『数Ⅲ方式ガロアの理論』のガイドブック

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数Ⅲ方式ガロアの理論(その72)

 現在2023年11月1日21時06分である。(この投稿は、ほぼ2396文字)

麻友「太郎さん。若菜が、話があるそうよ」

私「どうしたの?」

若菜「もう、かなり前の、『数Ⅲ方式ガロアの理論(その41)』で、


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私「若菜、なぜ、{1} の3乗根 {\displaystyle \omega=\frac{-1+\sqrt{3}i}{2}} を、知っていたか、説明して?」

若菜「あー、つまり、方程式 {x^3=1} ですよね。{1} を移項して、

{x^3-1=0}

で、

{(x-1)(x^2+x+1)=0}

と、因数分解できる。後ろの2次式の根を、2次方程式の一般解で、求めると、

{\displaystyle x=\frac{-1 \pm \sqrt{1-4}}{2}}

なんだけど、ルートの中が、マイナスだから、中学校では、この方程式は、解けません。と習う。でも、高校へ行くと、

{i=\sqrt{-1}} として、これを、虚数単位と言い、

{\displaystyle x=\frac{-1 \pm \sqrt{1-4}}{2}=\frac{-1 \pm \sqrt{-3}}{2}=\frac{-1 \pm \sqrt{3}\sqrt{-1}}{2}=\frac{-1 \pm \sqrt{3}i}{2}}

と言うように、解けるとする。


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と、知ったかぶったのですが、

{\displaystyle x=\frac{-1 \pm \sqrt{1-4}}{2}=\frac{-1 \pm \sqrt{-3}}{2}=\frac{-1 \pm \sqrt{3}\sqrt{-1}}{2}=\frac{-1 \pm \sqrt{3}i}{2}}

の式の、

{\sqrt{1-4}=\sqrt{-3}=\sqrt{3}\sqrt{-1}=\sqrt{3}i}

の変形の根拠、特に、

{\sqrt{-3}=\sqrt{3}\sqrt{-1}}

として良いかどうか、悩んじゃったのですが」

私「私自身、これ、論理が飛んでるなと、気付いていた。具体的に言うと、正の実数 {a,b} に対しては、

{\sqrt{ab}=\sqrt{a} \sqrt{b}}

が、成り立つよね。{a=4,b=9} とすれば、

左辺={\sqrt{ab}=\sqrt{4 \times 9}=\sqrt{36}=6}

右辺={\sqrt{a} \sqrt{b}=\sqrt{4} \sqrt{9}=2 \times 3 =6}

だから、大丈夫」

若菜「あっ、一方が、負の場合どうなるか?」

私「一方が、負の場合、

{\sqrt{ab}=\sqrt{a} \sqrt{b}}

が、成り立つかどうか?」

麻友「調べるなら、両方負の場合も、調べて欲しいわね」

私「麻友さん。私は、今、本当に、3人を前に、考えているんだよ」

結弦「えっ、本当に、お父さんも、分かっていないの?」

私「うん」

麻友「それで、堂々と」

私「あー、分かった。要するに、

{\sqrt{-3}=\sqrt{3}\sqrt{-1}}

と、{\sqrt{-1}} に、{\sqrt{~}} が、付いているから、惑わされるんだ。{i=\sqrt{-1}} として、{i} にしちゃってご覧」

若菜「えーと、問題の

{\sqrt{1-4}=\sqrt{-3}=\sqrt{3}\sqrt{-1}=\sqrt{3}i}

で、{\sqrt{-3}=\sqrt{3}i} は、約束事だった。あっそうか、{i=\sqrt{-1}} のルートだけは、特別と思えば良いのね」


結弦「{a} を、正の実数として、{\sqrt{-a}=\sqrt{a}i} は、高校での常識。これを、{\sqrt{-a}=\sqrt{a} \sqrt{-1}} と、変形しようとすると、悩むこととなる。でも、気持ちは分かる。

 代数学辞典 上 問題番号 466

次の計算に誤りはないか、もしあれば、理由をつけてそれを訂正せよ。

(1){\sqrt{-2} \times \sqrt{-18}=\sqrt{(-2)(-18)}=\sqrt{36}=6}

という問題が、あるぐらい。でも、お父さんは、この問題が引用している、問題番号 455 に、

✕ {a>0} のとき {\sqrt{-a}=a i}

◯ {a>0} のとき {\sqrt{-a}=\sqrt{a} i}

という誤植があることを、指摘している。道理で、悩みを解決できたわけだ」

若菜「気になってたのよ。これから、どんどん、複素数が出てくるから。


 まとめ

 {a>0} として、{\sqrt{-a}=\sqrt{a} i=\sqrt{a}\sqrt{-1}}

と、計算して良い。

 まとめ終わり。


とします」

私「良いレポートになった。じゃあ、今日は、解散」

 現在2023年11月1日22時57分である。おしまい。