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¿Cuál es la mínima ecuación polinómica con coeficientes integrales que cumpla con el área del regular 11-gon con longitudes de lado 1?

Deje $q_n(x)$ ser el polinomio mínimo para el área de la regular $n$-gon. ¿Qué es $q_{11}(x)$?

Los siguientes son los casos más simples, y x está dada por $16 (area^2) $:

Para el correspondiente triángulo el polinomio es $p_3(x) = x-3$, para el cuadrado es $p_4(x) = x - 16$, para el pentágono es $p_5(x) = x^2-50x+125$, para el hexágono es $p_6(x) =x-108$.

Lo es, por ejemplo,$p_{11} (x)$? ¿Qué es $p_n(x)$ en general? La pregunta de la siguiente manera a partir de una discusión sobre el Robbins fórmula: http://youtu.be/OeZ6LsZHKcA

Robbins fórmulas están destinadas a generalizar de la Garza y Brahmagrupta la fórmula general cíclico n-ágonos (cóncavos y convexos). Hasta ahora las fórmulas para el n de hasta 9 han sido descubiertos. Un visor de video que sugiere que podemos hacer regular de n-ágonos primera. Así que para el pentágono caso, si el sustituto de los cinco $distance^2$ con 1, entonces usted tendrá la siguiente factorizados forma: $(x^2-50x+125)(x-3)^5 = 0$. Este es el mismo que $p_5(x)(p_3(x))^5 = 0$. Este 5 es un resultado de combinatoric argumentos en los degenerados de los casos: http://youtu.be/alFkaEZ4cZQ

Así que ¿cómo se puede generalizar?

4voto

Brian Deacon Puntos 4185

Para el área de $A$ regular $n$-gon con lado de longitud $1$, tenemos $$A = \frac{n}{4} \cot\frac{\pi}{n} \qquad\to\qquad \cos^2\frac{\pi}{n}= \frac{x}{x+n^2}$$ donde $x := 16 A^2$. El polinomio de Chebyshev $T_n(\cdot)$ es tal que $$T_n(\cos(\pi/n)) = \cos(\pi) = -1$$ Por lo tanto, la búsqueda de un (no-necesariamente-mínimo) polinomio satisfecho por $x$ es una cuestión de la eliminación de $c := \cos(\pi/n)$ desde el polinomio sistema $$\begin{align} (x+n^2)\;c^2 - x &= 0 \tag{1}\\[4pt] T_n(c)+1 &= 0 \tag{2} \end{align}$$ Un sistema de álgebra computacional puede hacer esto fácilmente; Mathematica, por ejemplo, tiene un Resultant[] comando para este propósito. La teoría general de los resultantes es un poco computacional excesivo, sin embargo. Podemos usar $(1)$ para reducir la $(2)$ a un lineal de la ecuación de $c$, decir $P c + Q = 0$; entonces podemos escribir $c^2 = \frac{Q^2}{P^2}$, por lo que el $P^2 x - Q^2 ( x + n^2 )$ da el destino polinomio. (Por supuesto, a menos que/hasta que una forma cerrada se determina, la fuerza bruta de manipulación de símbolos queda algo por hacer con un CAS.)

Estos son los resultados de la fuerza bruta de la operación ...

Factor[Resultant[ ChebyshevT[n,c] + 1, (x+n^2)c^2 - x, c ]]

... realizado por Mathematica para varios $n$ (con factores extraños y poderes de izquierda en la integridad): $$\begin{align} n = 3 &: \quad 81\;(x - 3)^2 \\[4pt] n = 4 &: \quad 4\;(x - 16)^4 \\[4pt] n = 5 &: \quad 625\;(x^2 - 50 x + 125)^2 \\[4pt] n = 6 &: \quad 4x^2\;(x-108)^4 \\[4pt] n = 7 &: \quad 2401\;(x^3 - 245 x^2 + 7203 x - 16807)^2 \\[4pt] n = 8 &: \quad 4\;(x^2 - 384 x + 4096)^4 \\[4pt] n = 9 &: \quad 6561(x-27)^2\;(x^3 - 729 x^2 + 72171 x -177147)^2 \\[4pt] n = 10 &: \quad 4 x^2\;(x^2 - 1000 x + 50000 )^4 \\[4pt] n = 11 &: \quad 14641\;\left(\; \begin{array}{c} x^5 - 1815 x^4 + 614922 x^3 \\ - 53146830 x^2 + 1071794405 x - 2357947691 \\ \end{array}\;\right)^2 \\[4pt] n = 12 &: \quad 4 (x - 144)^4\;(x^2 - 2016 x + 20736)^4 \\[4pt] n = 13 &: \quad 28561\;\left(\; \begin{array}{c} x^6 - 3718 x^5 + 2827539 x^4 - 637138788 x^3 \\ + 44865189655 x^2 - 827150951094 x + 1792160394037 \end{array} \;\right)^2 \end{align}$$


Edit. Since $n$ itself is part of the elimination process, it figures into the result(ant)s in ways that the above doesn't make clear. Here are the interesting factors, using explicit references to powers of $n$ among the coefficients.

$$\begin{align} n = 3 &: \quad x - n \\[4pt] n = 4 &: \quad x - n^2 \\[4pt] n = 5 &: \quad x^2 - 2 n^2 x + n^3 \\[4pt] n = 6 &: \quad x - 3 n^2 \\[4pt] n = 7 &: \quad x^3 - 5 n^2 x^2 - 3 n^4 x - n^5 \\[4pt] n = 8 &: \quad x^2 - 6 n^2 x + n^4 \\[4pt] n = 9 &: \quad x^3 - n^3 x^2 + 11 n^4 x - 3 n^5 \\[4pt] n = 10 &: \quad x^2 - n^3 x + 5 n^4 \\[4pt] n = 11 &: \quad x^5 - 15 n^2 x^4 + 42 n^4 x^3 - 30 n^6 x^2 + 5 n^8 x - n^9 \\[4pt] n = 12 &: \quad x^2 - 14 n^2 x + n^4 \\[4pt] n = 13 &: \quad x^6 - 22 n^2 x^5 + 99 n^4 x^4 - 132 n^6 x^3 + 55 n^8 x^2 - 6 n^{10} x + n^{11} \end{align}$$

It may be worth noting that $11$ is a common factor of most of the coefficients in the $n=13$ polynomial, and $3$ is a common factor in half of the coefficients in the $n=11$ polynomial.

It may also be worth noting that the degree of $$ n en los polinomios da la secuencia $$1, 2, 3, 2, 5, 4, 5, 4, 9, 4, 11, ...$$ que es un desplazamiento de OEIS del A216475: "El número de números coprime y menos de $n$, excepto 2." (La OEIS secuencia comienza en el índice de $1$, por lo que su referencia a $n+2$ corresponde a nuestro uso de $n$ aquí). El patrón continúa a través de, al menos, $n=25$ con menores de tocar el violín en los casos de $n=15$, $21$, y $25$: en estos casos, el poder de la $n$ es demasiado grande por $1$; podemos "arreglar" para que por escrito, $n^{p+1}$ $n\cdot n^p$ y el tratamiento de la tira-off $n$ "sólo un número". (En el caso de $n=25$, escribir $n^{20}$ $25n^{19}$ nos permite dividir el polinomio por su destacada $x$-coeficiente de, $5$, lo que es monic en $x$.)

Por cierto, el título de la secuencia de $x$ ... $$1, 1, 2, 1, 3, 2, 3, 2, 5, 2, 6, ...$$ ... aparece como un desplazamiento de OEIS del A023022: la "media totient función"$\phi(n)/2$.


Edición 2. Podemos usar esta fórmula explícita para $T_n$... $$T_n(c) = c^n\;\sum_{k=0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} \binom{n}{2k}(1-c^{-2})^k$$ ... para dar fórmulas para los polinomios de arriba (con el extra de factores y competencias; determinar el polinomio mínimo de estos es un ejercicio para el lector).

Al $n=2m$, no hay ninguna apreciable trabajo, ya que la $c$ aparece en incluso poderes a lo largo, y $(2)$ simplemente se convierte en (después de eliminar denominadores) $$\left(x+n^2\right)^m + \sum_{k=0}^{m} \binom{n}{2k}(-1)^k x^{m-k} n^{2k}$$

When $n=2m+1$, there's an extra power of $c$, por lo que nuestra manipulaciones involucrar a cuadrar para obtener $$\left(x+n^2\right)^{n} - x\;\left(\;\sum_{k=0}^{m} \binom{n}{2k}(-1)^k x^{m-k} n^{2k} \; \right)^2 $$

1voto

Helen Puntos 6

Editado y corregido

Si he de poner $$\kappa_n(x)=(x-i\sqrt{1-x^2})^{\frac{\phi(n)}{2}}\Phi_n(x+i\sqrt{1-x^2})$$ and then calculate $$f_n(x)=\kappa_{4n}(\frac{x}{2n})\kappa_{4n}(-\frac{x}{2n})$$ then I get at least for odd primes $n$ $$f_n(x)=\frac{(-1)^{\frac{\phi(n)}{2}}}{n^{\phi(n)}}\prod_{k=1}^{\frac{\phi(n)}{2}}(x^2-(2n\sin(\frac{2\pi}{n}))^2)$$ So the 16*area^2 should be a root of $f(\sqrt{x})$. Todavía no he hecho algunos CAS programa de cheques sin embargo.

La corrección es necesario ya que, a continuación, $\frac{\phi(4n)}{2}=\phi(n)$ $f_n(x)$ es un polinomio, entonces, por el grado correpondence de la cyclotomic polinomios. Voy a probar esta, por ejemplo, para n=5, lo antes posible.

Edit 1 La fórmula del producto para $f_n(x)$ anterior $n=p$ impares primos. Por extraño $n$ Me puse a $E_n=\{k|1\le k<n,\ \text{k being coprime to $n$}\ (k,,)=1\}$ y, a continuación, (que todavía no está plenamente demostrado ) $$f_n(x)=\frac{(-1)^{\frac{\phi(n)}{2}}}{n^{\phi(n)}}\prod_{k\in E_n}(x^2-(2n\sin(\frac{2\pi}{n}))^2)$$ Edit 2 espero haber demostrado correctamente que $\kappa_{4n}(x)$ es incluso un polinomio. Por lo que los resultados en $$f_n(x)=\kappa_{4n}^2(\frac{x}{2n})$$ ser un cuadrado de la polinomio irreducible.

Edición 3 por Favor, disculpe que me trabajos contrarios al problema publicado en el caso de la n-gon tumbado en el círculo unidad. Justo ahora no sé si hay conexiones para el caso de lado de longitud 1. Espero ser capaz de dar más resultados en mi trabajo, si está disponible.

0voto

Helen Puntos 6

Mientras tanto también trabajo en el caso del lado de la poligonal es igual a 1. Mis resultados coinciden con los facilitados por usuario azul. Usar el polinomio dado como

$$p_n(x)=\Phi_n(1)\prod_{k=1,(k,n)=1}^{n}(x-\cot(\frac{k\pi}{n}))$$

Luego se obtiene la expresión / "interesantes factores" de usuario azul cuando uno calcula

$$n^{\phi(n)}p_n(\frac xn)$$

donde $\phi(n)$ es la función φ de Euler y $\Phi_n(x)$ la ciclotómicas de n-ésimo polinomio.

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