グレーフェの方法                          戻る

 4次以下の方程式には解の公式が存在するが、5次以上の方程式には存在しないので、
個々の場合については、解を近似的に求めることが主眼となる。

 当HPでは、高次方程式の解の近似計算として、Hornerの方法をとりあげた。この方法
は、どんな方程式の近似解を求めることにも使えるが、解のおおよその値が分かっていて、
それを精密に求めていくというもので、そのおおよその値が分かっていないと使用が難しい
という弱点があった。

 この方法を改良したものが、グレーフェの方法Graeffe’s method)である。(1837年)

 まず具体的な方程式に対して、グレーフェの方法の考え方を眺めてみよう。

例 2次方程式 X2−3X+2=0 は、(X−2)(X−1)=0 より、解 2 ,1 を持つ。

  いま、この解が不明なものとし、以下のように考えて、解 2 ,1 の近似解を求める。

  F(X)=X2−3X+2 とおく。このとき、

    F(X)F(−X)=(X−2)(X−1)(−X−2)(−X−1)

            =(X−2)(X+2)(X−1)(X+1)

            =(X2−4)(X2−1)

            =X4−5X2+4 

 ここで、 X2=Y とおき、 F1(Y)=F(X)F(−X) とすると、

       F1(Y)=Y2−5Y+4

となる。

このとき、 F1(Y)=0 は、解 4 ,1 を持つ。これは、ちょうど、F(X)=0 の解
 2 ,1 を用いて、22 ,12 になっている点に注目すべきだろう。


 この操作を続ける。すなわち、 F2(Z)=F1(Y)F1(−Y) (Y2=Z)とおくと、

        F2(Z)=Z2−17Z+16

である。 (このとき、 F2(Z)=0 は、解 24 ,14 を持つ。

同様にして、F3(W)=F2(Z)F2(−Z) (Z2=W)とおくと、

        F3(W)=W2−257W+256

である。 (このとき、 F3(W)=0 は、解 28 ,18 を持つ。

 解 28 ,18 の大きさを考えると、8 は、18 に比べて非常に大きいといえる。

そのため、F3(W)=0 の解と係数の関係において、

      28 + 18 = 257  、   28 × 18 = 256

であるが、これは、ほぼ、 28 ≒ 257  、 18 ≒ 256/257 と考えてよいことを意

味する。

解の近似値が方程式の隣り合う係数の比の(−1)倍で得られる点に注目すべきだろう。

 よって、元の解は、それぞれ 257 、256/257 の8乗根として近似解が得られる。

 1837年当時は、対数全盛の時代であったから、この8乗根の計算は、対数表を用いて
簡単に近似計算が出来たに違いない。

(今の世でも普通の電卓には必ずといっていいほど、√キーがついている。
 従って、2乗根は、√キーを1回、4乗根は、√キーを2回、8乗根は、√キーを3回たた
 けば、瞬時に求められる。これは、グレーフェの方法にとっては、とても便利な機能だ。)

 以上で述べたことを一般的に言い換えてみよう。

 方程式 F(X)=a+an−1n−1+・・・+a22+a1X+a0 = 0 の n 個の実数解を、

  α1 、α2 、α3 、・・・、α    (但し、|α1|>|α2|>|α3|>・・・>|α|)

とする。 このとき、 F1(Y)=F(X)F(−X)=0 の解は、 α12 、α22 、α32 、・・・、α2 で

ある。ただし、Y=X2 である。同様にして、

 F2(Z)=F1(Y)F1(−Y) の解は、 α14 、α24 、α34 、・・・、α4 で、Z=X4 である。

この操作を、m 回続ける。

 F(V)=Fm−1(W)Fm−1(−W)

      =b+bn−1n−1+・・・+b22+b1dX+b0 = 0 の解は、

   α12^m 、α22^m 、α32^m 、・・・、α2^m で、 V=X2^m である。

このとき、解と係数の関係により、

       α12^m +α22^m +α32^m +・・・+α2^m = −bn−1/b

       α12^m・α22^m +α22^m・α32^m +・・・+αn−12^mα2^m = bn−2/b

           ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

       α12^m ×α22^m ×α32^m ×・・・×α2^m = (−1)0/b

 ところで、|α|>|αk+1|より、|αk+1|= L>1 なので、

    |α2^m /αk+12^m|= L2^m の値は、十分大きい m の値に対して、かなり大

きいと言える。

すなわち、十分大きい m の値に対して、|α2^m|は、|αk+12^m|と比べて、かなり

大きいと考えてよい。

 したがって、解と係数の関係により、

  α12^m ≒ −bn−1/b

  α12^m・α22^m ≒ bn−2/b より、α22^m ≒ −bn−2/bn−1

    ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  α12^m ×α22^m ×α32^m ×・・・×α2^m ≒ (−1)0/b より、

     α2^m ≒ −b0/b1

となる。(それぞれが、方程式の隣り合う2項の比の(−1)倍で与えられる。

 そこで、解 α1 、α2 、α3 、・・・、α の近似値を求めるには、それぞれ 2乗根を

とればよい。ただし、上記の計算からも分かるように、解の符号は、「+」 か 「−」 か分

からないので、解における関数値(組立除法を活用)から判断するしかない。

 今度は、3次方程式に対して、グレーフェの方法を適用してみよう。

例  3次方程式 X3−2X+1=0 において、F(X)=X3−2X+1 とおく。

    F(X)F(−X)=(X3−2X+1)(−X3+2X+1)=−X6+4X4−4X2+1

 ここで、 X2=Y とおき、 F1(Y)=F(X)F(−X) とすると、

       F1(Y)=−Y3+4Y2−4Y+1

となる。

同様にして、 F2(Z)=F1(Y)F1(−Y)=−Z3+8Z2−8Z+1 (Y2=Z)

         F3(W)=F2(Z)F2(−Z)=−W3+48W2−48W+1 (Z2=W)

         F4(V)=F3(W)F3(−W)=−V3+2208V2−2208V+1 (W2=V)

ここで、 α116 ≒ 2208 、α216 ≒ 1 、α316 ≒ 1/2208 であることがいえる。

ところで、2208 の16乗根のうち正のものは、だいたい 1.618079821 で、

このとき、  F(1.618079821)=2.000268317

        F(−1.618079821)=−0.000268317  ( ← 誤差が小さい!)

 だから、α1<0 で、  α1 ≒ −1.618079821

        F(1)=0 なので、 α2 = 1

    1/2208 の16乗根のうち正のものは、だいたい 0.6180164829 で、

このとき、  F(0.6180164829)=0.0000149523  ( ← 誤差が小さい!)

        F(−0.6180164829)=1.9999850477

 だから、α3>0 で、  α3 ≒ 0.6180164829

 小数第3位までを考えると、3次方程式 X3−2X+1=0 の解は、

         −1.618 、 1 、 0.618

であると言える。

 因みに、実際に解いてみると、 X3−2X+1=(X−1)(X2+X−1) なので、

解の公式から、 X=1、(−1±√5)/2 となる。

 √5 ≒ 2.236 なので、解はおおよそ、 1 、 0.618 、 −1.618 となり、

グレーフェの方法で得られたものに一致する。

(グレーフェの方法はとても単純である。いとも簡単に解の近似値が求められることに大変
感動した。ただ、累乗根の計算に電卓もしくは対数表を使わなくてはいけないが.....。)

 今度は、4次方程式に対して、グレーフェの方法を適用してみよう。

例  4次方程式 12X4+4X3−21X2+2X+3=0 の近似解を求めよ。

  (上式をみて、解が、−3/2、−1/3、1/2、1 であることは、因数定理を知っていれば直ぐ分かる
   ことだろう。ここでは、解を不明なものとして、グレーフェの方法の素晴らしさを堪能して下さい。)


 機械的に計算するために、その構造を検証してみよう。

 F(X)=a44+a33+a22+a1X+a0 に対して、

 F1(Y)=F(X)F(−X)=b44+b33+b22+b1Y+b0 とおくと、簡単な計算から、

   4=a42

   b3=−a32+2a42

   b2=a22−2a31+2a40

   b1=−a12+2a20

   b0=a02


であることが分かる。この式だけをみると、いかにも面倒な計算という雰囲気があるが、次

のように図示すると、その構造が明らかとなる。

    

 この構造を踏まえて、順次、次のように計算される。

12 −21
  144 −16 441 −4
  −504 −16 −126  
    72    
144 −520 497 −130
  20736 −270400 247009 −16900 81
  143136 −135200 8946  
    2592    
20736 −127264 114401 −7954 81
            ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

 ちょっと数が大きすぎて、2回で断念!

とりあえず、  α14 ≒ 127264/20736 ≒ 6.13734567901

         α24 ≒ 114401/127264 ≒ 0.89892664068

         α34 ≒ 7954/114401 ≒ 0.06952736427

         α44 ≒ 81/7954 ≒ 0.01018355544

となるので、電卓または対数表を用いて、小数第3位までを求めれば、

  |α1|≒ 1.574 、|α2|≒ 0.974 、|α3|≒ 0.513 、|α4|≒ 0.317

F(X)=12X4+4X3−21X2+2X+3 に対して、組立除法を用いると、

        F(−1.574)≒ 5.881 、F(0.974)≒ −0.478 、

        F(0.513)≒ −0.129 、F(−0.317)≒ 0.249

から、 α1 ≒ −1.574 、α2 ≒ 0.974 、α3 ≒ 0.513 、α4 ≒ −0.317

(注) これらは、真の値

      −3/2(=−1.500)、−1/3(=−0.333)、1/2(=0.500)、1

   にほぼ等しいといえる。もう少し計算を繰り返せば、より精密な値が期待される。

例  4次方程式 X4+X3−3X2−X+1=0 の近似解を求めよ。

−3 −1
  −1 −1
  −6 −6  
       
−7 13 −7
  −49 169 −49
  26 −98 26  
       
−23 73 −23
  −529 5329 −529
  146 −1058 146  
       
−383 4273 −383
  −146689 18258529 −146689
  8546 −293378 8546  
       
−138143 17965153 −138143

表より、  α116 ≒ 138143

       α216 ≒ 17965153/138143 ≒ 130.04750874

       α316 ≒ 138143/17965153 ≒ 0.00768949755

       α416 ≒ 1/138143 ≒ 0.00000723887

となるので、電卓または対数表を用いて、小数第3位までを求めれば、

  |α1|≒ 2.095 、|α2|≒ 1.356 、|α3|≒ 0.738 、|α4|≒ 0.477

F(X)=X4+X3−3X2−X+1 に対して組立除法を用いて、解の符号を吟味すると、

  α1 ≒ −2.095 、α2 ≒ 1.356 、α3 ≒ −0.738 、α4 ≒ 0.477

となる。

 これらの解の位置を、グラフ描画ソフトを活用して眺めてみよう。



(コメント: Newton の方法や Horner の方法は、解を1個1個精査していくので面倒である
      が、グレーフェの方法は、解全てについて一気に求まるところがうれしいですね!)