Una forma inteligente de resolver los occisos como $x^8+5992704x-304129728=0$

Question

Pregunta: Cómo encontrar rápidamente la fórmula explícita de las raíces de los polinomios (resolubles por radicales) como $f(x)=x^8+5992704x-304129728$ ?

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Mi enfoque actual es sólo la fuerza bruta - no muy rápido y conveniente:

• observemos que el grupo de Galois de arriba $f(x)$ es $C_2 \wr S_4$ por lo que hay que encontrar el polinomio cuaternario $g(x)=x^4+cx^2+dx+e$ tal que $f(x)$ se divide en polinomios cuadráticos (y sextos) sobre ella
• iterar sobre triples enteros pequeños $c,d,e$ hasta que sea correcto $g(x)$ se encuentra
• para acelerar el proceso limité $g(x)$ a tal punto que $\Delta(g(x))$ divide $\Delta(f(x))$ - aquí $\Delta$ significa discriminante

Más explícitamente, utilizando el sistema GAP:

x:=Indeterminate(Rationals, "x");
f:=x^8+5992704*x-304129728;
discrF:=Discriminant(f);

# define some arbitrary range of the c,d,e coefficients
for c in [-40..40] do
  for d in [1..6000] do
    for e in [-30000..30000] do
     # small perf trick, calculate discriminant
     # without actual construction of g(x)
     discrG:=256*e^3-128*c^2*e^2+144*c*d^2*e-27*d^4+16*c^4*e-4*c^3*d^2;
     if (discrG <> 0 and discrF mod discrG = 0) then
      g:=x^4+c*x^2+d*x+e;
      if IsIrreducible(g) then
        e:=AlgebraicExtension(Rationals,g);
        factors:=FactorsPolynomialAlgExt(e, f);
        if Size(factors) > 1 then
          Print("Success: g(x)=", g," : factors=", factors,"\n");
        fi;
      fi;
     fi;
    od;
  od;
od;

Un par de horas después..:

• $g(x)=x^4-34x^2+1632x-7871$
• $f(x)=\{ x^2+(-a^3/56-a^2/56+89a/56-1207/56)x+(3a^3/28+6a^2/7+153a/28+459/7) \}\times\{x^6+(a^3/56+a^2/56-89a/56+1207/56)x^5+(3a^3/28+33a^2/14+153a/28+561/14)x^4+(-27a^3/14-153a^2/14+2907a/14-4743/14)x^3+(-153a^2-3060a+4437)x^2+(-153a^3/7+8415a^2/7+13617a/7-2078199/7)x+(-2754a^3-5508a^2+109242a-2465748) \}$

donde $g(a) = 0$

Ahora se puede encontrar una expresión explícita (muy larga y rebuscada) para las raíces de $f(x)$ , utilizando sólo $+$ , $-$ , $\times$ , $\div$ y $\sqrt{}$ operaciones.

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Pregunta poco relacionada: En los trinomios óticos solubles como $x^8-5x-5=0$

Answer 1

Si entiendo bien su pregunta, la traducción abstracta de su observación es que el grupo de Galois es imprimible, es decir que el campo de grado 8 definido por $f$ tiene un subcampo de grado $2$ (sobre la que tiene grado $2$ ), es decir, sobre este subcampo $f$ tendrá un factor cuadrático.

Estos subcampos corresponden a descomposiciones polinómicas, es decir, a pares de polinomios $g,h$ tal que $f(x)$ divide $g(h(x))$ . El polinomio $g$ define el subcampo que se busca, el polinomio $h$ expresa una raíz de $g$ en términos de una raíz de $f$ .

En GAP, puede encontrar tales descomposiciones utilizando la función DecomPoly . Toma un polinomio $f$ y devuelve una lista de todas las descomposiciones posibles (hasta la igualdad de los campos intermedios.

En tu ejemplo, efectivamente obtenemos el factor de grado 2 que buscabas (y esto es mucho más rápido que las horas que citas):

gap> DecomPoly(f);
[ [ x^4+273770356608*x^3+4408835773957146427392*x^2-      7845555523405311768791676626141184*x-986470018747508750165370725578689408242024448,
  3663*x^7-22492*x^6-364752*x^5-5179288*x^4-28801128*x^3+150835968*x^2+121269024*x-49235223744 ] ]
gap> g:=last[1][1];
x^4+273770356608*x^3+4408835773957146427392*x^2-  7845555523405311768791676626141184*x-986470018747508750165370725578689408242024448
gap> e:=AlgebraicExtension(Rationals,g);
<algebraic extension over the Rationals of degree 4>
gap> fe:=Value(f,X(e)); # write f over e
x_1^8+!5992704*x_1+(!-304129728)
gap> Factors(fe);
[ x_1^2+(-1/514753642938357559490856611217408*a^3-1/1141573548613903985664*a^2+1/233510010048*a+18)*x_1+1/1342011552*a,
  x_1^6+(1/514753642938357559490856611217408*a^3+1/1141573548613903985664*a^2-1/233510010048*a-18)*x_1^5+(-1/12256039117579941892639443124224*a^3-1/104457710330684024832*a^2+47/19459167504*a+408)*x_1^4+(5/14298712303843265541412683644928*a^3-1/26114427582671006208*a^2-9/926627024*a+1224)*x_1^3+(1/420550361877743104159196577792*a^3+1/932658127952535936*a^2-15/95388076*a-30600)*x_1^2+(-1/14501736616473900143420571648*a^3-1/112562187856340544*a^2+9/6578488*a+105264)*x_1+(-1/2416956102745650023903428608*a^3-1/8828406890693376*a^2-3/1644622*a+3246048) ]

El algoritmo utilizado por GAP se describe (descargo de responsabilidad: autopromoción) en

Hulpke, Alexander Sistemas de bloques de un grupo de Galois , Experimento. Math. 4 (1995), nº 1, 1-9.

pero ya existen mejores algoritmos con

van Hoeij, Mark; Klüners, Jürgen; Novocin, Andrew Generación de subcampos , J. Symbolic Comput. 52 (2013), 17-34.

por lo que sé el estado de la técnica.