Eine symmetrische Gleichung, symmetrisches Polynom, reziproke Gleichung oder selbstreziprokes Polynom ist eine polynomiale (ganzrationale) Gleichung, deren Koeffizientenfolge symmetrisch ist. Leonhard Euler hat diesen Gleichungstyp als reziproke Gleichung bezeichnet, da die Substitution von durch nach einfachen Umformungen wieder auf dieselbe Gleichung führt. Daneben ist mit jeder Nullstelle auch eine Nullstelle der Gleichung. Sind die Koeffizienten dem Betrag nach symmetrisch, unterscheiden sich aber nach dem Vorzeichen, spricht man von einer antisymmetrischen Gleichung.
Eine polynomiale Gleichung -ten Grades
heißt
Außerdem gilt im
Betrachtet man das symmetrische Polynom
und substituiert
so wird durch Multiplikation mit Gleichung (2) wieder die ursprüngliche Gleichung (1) überführt.
Aus dieser Äquivalenz folgt die von Euler erkannte reziproke Eigenschaft, dass mit auch eine Nullstelle einer symmetrischen Gleichung sein muss.
Weiterhin gilt mit , wobei ein Polynom vom Grad mit reellen oder komplexen Koeffizienten ist:
Für allgemeine Gleichungen ab dem 5. Grad existiert keine allgemeine Lösungsformel zur Bestimmung der Nullstellen mehr. Symmetrische und antisymmetrische Gleichungen können dagegen aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften bis zum 9. Grade auf Gleichungen bis 4. Grades zurückgeführt werden.
Aus dem verallgemeinerten Wurzelsatz von Vieta lässt sich allgemein ableiten, dass bei einem Polynom ist, also dass in das Produkt aller Nullstellen steckt. Bei einer symmetrischen Gleichung vom Grad ist der Koeffizient und aus der Symmetrie der Koeffizienten folgt auch, dass . Daher kann nie Nullstelle einer symmetrischen Gleichung sein kann, weil sonst sein müsste.
Bringt man die symmetrische Gleichung auf Normalform, d. h. ist der Koeffizient der höchsten Potenz , so folgt daraus, dass auch der Koeffizient des absoluten Gliedes ist. Aus der oben gegebenen Darstellung von nach Vieta folgt, dass die Nullstellen paarweise reziprok zueinander sind und das Produkt dieser Paare jeweils mit dem Faktor 1 zu beiträgt. Die verbliebene Nullstelle muss bei ungeradem Grad und reellen Koeffizienten stets sein. Der entsprechende Linearfaktor wird mit Hilfe der Polynomdivision abdividiert, so dass eine symmetrische Gleichung mit einem um eins erniedrigten, geraden Grad entsteht.
Die allgemeine Lösungsstrategie für symmetrische Gleichungen mit geradem Grad und reellen Koeffizienten beruht auf folgenden Schritten:
Für die Berechnung werden folgende Substitutionen verwendet:
Weitere Substitutionen für Potenzen ab lassen sich mit der folgenden Rekursionsformel aus bereits bekannten Substitutionen ermitteln:
Sobald man eine Nullstelle gefunden hat, löst man die einfachste Substitutionsgleichung nach auf. Dadurch ergeben sich für jedes zwei Nullstellen für aus der quadratischen Gleichung:
Aus der Symmetrie dieser Gleichung und weil das absolute Glied dieser quadratischen Gleichung in Normalform 1 ist, folgt aus dem Vietaschen Wurzelsatz, dass die beiden Nullstellen dieser quadratischen Gleichung zueinander reziprok sein müssen. Die Nullstellen ergeben sich nach der p-q-Formel zu:
Bei antisymmetrischen Gleichungen vom Grade gibt es bei ungeradem zu jedem Koeffizienten das negative Gegenstück, so dass gilt. Bei antisymmetrischen Gleichungen geraden Grades gibt es jedoch nur einen mittleren Koeffizienten, der für den folgenden Lösungsweg Null sein muss (), siehe auch Abschnitt ‘Eigenschaften’.
Aus dem Vietaschen Wurzelsatz lässt sich ableiten, dass asymmetrische Gleichungen bei ungeradem Grad und reellen Koeffizienten stets sein muss. Der entsprechende Linearfaktor wird mit Hilfe der Polynomdivision abdividiert, so dass eine Gleichung von geraden Grade entsteht.
Betrachtet man den Lösungsweg am Beispiel einer Gleichung 8. Grades, so ist die Ausgangsgleichung folgendermaßen aufgebaut:
Nun werden die zusammengehörigen Koeffizienten ausgeklammert, so dass nach Division durch und umordnen die folgende Darstellung ergibt
Hier lässt sich sofort der Faktor ausklammern und die Gleichung faktorisieren:
Der Faktor offenbart bereits zwei Nullstellen der antisymmetrischen Gleichung geraden Grades, nämlich –1 und +1.
Der andere Faktor wird zunächst auf die Form einer kubischen Gleichung gebracht und so wie bei der symmetrischen Gleichung zusammengefasst:
Wendet man die von der symmetrischen Gleichung bekannten Substitutionen mit an, ergibt sich:
Der weitere Lösungsweg entspricht dem der symmetrischen Gleichung.
Für reziproke Gleichungen, bei denen neben jedem auch immer eine Nullstelle ist, lassen sich Substitutionen konstruieren und damit Nullstellen berechnen. Dazu eignet sich die Substitution
Mit den bereits beschriebenen Methoden können Substitutionen von höheren Potenzen ermittelt werden:
Wie sich hier zeigt, ist für die geraden Potenzen von eine Summe, keine Differenz.
Damit lassen sich beispielsweise folgende spezielle Gleichungstypen lösen:
Wie an den Beispielen leicht zu erkennen ist, haben diese Gleichungen nicht die Struktur einer antisymmetrischen Gleichung im Sinne der oben gegebenen Definition. Die Lösung durch Substitution ist nur möglich, wenn ungleiche Vorzeichen stets und nur bei den Koeffizienten von ungeraden Potenzen auftreten.
Die folgenden Beispiele zeigen, wie die Substitution auf eine Gleichung in führt.
Für eine quartische Gleichung
ergibt sich nach Division durch und Zusammenfassung der Glieder:
Nach der Substitution mit und ergibt sich die quadratische Gleichung in :
Daraus ermittelt man die beiden Nullstellen und . Im nächsten Schritt wird die Substitution rückgängig gemacht und alle vier Nullstellen der quartischen Gleichung durch Auflösung von für jedes der beiden berechnet.
Beispiel: Die Gleichung wird durch die gezeigte Substitution zur quadratischen Gleichung . Daraus ergeben sich die Nullstellen und .
Für die Resubstitution sucht man sich die einfachste Gleichung aus, nämlich , formt sie zur quadratischen Gleichung um und setzt und ein:
Dies sind auch die Nullstellen der quartischen Ausgangsgleichung.
Für eine Gleichung 6. Grades in Normalform
ergibt sich nach Division durch und Zusammenfassung der Glieder:
Nach der Substitution mit und und ergibt sich die kubische Gleichung in :
Daraus ermittelt man die Nullstellen , und mit Hilfe der Lösungsformeln für die kubischen Gleichung.
Für eine Gleichung 8. Grades in Normalform
ergibt sich nach Division durch und Zusammenfassung der Glieder:
Nach der Substitution mit und , und ergibt sich die quartische Gleichung in :
Daraus ermittelt man die Nullstellen , , und mit Hilfe der Lösungsformeln für die quartische Gleichung.