问题

根据这个四元四次方程组,计算 λ1 × λ2 × λ3 × λ4 的值。有什么简单方法?

回答
对于一个四元四次方程组,要计算 $ lambda_1 imes lambda_2 imes lambda_3 imes lambda_4 $ 的值,最直接但通常也最复杂的“直接”方法是:

1. 解出方程组: 找到满足方程组的所有 $ lambda $ 的值,也就是 $ lambda_1, lambda_2, lambda_3, lambda_4 $。
2. 相乘: 将求出的这四个值直接相乘。

然而,正如您所暗示的,这个过程对于四次方程组来说,往往涉及到非常复杂的代数运算,甚至可能需要数值方法来近似求解。所以,您正在寻找的“简单方法”,很可能不是去真正解出每个 $ lambda $,而是利用一些数学性质来间接计算它们的乘积。

什么情况下存在“简单方法”?

“简单方法”的存在,通常取决于这个四元四次方程组的具体形式。如果方程组满足某些特殊结构,我们就可以利用韦达定理(Vieta's formulas)的推广来求解。

韦达定理与方程组的联系

韦达定理是关于多项式方程根与系数之间关系的定理。对于一个单变量的多项式方程:

$ a_n x^n + a_{n1} x^{n1} + dots + a_1 x + a_0 = 0 $

如果它的根是 $ x_1, x_2, dots, x_n $,那么:

根的乘积 $ x_1 imes x_2 imes dots imes x_n = (1)^n frac{a_0}{a_n} $

我们的问题是四元四次方程组,这比单变量多项式要复杂。这里的 $ lambda $ 可能是方程组的特征值,或者是由某个矩阵的特征多项式产生的。

情况一:方程组源自一个矩阵的特征方程

如果您的这个四元四次方程组实际上是某个 $4 imes 4$ 矩阵 $A$ 的特征方程:

$ det(A lambda I) = 0 $

其中 $I$ 是 $4 imes 4$ 的单位矩阵,而 $ lambda_1, lambda_2, lambda_3, lambda_4 $ 是矩阵 $A$ 的四个特征值。

那么,特征方程展开后,通常会是一个关于 $ lambda $ 的四次多项式:

$ c_4 lambda^4 + c_3 lambda^3 + c_2 lambda^2 + c_1 lambda + c_0 = 0 $

根据韦达定理,这四个特征值(也就是 $ lambda_1, lambda_2, lambda_3, lambda_4 $)的乘积是:

$ lambda_1 imes lambda_2 imes lambda_3 imes lambda_4 = (1)^4 frac{c_0}{c_4} = frac{c_0}{c_4} $

这里的“简单方法”就是:

1. 识别出方程组的来源: 确定它是否与某个矩阵的特征方程有关。
2. 找到常数项和最高次项的系数: 也就是 $ c_0 $ 和 $ c_4 $。
3. 计算比值: $ frac{c_0}{c_4} $。

更进一步:矩阵的性质

如果方程组确实是某个矩阵 $A$ 的特征方程,那么:

$c_4$ 通常是 $ (1)^4 = 1 $ (如果我们写成 $ det(lambda I A) $ 的形式) 或者 $ (1)^4 det(A) $ (如果我们写成 $ det(A lambda I) $ 的形式,并且 $c_4$ 是 $ lambda $ 的系数)。
$c_0$ 实际上就是 $ det(A 0 cdot I) = det(A) $。

所以,在这种情况下,$ lambda_1 imes lambda_2 imes lambda_3 imes lambda_4 $ 的值等于矩阵 $A$ 的行列式 (determinant) $ det(A) $。

因此,如果您的四元四次方程组来自于某个矩阵的特征方程,那么计算 $ lambda_1 imes lambda_2 imes lambda_3 imes lambda_4 $ 的最简单方法就是直接计算对应矩阵的行列式。

如何判断方程组是否来自矩阵的特征方程?

这需要看您提供的具体方程组的形式。通常,特征方程会呈现出与矩阵运算相关的结构。例如,它可能直接来自于 $ det(A lambda I) = 0 $ 的展开。

举个例子:

假设您有一个 $4 imes 4$ 矩阵 $A$:
$ A = egin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 \ 0 & 5 & 6 & 7 \ 0 & 0 & 8 & 9 \ 0 & 0 & 0 & 10 end{pmatrix} $

这个矩阵是上三角矩阵。它的特征方程是 $ det(A lambda I) = 0 $。
$ A lambda I = egin{pmatrix} 1lambda & 2 & 3 & 4 \ 0 & 5lambda & 6 & 7 \ 0 & 0 & 8lambda & 9 \ 0 & 0 & 0 & 10lambda end{pmatrix} $

这个矩阵的行列式是其对角线元素的乘积(因为它是上三角矩阵):
$ det(A lambda I) = (1lambda)(5lambda)(8lambda)(10lambda) $

展开这个式子,最高次项是 $ (lambda)^4 = lambda^4 $,常数项是 $ 1 imes 5 imes 8 imes 10 = 400 $。

所以,特征方程为 $ lambda^4 + c_3 lambda^3 + c_2 lambda^2 + c_1 lambda + 400 = 0 $。
根据韦达定理,特征值(根)的乘积 $ lambda_1 lambda_2 lambda_3 lambda_4 = (1)^4 frac{400}{1} = 400 $。
而 400 正是矩阵 $A$ 的行列式 $ det(A) = 1 imes 5 imes 8 imes 10 = 400 $。

情况二:方程组不是直接来自矩阵的特征方程

如果您的方程组只是几个独立的、看起来不是由矩阵行列式直接生成的四次多项式方程(涉及四个变量 $ lambda_1, lambda_2, lambda_3, lambda_4 $,或者这四个 $ lambda $ 是某个更复杂系统中的参数),那么直接找到 $ lambda_1 imes lambda_2 imes lambda_3 imes lambda_4 $ 的“简单方法”就不那么普遍了。

在这种情况下,您需要仔细分析方程组的具体形式。是否有某些组合或者某个方程,其常数项和最高次项的系数能够直接反映这四个 $ lambda $ 的乘积?

例如,如果您的方程组是这样的:

1. $ lambda_1^4 + a_3 lambda_1^3 + a_2 lambda_1^2 + a_1 lambda_1 + a_0 = 0 $
2. $ lambda_2^4 + b_3 lambda_2^3 + b_2 lambda_2^2 + b_1 lambda_2 + b_0 = 0 $
3. $ lambda_3^4 + c_3 lambda_3^3 + c_2 lambda_3^2 + c_1 lambda_3 + c_0 = 0 $
4. $ lambda_4^4 + d_3 lambda_4^3 + d_2 lambda_4^2 + d_1 lambda_4 + d_0 = 0 $

这四个是独立的单变量四次方程。那么 $ lambda_1, lambda_2, lambda_3, lambda_4 $ 的乘积就是它们各自常数项的乘积除以各自最高次项系数的乘积,即 $ frac{a_0}{1} imes frac{b_0}{1} imes frac{c_0}{1} imes frac{d_0}{1} = a_0 b_0 c_0 d_0 $。

但是,如果方程组的形式是耦合的,涉及 $ lambda_1, lambda_2, lambda_3, lambda_4 $ 之间的交叉项,情况就会复杂得多。

总结一下,最简单的“简单方法”就是:

识别出方程组是否源自一个 $4 imes 4$ 矩阵的特征方程。
如果是,则 $ lambda_1 imes lambda_2 imes lambda_3 imes lambda_4 $ 就是该矩阵的行列式。

如果没有这个矩阵背景,那么“简单方法”的可能性就大大降低,需要依赖于方程组具体的代数结构,看看是否能直接提取出 $ lambda $ 的乘积。

为了给您更具体的建议,我需要看到您那个“四元四次方程组”的具体形式。 请您提供方程组,我才能判断是否存在更便捷的计算方法,而不是去硬解。

请您把方程组发给我,我们再一起看看。

网友意见

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我们来看看拉马努金大神这一类型问题的通用解法吧。(//高能预警//)

本篇回答的思想方法基于拉马努金于1912年(当时还未去剑桥)在印度数学期刊上发表的一篇论文[1]

而论文中的研究与本问题仍是有些出入的,因此本人将拉马努金的方法稍作改进[2]变为有利于本题的方法。

(尽管如此,这篇文章与他那些壮观的公式相比还是相对初等和简单的!所以一定要往下看,你也能稍微领略大神的思想!读者不妨拿起纸和笔跟我一起往下算!)

首先,面对等幂形式的问题,拉马努金构造了生成函数

,可以知道 用等比级数公式

展开,可以得到

代入题目的条件之后就能得到

其中 为代定系数。而与此同时,生成函数 还可以第二种方式通分写作下面的形式

其中 , 为待定的常数。结合 、 ,可以得到

利用柯西乘积公式,再利用生成函数对应系数相等的原理,可以得到方程组

而 , 共有8个未知数,因此还需要4个方程。(这里的方程不含 、 等参数,是因为它们对我们来说还是未知的)

柯西乘积公式:两个级数的乘法

其中

注意到 是由 通分得到的,所以有

我们知道,根据韦达定理,有

其中 为关于 次数为 的牛顿初等对称多项式

因此,对比 、 我们可以得到

且 (这里要注意前面的符号!

根据牛顿初等对称多项式的定义对 , 展开就能证明

这便是8元一次方程组 所缺少的4个方程。联立 , ,容易算出

因此,


一些题外话

以上的方法无疑是给出了此类问题的通用解法,对于更多未知数的情况依然能够套用,可以注意到,上面的方法可以简单地求出任意的牛顿基本对称多项式,同时避免了像 @杨杨 的针对性地、特殊地繁琐构造。(尽管这样是利用了万金油的牛顿对称多项式定理

牛顿定理:任意关于 的对称多项式都能写成都能表示为牛顿初等对称多项式的代数运算组合。

更进一步,我们如果还要计算对于任意 的

型多项式的值,只需注意到它是生成函数 中 的值,同时,利用柯西乘积公式得到 之后的方程

,由于 的数值已经在之前算出,所以我们可以陆续用递推的方式求出之后 的数值。


欢迎在评论区指正!!!

参考

  1. ^ S. Ramanujan (1912) Note on a set of simultaneous equations, Journal of the Indian Mathematical Society, VI: 94-96
  2. ^ 拉马努金的原论文研究的问题和本文还是有差别的,但是他的思想仍可以保留。

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