■基本対称式におけるニュートンの定理

 対称式の基本定理より,n変数のどんな対称式も基本対称式を用いて表すことができる.たとえば,2変数の場合,

  α1^2+α2^2=(α1+α2)^2−2α1α2

  α1^3+α2^3=(α1+α2)^3−3(α1+α2)α1α2

  α1^2α2+α1α2^2=(α1+α2)α1α2

など.

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【1】ニュートンの定理

 次に,n変数対称式:

  pj=α1^j+α2^j+・・・+αn^j

を基本対称式:

  σ1=α1+・・・+αn

  σ2=α1α2+・・・+αn-1αn

  σ3=α1α2α3+・・・+αn-2αn-1αn

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  σn=α1α2α3・・・αn

を用いて表してみることにしよう.

  f(t)=Π(1+tαi)=1+σ1t+σ2t^2+・・・+σnt^n

とおくと,

  f'(t)/f(t)=d/dtlogf(t)=Σαi/(1+tαi)=ΣΣ(-1)^kαi^(k+1)t^k

=Σ(-1)^kp(k+1)t^k

 ゆえに,

  f’(t)=f(t)Σ(-1)^kp(k+1)t^k

となり,

  σ1+2σ2t+・・・+nσnt^(n-1)

=(1+σ1t+σ2t^2+・・・+σnt^n)(p1−p2t+p3t^2−・・・)

 両辺の係数を比較することによって,順次

  p1=σ1

  p2=σ1p1−2σ2

  p3=σ1p2−σ2p1+3σ3

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  p(k+1)=σ1pk−σ2p(k-1)+・・・+(-1)^(k-1)σkp1+(-1)^k(k+1)σ(k+1)

が得られる.このことから「α1,α2,・・・,αnの基本対称式は,累乗和:α1^j+α2^j+・・・+αn^jの有理数を係数とする整式で表される」という結果が導き出される(ニュートンの定理).

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 ここで述べた定理はニュートンに拠るとされるものであるが,このことから逆に,n次方程式:

  f(x)=x^n+a1x^(n-1)+・・・+an=Π(x−αi)=0

が与えられたとき,累乗和

  p1=α1+・・・+αn

  p2=α1^2+α2^2+・・・+αn^2

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  pn=α1^n+α2^n+・・・+αn^n

を根とする方程式の係数を導出することができる.したがって,もし係数a1,・・・,anがすべて有理数(整数)なら,求める方程式の係数もまたみな有理数(整数)となる.

 アーベルは「ニュートンの定理」を援用して方程式論を形成したことになるといえるだろう.アーベルは5次以上の一般代数方程式がベキ根によっては解けない(5次以上の方程式には,係数の間の四則と累乗根を使って表す根の公式はない)ことを初めて証明したノルウェーの数学者である.

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【2】もうひとつのニュートンの定理

 r次の基本対称式(の総和)σrについては,不等式

  σr-1σr+1≦σr^2 (1<=r<n)

が成り立つことが知られている.

 また,

  Π(1+tαi)=1+σ1t+σ2t^2+・・・+σnt^n

 =1+nC1c1t+nC2c2t^2+・・・+σnt^n

と表すと,

  cr=σn/nCr

すなわち,r次の基本対称式の平均である.

 crは

  σr-1σr+1≦σr^2 (1<=r<n)

よりも強い,次のような不等式を満たす.

(1):cr-1cr+1≦cr^2 (1<=r<n)   (ニュートンの定理)

(2):c1≧c2^(1/2)≧c3^(1/3)≧・・・≧cn^(1/n)

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