Antes de estudiar la ecuación general de tercer
grado consideremos los dos casos particulares siguientes:
I. Si la ecuación es x3 - 1 =
0,
(1)
es evidente que una de sus tres raíces es 1, y, por lo tanto, el
primer miembro de (1) es divisible por x - 1, siendo las otras dos raíces
las de la ecuación de segundo grado
x2 + x + 1 =
0
(2)
que resulta de dividir el primer miembro de la (1), o sea, las tres
raíces cúbicas de la unidad, son:
x = 1,
Véase raíz de un
número complejo.
II. Si la ecuación
es
x3 - A =
0,
(3)
se tendrá:
x =
y
si es la raíz cúbica aritmética de A y b la expresión por la cual hay
que multiplicar a
para tener las tres raíces de la ecuación dada, es
y
elevando al cubo:
a3 = A , a3 b3 = A,
de
donde:
b3 = 1 ; b =
lo
que nos dice: Las raíces de la ecuación (3) se obtienen multiplicando la
raíz cúbica aritmética de A por las tres raíces cúbicas de la unidad;
pero como estas tres raíces están ligadas por las relaciones
1 +
(4)
como
fácilmente se comprueba sustituyendo en ellas los valores de
obtenidos en el primer caso, resulta que las raíces de la ecuación (3)
son:
III.
Consideremos ahora el caso general. Toda ecuación cúbica completa se
puede escribir bajo la forma
A0x3 + A1 x2 + A2 x
+ A3 = 0, (5)
la
cual se transforma en
x3 + px + q =
0
(6)
aplicando
a la (5) las reglas de transformación de ecuaciones.
Para
resolver esta
transformada
(6),
sean
(u) y (v) dos arbitrarias y pongamos
x = u +
v.
(7)
Elevando
al cubo, es
x3 = u3 + 3u2v + 3uv2 + v3
= 3uv (u + v) + u3 + v3
de
donde:
x3 - 3uvx - (u3 + v3) =
0,
(8)
Ahora
bien; puesto que u y v son arbitrarias, dispongamos de ellas de modo que
sea
3uv = - p , u3 + v3 =
q,
(9)
y
entonces las ecuaciones (6) se verificará para
x = u + v.
Elevando
al cubo la primera de las igualdades (9) es
27u3 v3 = -p3
(10)
expresión
que, con la segunda de las (9), nos dice que u3 y v3
son las raíces de una ecuación de segundo grado cuyo segundo coeficiente
es q y el término independiente
;
luego son las de la ecuación
(11)
de
donde:
y
de aquí:
(12)
y
en virtud de (7)
(13)
que
es la llamada fórmula de Cardano por haberla publicado éste en su
Ars Magna, Nuremberg, 1545, pero que, en realidad, el primero que
la encontró fue Tartaglia.
Cada
uno de los radicales (12) tiene tres valores que, combinados en la
fórmula (13), dan nueve valores para x, pero como la ecuación (6)
sólo tiene tres raíces, se han introducido seis raíces extrañas, y,
por consiguiente, hay que combinar pares de valores de u y v de modo que
sea
3uv = - p .
Si
es M un valor del primer radical (12) y N uno del segundo, los otros
valores del primer radical serán
y
los del segundo
y
las tres raíces de la ecuación propuesta:
x1= M + N ,
x2 =
(14)
x3
puesto
que, por hipótesis, ha de ser
y
siendo
el
producto de las raíces aritméticas que hay que asociar para tener los
valores de x debe ser igual a
o
a MN.
Al
ser reales los coeficientes p y q de la ecuación (6), hay que tomar los
de u y v de modo que el producto uv sea real, y, es esta hipótesis,
distinguiremos tres casos, según que
sea
positivo, nulo o negativo.
a)
En el primer caso, los radicandos de la fórmula (13) son reales y
desiguales y cada uno de los radicales tiene un valor real y dos
imaginarios, siendo distintos los de uno y otro radical, y como el
producto de estos valores reales es
se tendrá (14), designando por M y N dichos valores:
x1 = M + N,
lo
que nos dice: La ecuación tiene una raíz real y dos imaginarias
conjugadas.
b)
Si es
los
valores de M y N son iguales y las raíces de la ecuación
serán
es
decir: La ecuación tiene reales sus tres raíces, siendo dos de ellas
iguales entre si,
c)
Si es
los
radicandos de la fórmula (3) son imaginarios conjugados, y, por
consiguiente, los valores de los radicales; de modo que si es a + bi
uno de los valores del primer radical, los otros dos
son: (a + bi) a
, (a + bi) a2
,
donde
a
es una de las raíces imaginarias de la unidad, y los valores del segundo
radical serán:
poniendo
en las fórmulas (14)
M = a + bi , N = a - bi ,
las
raíces de la ecuación
son
reales.
La
primera de estas raíces no puede ser igual a ninguna de las otras dos,
porque si fuera
de
donde:
a + bi = a (1± 3i) = - 2 aa,
y
elevando al cubo:
igualdad
absurda porque, siendo, por hipótesis
el
cubo de a + bi no puede ser igual a un número real - 8a3, como
las dos últimas raíces tampoco pueden ser iguales por ser b ¹
0, resulta:
Las tres raíces de la ecuación son reales y desiguales.
Este
caso presenta notables particularidades. La fórmula (13) expresa las
raíces mediante radicales de radicandos complejos, de modo que dando a
éstos la forma
a + bi y a - bi ,
las
tres raíces de la ecuación (6), son como acabamos de ver:
x1 = 2a ,
x2 = -a + b
x3 = -a - b
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