Funciones polinomiales de grado 3 y 4

Ecuación de tercer grado




I. El caso general


Una ecuación de tercer grado con una incógnita es una ecuación que se puede poner bajo la forma canónica:


ax³ + bx² + cx + d = 0,


donde a, b,c y d (a ≠ 0 ) son números que pertenecen a un cuerpo, usualmente a R o a ℂ. Sea K un cuerpoconmutativo, donde se pueden extraer raíces cuadradas y cúbicas. En este cuerpo, es posible factorizar por todo a ≠ 0, y la identidad siguiente es válida:


(a - b)3 = a3 - 3a2b +3ab2 - b3


Basta con encontrar una solución, digamos r, pues al factorizar ax3 + bx2 + cx + d por x - r, obtenemos unaecuación de segundo grado que sabemos resolver, lo que dará las demás raíces. En un cuerpoalgebráicamente cerrado, se sabe que todo polinomio de grado 3 tiene tres raíces. Es el caso del cuerpo de los complejos, según el Teorema Fundamental del Álgebra.


Los pasos de la resolución son:




Dividir la ecuación inicial por el coeficiente a (a ≠ 0 ). Se obtiene:




x3 + b'x2 + c'x + d' = 0 con b' = b/a, c' = c/a, d' = d/a.




Proceder al cambio de incógnita z = x + b'/3, para suprimir el término cuadrado. En efecto, al desarollar (z - b'/3)3 con la identidad precedente, vemos aparecer el término -b'z2, compensado exactamente por b'z2 que aparece en b'(z - b'/3)2. Se obtiene:




z3 + pz + q = 0, con p y q números del cuerpo.




y ahora, la astucia genial: escribir z = u + v.




La ecuación precedente da (u + v)3 + p(u+v) + q = 0.


Desarollando: u3 + 3u2v + 3uv2 + v3 + pu + pv + q = 0.


Reagrupando: (u3 + v3 + q) + (3uv2 + v3 + pu + pv) = 0.


Factorizando: (u3 + v3 + q) + (u + v)(3uv + p) = 0.


Comó se ha introducido una variable adicional (u y v en vez de z) , es posible imponerse una condicion adicional. Concretamente:


3uv + p = 0, que implica u3 + v3 + q = 0 .




Pongamos U = u3 y V = v3. Entonces tenemos U + V = - q y UV = - p3/27 porque UV = (uv)3 = (-p/3)3.




Por lo tanto U y V son las raíces de la ecuación auxiliar (E) X2 + qX - p3/27 = 0, que se sabe resolver.


Luego u y v son raíces cúbicas de U y V (que verifican uv = -p/3), z = u + v y finalmente x = z - b'/3. En el cuerpo C, si u0 y v0 son estas raíces cúbicas, entonces las otras son ju0 y j2u0, y por supuesto jv0 y j2v0, con j = e2iπ/3, una raíz cubica de la unidad.


Como el producto uv está fijado ( uv = -p/3) las parejas (u, v) posibles son ( u0, v0), ( ju0 , j2v0) y (j2u0, jv0).


Las otras raíces de la ecuación de tercer grado son por lo tanto ju0 + j2v0 - b'/3 y j2u0 + jv0 - b'/3.




II. El caso real


Las primeras ecuaciones de tercer grado que se intentó resolver fueron con coeficientes reales (de hecho: enteros). El cuerpo de los reales no es algebráicamente cerrado, por lo tanto, el número de raíces reales no es siempre 3. Las que faltan se encuentran en C, extensión agebráica cerrada de R. La distinción aparece cuando se sacan las raíces cuadradas en el cálculo de U y V. Las raíces cúbicas no plantean problemas.


Se demuestra que el número de raíces reales depende del discriminante (multiplicado por 27) de la ecuación auxiliar Δ = 4p3 + 27q2:




Si Δ > 0 existe una única raíz real. Las demás son complejas conjugadas.


Si Δ = 0 existe una raíz multiple real: una raíz triple o una doble y otra simple, todas reales.


Si Δ < 0 existen tres raíces reales.




Habrán notado que siempre hay por lo menos una solución real. Es debido a que las funciones polinomiales no constantes tienen límites infinitos en + ∞ y - ∞ y las de grado impar tienen límites de signos contrarios. Como son funciones contínuas, tienen que pasar por cero, por el teorema de los valores intermedios. En la figura siguiente se registra todos los casos, según los signos de a y de Δ.







III. Primer ejemplo

Sea 2t3 + 6t2 + 12t + 10 = 0 Sigamos los pasos descritos en el primer párrafo.



t3 + 3t2 + 6t + 5 = 0 (al dividir por 2)

con x = t + 1, es decir t = x - 1 reemplazando: (x - 1)3 + 3(x - 1)2 + 6(x - 1) + 5 = 0


desarollando: x3 + 3x + 1 = 0

x = u + v, U = u3, V = v3 y nos imponemos U + V = - 1 y UV = - 1.
U y V son las raíces de X2 + X - 1 = 0.

IV. Segundo ejemplo

Este ejemplo es histórico porque fue el que tomo Bombelli quien fue, con Cardano, el primero en resolver ecuaciones del tercer y cuarto grado por el método ya expuesto (en la Italia del renacimiento, en pleno siglo XVI).

La ecuación es x3 - 15x - 4 = 0.

Estudiando la función x → x3 - 15x - 4 o calculando el discriminante Δ = -13068 < 0, nos damos cuenta que esta ecuación tiene tres raíces ( vean el cuadro 3 de la figura). Por lo tanto debería ser más facil que en el primer ejemplo encontrar una.

Los dos primeros pasos son inútiles. Pasamos al tercero: x = u + v , U = u3, V = v3.

U + V = 4 y UV = 125

U y V son las raíces de X2 - 4X + 125 = 0, ecuación cuyo determinante ya hemos calculado y que es negativo. Por lo tanto no tiene raíces reales. Este método no permite encontrar las raíces, todas reales, pasando obligatoriamente por los complejos. ¡ Es paradójico !

Esta constatación fue un argumento a favor de los complejos: son herramientas imprescindibles para resolver ecuaciones, aunque sólo tengan soluciones reales.

Hallamos U = 2 - 11·i y V = 2 + 11·i. Extraer raíces cúbicas en los complejos no es lo mismo que en los reales. Hay dos métodos: uno geométrico, que utiliza el argumento y el módulo (se divide el argumento por tres, y se toma la raíz cúbica del módulo), y otro algebraico, que emplea las partes real e imaginaria: Pongamos u = a + bi.

u3 = 2 - 11i equivale al sistema:

a3 - 3ab2 = 2 (parte real)

3a2b - b3 = - 11 (parte imaginaria)

a2 + b2 = 5 (módulo)

Obtenemos a = 2 y b = -1, o sea u = 2 - i, y v es su conjugado: v = 2 + i.

En conclusión, x = u + v = (2 - i) + (2 + i) = 4, lo que se verifica de inmediato.

Las otras raíces son x' = j(2 - i) + j2(2 + i) = - 2 + √3 y x" = j2(2 - i) + j(2 + i) = - 2 - √3.

Cuando Δ es negativo, U y V son conjugados, y por lo tanto también lo son u y v (con tal de bien escoger la raíz cúbica, recordando que uv = -p/3); así estamos seguros de obtener un x real, y de hecho también x' y x".




























Funciones de grado 4

Para advertir la influencia de los parámetros en la gráfica de las funciones polinomiales de grado cuatro, es necesario, al igual como lo hiciste con las funciones polinomiales de grado 3, hacer pruebas modificando los parámetros de algunas funciones.

Observa las siguientes gráficas.

La gráfica de las funciones de grado cuatro se eleva sobre la izquierda y la derecha, es decir, crecen en ambos lados, a excepción de aquella cuyo coeficiente principal es negativo, decrece en ambos lados.
Con las gráficas de las funciones polinomiales de grado dos ocurre algo semejante, ¿lo recuerdas? Observa la función cuadrática y la de grado 4 en el mismo plano, además advierte el comportamiento de las funciones lineal y cúbica.

f(x)= x2 f(x)= x f(x) = x4 f(x) = x3
Ya lograste identificar que las funciones pares (2 y 4) tanto del lado izquierdo como derecho son ambas crecientes, y que las funciones impares (1 y 3) son crecientes del lado derecho y decrecientes del lado izquierdo. Esto ocurre cuando los coeficientes principales son positivos.