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Teoria das Equações é uma das mais belas e relevantes páginas da História
da Matemática, onde se evidencia a força criativa do espírito humano. Já
os Babilônios desenvolveram questões aritméticas e era notável sua
familiaridade com as propriedades dos números. E difícil determinar as
origens dessa faceta da civilização babilônia mas é conhecido que, por
volta de 1800 A.C., alguns métodos de resolução da equação do 2º
grau eram utilizados enquanto os egípcios, na mesma época, possuíam
apenas métodos de resolução de equações do 1º grau. Um problema fundamental da antiga Álgebra Babilônia era saber que número adicionado ao seu recíproco daria um determinado número. Em notação moderna, os babilônios procuravam x tal Essa
equação leva-nos a uma equação quadrática em x, a saber x2 -
bx + 1 = 0. Procurando a solução através do processo de “completar
quadrados”, eles calculavam
Os
problemas algébricos eram enunciados e resolvidos verbalmente. As
palavras us (comprimento), sag (largura) e asa (área) eram freqüentemente
utilizadas para as incógnitas, não necessariamente porque as incógnitas
representassem essas quantidades geométricas, mas provavelmente porque
muitos problemas algébricos eram decorrentes de situações geométricas
e a terminologia geométrica se tornou ”standard”. Podemos ter uma idéia
de como estes termos eram empregados pelo seguinte texto babilônio: ‘Multipliquei
Comprimento e Largura obtendo Área 10. O excesso do Comprimento sobre a
Largura multiplicou por si mesmo e o resultado por 9 e esta Área é
aquela obtida multiplicando o Comprimento por si mesmo. Quais são o
Comprimento e a Largura?” Hoje
nós escreveríamos tal problema como: x.y
10; 9(x - y)2 = x2 É
fácil ver que tal problema leva a uma equação do quarto grau sem
termos em x e x3, podendo então ser resolvida como uma equação
quadrática em x2. Problemas envolvendo equações do terceiro
grau também eram familiares aos babilônios. Um exemplo, em notação
moderna seria: onde
V é algum volume conhecido. Os
números negativos e complexos entraram para o modelo numérico muito mais
tarde, em conexão com os esforços, na Itália, por volta de 1500, para a
resolução da equação do terceiro e quarto graus. Os
gregos antigos usavam os métodos das Construções Geométricas para
resolver algumas equações do 2º grau e até alguns tipos de equações
cúbicas. Dentro dessa linha, os gregos nos legaram os famosos problemas
clássicos da “trissecção do ângulo”, da “duplicação do cubo”
e da “quadratura do círculo”. A importância desses problemas está
no fato de que eles não podem ser resolvidos geometricamente por meio dos
instrumentos régua (sem escala) e compasso. Matemáticos de diferentes
períodos contribuíram para mostrar a ligação desses problemas com a
teoria das equações polinomiais sendo, então, todos respondidos
negativamente (RPM n.º 6, pág. 18). Os
gregos empregaram métodos geométricos, mas, os
hindus, no início da era cristã, utilizaram métodos aritméticos na
resolução de equações, os quais foram desenvolvidos pelos árabes e um
dos mais significativos resultados desse período árabe é, sem dúvida,
a solução algébrica geral da equação do 2º grau, cujas raízes são
dadas pela fórmula amplamente conhecida. Apesar
de tudo, as resoluções algébricas para as equações cúbicas eram
desconhecidas. No final do século XV e início do século XVI os matemáticos
italianos, principalmente de Bolonha, descobriram que a solução da equação
cúbica poderia ser reduzida àquelas dos seguintes tipos: x3
+ px
= q, x3 = px + q e x3 + q = px (observe que essas
distinções são decorrentes do não reconhecimento dos números
negativos). Scipione
del Ferro, e mais tarde Niccolo Fontana (conhecido como Tartaglia),
descobriram as soluções daquelas equações. Os argumentos de Tartaglia
foram divulgados por Gerônimo Cardano (1501-1576) com a publicação do
seu Ars Magna, 1545, que também divulgou o método de Ferrari da redução
de uma equação do 4o grau a uma de 3o grau através
de uma expressão radical. Ora,
já que as raízes das equações de grau são
4 são expressões radicais,
naturalmente a pergunta que segue é inevitável: Será
que as equações de grau 5 também são resolúveis por meio de expressões
radicais? Muitos
matemáticos importantes atacaram o problema. Euler não conseguiu resolvê-lo,
porém encontrou novos métodos para a resolução da equação do 4o
grau. Em 1770 Lagrange conseguiu um resultado que iria contribuir bastante
para o estudo das equações do 5o grau. Ele unificou os
argumentos nos casos das equações de grau 3 e 4 e mostrou porque tal
argumento falhava no caso do grau 5. A partir daí um sentimento de que a
resposta para o grau 5 seria negativa tomou corpo entre os pesquisadores
da época. Ruffini, em 1813, tentou uma demonstração de tal
impossibilidade mas seus argumentos tinham muitas falhas. Finalmente, em
1824, Abel provou que a equação geral de grau 5 não é resolúvel por meio de radicais. Não
ficou estabelecido, porém, quando uma equação de grau
5 é ou não “resolúvel
por meio de radicais”. Em
1843 Liouville escreveu para a Academia de Ciências de Paris anunciando
que os trabalhos deixados por Evariste Galois (1811-1832) continham uma
solução que respondia precisamente quando uma equação de grau
5 é ou não
“resolúvel por meio de radicais”. A
solução apresentada por Galois, ao caracterizar as equações
polinomiais resolúveis por meio de radicais, através de propriedades do
grupo de automorfismos de um corpo, é considerada uma das principais
conquistas da Álgebra no século XIX. O
leitor interessado neste assunto pode consultar, a respeito, a literatura
existente sobre a Teoria de Galois, e, em particular, o livro de A. Gonçalves,
citado na Bibliografia, apresenta um parágrafo no capítulo VII sobre a
solubilidade por meio de radicais.
Dada
a equação: x3
+ px + q = 0,
(1) vamos
procurar suas soluções em duas etapas. Na primeira etapa, mostraremos
que se u e v são tais que
então
x = u – v será solução de (1). Na segunda etapa, determinaremos u e
v. 1.ª Etapa: sejam u e v satisfazendo às condições (2); temos 3uv = p e, substituindo p e q em Portanto
x = u – v é solução da equação (1).
Resolvendo esta equação quadrada em u3, temos:
mas
donde:
Portanto
uma raiz da equação (1) é:
Conhecida
a raiz de x1 de (1), é possível fatorar o polinômio x3
+ px + q, dividindo-o por Assinalamos
que este procedimento é suficiente para resolver qualquer equação do 3.º
grau. De fato, dada uma equação geral de grau 3 podemos, para efeito de
determinar as suas raízes, supor que o coeficiente do termo dominante
seja 1 e ela será, então, da forma y3
+ ay2 + by + c = 0 (3) Mediante
a substituição y = x +
em (3), obtemos x3
+ (3
+ a)x2 + (32
+ 2a
+ b)x + 3
+ b
+ c = 0,
Finalmente,
retomando a exposição historia, lembramos que, no “Ars Magna”,
Cardano estudou a equação cúbica particular
x3 + 6x = 20, quando se serviu de linguagem e processo
geométricos. A título de ilustração, apresentamos nos quadros abaixo a
solução enunciada por Cardano e um esboço geométrico de uma das provas
utilizadas por ele.
O
desafio da resolução de uma equação de 4.º grau foi lançado em 1540
pelo Matemático italiano Zuanne de Tonini da Coi. Ele propôs a Cardano o
seguinte problema: “Dividir
10 em três partes numa proporção contínua de forma que o produto das
duas primeiras seja 6.” Apresentamos
a seguir a solução de Cardano do problema acima, numa versão algébrica.
Cardano chegou a estes resultados através de raciocínios geométricos.
Na verdade, o método da sua resolução é devido ao seu secretário,
Luigi Ferrari (1522-1565). Cardano foi sincero, contando que este processo
“é devido a Luigi Ferrari, que o inventou a meu pedido”. Na
linguagem de hoje, o problema dado se traduz em determinar os números
(positivos) x, y e z tais que
equação:
que
é equivalente a uma quártica: x4
+ 6x2 + 36 = 60x. O
primeiro passo de Ferrari-Cardano, foi estabelecer a identidade:
como
ilustrado na figura. Os
passos subseqüentes são essencialmente os seguintes: 1.
Primeiro somar suficientes quadrados e números a ambos os lados para que
o primeiro 2.
Agora somar ambos os membros da equação termos desenvolvendo uma nova
incógnita y equação agora
fica:
=
. 3.
O passo crucial é o seguinte e consiste em escolher y de modo que o trinômio
no segundo membro fique um quadrado perfeito. Isso se faz igualando a zero
o discriminante:
4.
Do passo 3 resulta uma equação cúbica em y:
Essa
é agora resolvida em relação a y pelas regras previamente dadas para
resolução de equações cúbicas sendo o resultado:
5.
Substituir o valor de y obtido em 4 na equação para x do passo e extrair
a raiz quadrada de ambos os membros. 6.
O resultado do passo 5 é uma equação quadrática, que deve agora ser
resolvida a fim de que se ache o valor de x desejado. Duas raízes reais
do nosso problema são:
Para
o caso geral de uma equação de quarto grau, o método de Ferrari
consiste no seguinte: Reduzir
a equação:
Basta,
agora transformar o lado direito num quadrado perfeito, tomando valores
convenientes de y, os quais podem ser obtidos igualando a zero o
discriminante do trinômio a direita:
Essa
equação é uma cúbica, cuja resolução é conhecida. O passo seguinte é voltar à equação (*) substituindo y pelo seu valor encontrado acima; ela se reduz a equações de segundo grau, cuja resolução é bem conhecida.
Bibliografia
[1]
BOYER, C.B – “História da Matemática” - (1974), pág. 206-210. SMITH,
D.E. — “A Source Book in Mathematics” (1929), pag. 207-212. SMITH, D.E. — “History
of Mathematics” (Boston, Mass. 1925), vol. II,
pag. 462-463. BOURBAKI,
N. — “Elements d’Histoire
des Math;ématiques”, pag. 92-103. GONÇALVES,
A. — “Introdução à Álgebra” (Rio de Janeiro: IMPA, 1979, Projeto
Euclides). NR.
— Este artigo apresenta um tratamento algébrico para algumas equações.
Conquanto este seja um assunto de grande interesse, tanto sob o ponto de
vista histórico e do desenvolvimento que imprimiu à Álgebra, quanto
para o estudo geral das equações algébricas, cabe aqui uma observação
sobre o cálculo de raízes de equações algébricas. As fórmulas da Álgebra
para soluções de equações apresentam algumas deficiências. A primeira
delas vem citada no artigo: não admitem generalizações para equações
de graus mais altos.Uma segunda é a inconveniência para efeito de cálculo
numérico: no caso em que se precise o valor de uma tal raiz e os cálculos
indicados pelas fórmulas sejam muito complicados. Vale para a resolução
das equações algébricas o que vem sendo dito em vários números da RPM
sobre o cálculo de raízes quadradas, cúbicas, etc. Mais
especificamente, o método de Newton apresentado para a extração da raiz
n-ésima de um número real (RPM, n.º 4, pág. 25), ou seja para a resolução
da equação xn - C = 0, é mais geral e envolve o cálculo aproximado de
raízes de outras equações algébricas ou mesmo de equações não algébricas.
Um exemplo destes foi dado no cálculo da raiz negativa de 2x = x2 (RPM,
n.º3, pág. 18).
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