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三次方程的解法

随笔 2020-02-10 09:42:03 魔数师说 1290 0
摘要:我国对高次方程研究较早,13世纪已能解十次方程正根。16世纪意大利数学家解决了一般三次方程的解法,其步骤包括化为缺项三次方程、求解缺项方程及确定根。文章介绍了韦达公式、缺项三次方程的变换(令y=x-a/3消去二次项)以及卡尔达诺求根公式(设x=u+v,得到u³和v³满足二次方程)。最后举例用有理根试除法解三次方程x³-6x²+15x-14=0,得根x=2。

   我国对高次方程的研究也开始得很早。早在唐朝,王孝通著的《辑古算经》就记载有方程${x}^{3}+p{x}^{2}+qx=A$,并说明“以立方除之”。到了13世纪的金元时期,有李冶(1192~1297)、秦九韶(1202~1261)、杨辉(1261~1275)、朱世杰(12世纪末~13世纪初)等,都曾对高次方程提出解法,当时用算筹可以解出十次方程。但在我国古代,数学偏重于应用,只讨论正根,不讨论负根,自然更没有虚根。不过在13世纪我们已经能求出高到十次方程的正根,已经很也不起,值得我们自豪!


   用配方法解二次方程早在巴比伦时代就已经知道了,高于二次的方程就是另外一回事了。解一般的三次方程要困难得多,这使得许多古代数学家的努力都归于失败。直到16世纪初意大利的文艺复兴时代,这个问题才为意大利的数学家所解决。


   解三次方程的步骤分为三步:

   ①将一般方程化为缺项的三次方程;

   ②解缺项的三次方程;

   ③解的确定。


   (1)韦达公式

   设一元三次方程为${y}^{3}+a{y}^{2}+by+c=0$,则   $a=-({y}_{1}+{y}_{2}+{y}_{3})$

   $b={y}_{1}{y}_{2}+{y}_{2}{y}_{3}+{y}_{3}{y}_{1}$

   $c=-{y}_{1}{y}_{2}{y}_{3}$


   (2)缺项的三次方程

   在方程${y}^{3}+a{y}^{2}+by+c=0$中,令$y=x-\frac {a} {3}$代入,即可化为不含${x}^{2}$项的三次方程

   ${x}^{3}+px+q=0$


   (3)求根公式

   引进两个未知量u和v代表一个未知量$x$。设$x=u+v$,代入缺项的三次方程中,得到

   ${(u+v)}^{3}+p{(u+v)}+q=0$

   展开,化简得

   $({u}^{3}+{v}^{3}+q)+(3uv+p)(u+v)=0$

   令$3uv+p=0\leftrightarrow uv=-\frac {p} {3}$

   从而

   ${u}^{3}+{v}^{3}=-q,{u}^{3}{v}^{3}=-\frac {{p}^{3}} {27}$

   所以,${u}^{3}$和${v}^{3}$是二次方程${z}^{2}+qz-\frac {{p}^{3}} {27}=0$的两个根。解这个方程,得

   $z=-\frac {q} {2}\pm \sqrt {\frac {{q}^{2}} {4}+\frac {{p}^{3}} {27}}$

   因此

   $u=\sqrt[{3}] {{z}_{1}}=\sqrt[{3}] {-\frac {q} {2}+\sqrt {\frac {{q}^{2}} {4}+\frac {{p}^{3}} {27}}}$

   $v=\sqrt[{3}] {{z}_{2}}=\sqrt[{3}] {-\frac {q} {2}-\sqrt {\frac {{q}^{2}} {4}+\frac {{p}^{3}} {27}}}$

   这样一来,就得到了缺项三次方程的一个根

   $x=u+v=\sqrt[{3}] {-\frac {q} {2}+\sqrt {\frac {{q}^{2}} {4}+\frac {{p}^{3}} {27}}}+\sqrt[{3}] {-\frac {q} {2}-\sqrt {\frac {{q}^{2}} {4}+\frac {{p}^{3}} {27}}}$

   知道了三次方程的一个根,就容易求出缺项三次方程的另外两个根了。

   再根据最开始时的代换$y=x-\frac {a} {3}$,即可求出原一般三次方程的三个根了。

   试试解下面的一个方程:


   【例】解方程:$f(x)={x}^{3}-6{x}^{2}+15x-14=0$.

   另解:

   最高项系数因数分别是±1,常数项的因数有±1,±2,±7,±14,所以原方程的有理根可能是±1,±2,±7,±14。

   易得,$f(1)=-4≠0$,$f(-1)=-36≠0$,所以±1都不是原方程的根。

   另一方面,

   当且仅当$α=2$时,$frac{f(1)}{1-α}$和$frac{f(-1)}{1+α}$为整数,故原方程的有理根只能是2,

   验证:

   2 | 1  -6  15  -14

             2   -8    14

   _________________

        1  -4    7     0

   所以,想$x=2$是原方程的有理根。

   事实上,$f(x)=(x-2)(x^2-4x+7)$.

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