Satz von Vieta

Der Satz von Vieta oder auch Wurzelsatz von Vieta ist ein mathematischer Lehrsatz aus der elementaren Algebra. Benannt ist er nach dem Mathematiker François Viète, der ihn in seinem postum erschienenen Werk De aequationum recognitione et emendatione tractatus duo (Zwei Abhandlungen über die Untersuchung und Verbesserung von Gleichungen) bewies.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Der Satz macht eine Aussage über den Zusammenhang zwischen den Koeffizienten und den Lösungen einer quadratischen Gleichung. Für den allgemeinen Fall der algebraischen Gleichungen ist dieser Zusammenhang aus der Theorie der elementarsymmetrischen Polynome bekannt.

Die Aussage und ihre Umkehrung

Der Satz von Vieta besagt: Sind <math>x_1</math> und <math>x_2</math> die beiden Lösungen der quadratischen Gleichung <math> x^2+px+q=0</math>, dann ist

<math>x_1+x_2 = -p \quad \text{und} \quad x_1\cdot x_2 = q.</math><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Es gilt auch die Umkehrung des Satzes: Erfüllen <math>x_1, x_2, p</math> und <math>q</math> die Gleichungen <math>x_1 + x_2 = -p</math> und <math>x_1\cdot x_2 = q</math>, so sind <math>x_1</math> und <math>x_2</math> die beiden Lösungen der Gleichung

Beispiele

Für den Satz und seine Umkehrung gibt es drei wichtige Anwendungen:

Es lassen sich damit quadratische Gleichungen zu vorgegebenen Lösungen konstruieren. Möchte man beispielsweise eine quadratische Gleichung <math>x^2 + px + q = 0</math> mit den Lösungen <math>x_1 =2</math> und <math>x_2 = 3</math> konstruieren, so setzt man <math>p:= -(x_1+x_2)=-5</math> und <math>q:=x_1\cdot x_2 = 6</math> und erhält damit die gesuchte Gleichung <math>x^2-5x+6=0</math>. Hieraus lassen sich durch Äquivalenzumformungen alle weiteren quadratischen Gleichungen mit den Lösungen <math>x_1 = 2</math> und <math>x_2 = 3</math> erzeugen.
Es lassen sich Gleichungssysteme der Form

<math>\begin{align}

x_1+x_2 &= -p\\
x_1\cdot x_2 &= q
\end{align}</math>

lösen. Beispielsweise sind die Lösungen <math>x</math> und <math>y</math> des Systems <math>x+y =-(-5), x\cdot y =6</math> die Lösungen der zugehörigen quadratischen Gleichung <math>x^2-5x+6=0</math>. Nach der Lösungsformel ergibt sich <math>x=2</math>, <math>y=3</math> oder <math>x=3</math>, <math>y=2</math>.

Der Satz kann manchmal (insbesondere, wenn vermutet wird, dass die Gleichung ganzzahlige Lösungen hat) helfen, die Lösungen einer quadratischen Gleichung durch Probieren zu finden: Ist die quadratische Gleichung

gegeben, dann muss für potenzielle Nullstellen <math> x_1</math>, <math> x_2</math> gelten:

<math> \begin{align}

x_1 + x_2 &= -(-7)=7\\
x_1 \cdot x_2 &= 10 \,.
\end{align}</math>

Ganzzahligen Nullstellen müssen also Teiler und Gegenteiler der 10 sein, deren Summe 7 ist. Als Teilerpaare kommen <math>(1,10)</math>, <math>(2,5)</math>, <math>(-2,-5)</math>, oder <math>(-1,-10)</math> in Frage. 2 und 5 sind tatsächlich Nullstellen, da <math>2+5=7</math> und <math>2\cdot5=10</math> ist.

Beweise

Beweis des Satzes von Vieta

Der Satz ergibt sich direkt durch Ausmultiplizieren der Nullstellenform durch Koeffizientenvergleich:

<math>

\begin{align} x^2 + px + q & = (x-x_1) \cdot (x-x_2)\\

 & = x^2 - (x_1+x_2)\cdot x + x_1\cdot x_2

\end{align} </math>

und somit <math>p = -(x_1 +x_2)</math> und <math>q = x_1 \cdot x_2</math>.

Alternativer Beweis

Alternativ folgt der Satz aus der pq-Formel: Für die Lösungen der Gleichung <math>x^2 + px + q = 0</math> gilt

<math>x_1 = - \frac{p}{2}+\sqrt{\left(\frac{p}2\right)^2 - q}</math> und <math>x_{2} = - \frac{p}{2}-\sqrt{\left(\frac{p}2\right)^2 - q}.</math>

Addieren der beiden Gleichungen ergibt

<math>x_1 +x_2 = - \frac{p}{2}+\sqrt{\left(\frac{p}2\right)^2 - q}+ \left(- \frac{p}{2}-\sqrt{\left(\frac{p}2\right)^2 - q}\right)= -p</math>.

Multiplizieren ergibt nach der dritten binomischen Formel

<math>x_1 \cdot x_2 = \left(- \frac{p}{2}+\sqrt{\left(\frac{p}2\right)^2 - q}\right)\cdot \left(- \frac{p}{2}-\sqrt{\left(\frac{p}2\right)^2 - q}\right)= \left(\frac{p}2\right)^2 - \left(\left(\frac{p}2\right)^2 - q\right) = q</math>.

Beweis der Umkehrung

Sind <math>x_1, x_2, p</math> und <math>q</math> mit <math>x_1 + x_2 = -p</math> und <math>x_1\cdot x_2 = q</math>, so zeigt man die Behauptung, indem man <math>p</math> und <math>q</math> in der Gleichung <math>x^2 + px+q=0</math> geeignet substituiert und <math>x_1</math> bzw. <math>x_2</math> einsetzt.

Verallgemeinerung

Der Satz von Vieta über quadratische Gleichungen lässt sich auf Polynomgleichungen bzw. Polynome beliebigen Grades verallgemeinern. Diese Verallgemeinerung des Satzes von Vieta ist die Grundlage für das Lösen von Gleichungen höheren Grades durch Polynomdivision. Nach dem Fundamentalsatz der Algebra gilt:

Jedes (normierte) Polynom <math>n</math>-ten Grades mit Koeffizienten in den komplexen Zahlen lässt sich als Produkt von <math>n</math> Linearfaktoren darstellen:

<math>P(x) = x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\dotsb+a_2x^2+a_1x^1+a_0 = (x-x_1)(x-x_2)\dotsm(x-x_n).</math>

<math>x_1, x_2, \dotsc, x_n</math> sind die Nullstellen des Polynoms; auch wenn alle Koeffizienten <math>a_0, a_1,\dotsc,a_{n-1}</math> reell sind, können die Nullstellen komplex sein. Nicht alle <math>x_i</math> müssen verschieden sein.

Nun ergibt sich durch Ausmultiplizieren und Koeffizientenvergleich:

<math>a_{n-j} = (-1)^j\sigma_j,\quad j=1,\dotsc,n</math>,

wobei

<math>\sigma_k=\sum_{1\leq i_1<i_2<\dotsb<i_k\leq n}x_{i_1}\cdots x_{i_k}</math>

die sogenannten Elementarsymmetrischen Polynome in <math>x_1</math> bis <math>x_n</math> sind. Für quadratische Polynome (<math>n=2</math>) erhält man so den Satz von Vieta, für Polynome beliebigen Grades <math>n</math> erhält man somit als Verallgemeinerung: Die Koeffizienten <math>a_i</math> des Polynoms sind bis aufs Vorzeichen <math>(-1)^{n-i}</math> gleich den elementarsymmetrischen Funktionen <math>\sigma_{n-i}</math> in den Nullstellen <math>x_j</math>.

Der Aufbau der Koeffizienten für das oben gezeigte Polynom <math>\textstyle P(x)</math> vom Grad <math>n</math> in Normalform lässt sich ganz allgemein so angeben<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>:

<math>

\begin{array}{r c l}

a_{n-1} &=& -( x_1 + x_2 + \dotsb + x_n)\\
a_{n-2} &=& +( x_1 \cdot x_2 + x_1 \cdot x_3 + \dotsb + x_2 \cdot x_3 + \dotsb + x_{n-1} \cdot x_n)\\
a_{n-3} &=& -( x_1 \cdot x_2 \cdot x_3 + x_1 \cdot x_2 \cdot x_4 + \dotsb + x_2 \cdot x_3 \cdot x_4 + \dotsb + x_{n-2} \cdot x_{n-1} \cdot x_n )\\
& \vdots & \\ 
a_0 &=& (-1)^n \cdot x_1 \cdot x_2 \dotsm x_n\\

\end{array} </math>

Beispiel

Für ein Polynom vierten Grades

<math> P(x) = x^4 + a_3\cdot x^3 + a_2\cdot x^2 + a_1\cdot x + a_0

= (x-x_1)(x-x_2)(x-x_3)(x-x_4)</math>

ergibt sich:

<math>

\begin{array}{r c l c l}

-a_3 &=& \sigma_1 &=& x_1+x_2+x_3+x_4\\
a_2 &=& \sigma_2 &=& x_1x_2+x_1x_3+x_1x_4+x_2x_3+x_2x_4+x_3x_4\\
-a_1 &=& \sigma_3 &=& x_1x_2x_3+x_1x_2x_4+x_1x_3x_4+x_2x_3x_4\\
a_0 &=& \sigma_4 &=& x_1x_2x_3x_4\\

\end{array} </math>

Eine wichtige Anwendung des Satzes für <math>n=3</math> und <math>n=4</math> ist die Rückführung der kubischen Gleichung auf eine quadratische Gleichung und der Gleichung 4. Grades auf eine kubische Gleichung, die sog. kubische Resolvente.

Allgemein gilt der Wurzelsatz von Vieta auch für Polynome mit Koeffizienten in anderen Körpern, solange diese nur algebraisch abgeschlossen sind.

Literatur

Walter Gellert: Lexikon der Mathematik. Leipzig: Bibliographisches Institut, 1990, S. 578, 200.

Weblink

Beweis durch direkte Rechnung (für Schüler) auf der Web-Site von Rudolf Brinkmann

Einzelnachweise