธ์ของพหุนามที่มีศูนย์เป็นจุดยอดของรูปหลายเหลี่ยมnด้าน
ประวัติศาสตร์
ยอร์ก ซีเบค ค้นพบทฤษฎีบทนี้ 81 ปีก่อนที่มาร์เดนจะเขียนถึงมัน อย่างไรก็ตามแดน คาลมานตั้งชื่อบทความของเขา ในวารสาร American Mathematical Monthlyว่า "ทฤษฎีบทของมาร์เดน" เพราะเขาเขียนว่า "ผมเรียกมันว่าทฤษฎีบทของมาร์เดนเพราะผมได้อ่านมันครั้งแรกในหนังสือที่ยอดเยี่ยมของ ม. มาร์เดน"
มาร์เดน ( 1945 , 1966 ) ระบุว่าทฤษฎีบทที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อทฤษฎีบทของมาร์เดนนั้น มาจาก ซีเบค (1864) และอ้างอิงเอกสารเก้าฉบับที่กล่าวถึงทฤษฎีบทนี้ แดน คาลมาน ได้รับรางวัล เลสเตอร์ อาร์. ฟอร์ด ประจำ ปี 2009 จากสมาคมคณิตศาสตร์แห่งอเมริกาสำหรับบทความของเขาในปี 2008 ในวารสารAmerican Mathematical Monthlyที่อธิบายถึงทฤษฎีบทนี้
ดูเพิ่มเติม
- ทฤษฎีบทของโบเชอร์สำหรับฟังก์ชันตรรกยะ