Уравнения высоких степеней: кубические и четвертой степени

Учебник
Алгебра, 9 класс

Пример 1:         решить уравнение   $2x^3+7x^2-10x-35=0$

  • Решение:     Группируем попарно и выносим за скобки общие множители:
  •    $2x^3+7x^2-10x-35=0$                       $(2x^3+7x^2)-(10x+35)=0$                    $x^2(2x+7)-5(2x+7)=0$
  •    $(2x+7)(x^2-5)=0$ .    Основная цель - получить произведение равно нулю и решать отдельные случаи обнуления множителей.
  • $2x+7=0$        $x^2-5=0$          Ответы:        $x=-3,5$       $x=\sqrt{5}$     $x=-\sqrt{5}$

Пример 2:         решить уравнение   $x^4-x^3-9x^2-27=0$

  • Решение:    Группируем слагаемые: 1-ое и 3-е, 2-ое и 4-ое, выносим за скобки общие множители:
  •    $x^4-9x^2-x^3-27=0$                           $x^2(x^2-9)-(x^3+27)=0$               
  • В первой скобке разложим разность квадратов, во второй сумму кубов      $a^3+b^3=\left(a+b\right)\left(a^2-ab+b^2\right)$
  •    $x^2(x-3)(x+3)-(x+3)(x^2-3x+9)=0$ ... общий множитель, выносим ..      $(x+3)(x^3-3x^2-x^2+3x-9)=0$
  •    $(x+3)(x^3-4x^2+3x-9)=0$ .    цель: произведение равно нулю и решать обнуления множителей.
  •    $x+3=0$        $x^3-4x^2+3x-9=0$                 Ответы:       $x=-3$    

Теорема Безу:        если   $x=c$     является корнем алгебраического уравнения $P\left(x\right)=0$,   то многочлен $P\left(x\right)$   нацело делится на двучлен $x-c$.   Т.е. разлагается на множители     $P\left(x\right)=(x-c)(Q\left(x\right))$

Теорема Виета, следствие:    "Хорошие", целые корни многочлена следует искать среди делителей свободного члена.       Если старший коэффициент не равен 1, то среди всевозможных делений делителей свободного члена на делители старшего коэффициента.

Пример 3:         решить уравнение   $7x^3+2x^2-x-8=0$

  • Решение:      Легко угадаем, что   $x=1$ - корень; подставим 1 и увидим выравнивание: $7\cdot1^3+2\cdot1^2-1-8=0$.
  • Значит, Многочлен    $7x^3+2x^2-x-8$ раскладывается на множители    $\left(x-1\right)\left(?\right)$. Найдем разложение:

Разложение на множители: по-шаговый вынос за скобки простого множителя:

  • Начнем    $7x^3$ . Добавим или вычтем столько $?x^2$, чтоб при выносе за скобку общего множителя, оставался $(x-1)$.
  • $7x^3-7x^2+7x^2+2x^2-x-8=0$ ,    вычли и добавили $7x^2$. Вынесем за скобку $x^2$, упростим   $7x^2\left(x-1\right)+9x^2-x-8=0$ .
  • Итак: вначале у нас уже выделен множитель   $(x-1)$. Теперь надо проделать такое же с квадратом $9x^2$.
  • Вычтем и добавим   $9x$ :       $7x^2\left(x-1\right)+9x^2-9x+9x-x-8=0$.       Вынос:      $7x^2\left(x-1\right)+9x\left(x-1\right)+8x-8=0$
  • В последних двух слагаемых "обнаруживаем" желанное    $(x-1)$ :     $7x^2\left(x-1\right)+9x\left(x-1\right)+8\left(x-1\right)=0$
  • Вот и все готово, чтоб вынести $(x-1)$ за скобки всего выражения:        $\left(x-1\right)\left(7x^2+9x+8\right)=0$
  • Было кубическое выражение, а теперь стало уравнение вида "произведение множителей = 0 ". Распад на случаи "множитель=0":
  • Первый множитель:     $x-1=0$     дает тот самый корень, что мы нашли "угадыванием":      Ответ:     $x=1$
  • Второй множитель:    $7x^2+9x+8=0$ , квадратное уравнение с   $D=81-4\cdot7\cdot8<0$ , значит не имеет корней.

Схема Горнера:      деление многочлена       $7x^3+2x^2-x-8$       на       $x-1$:        корень      $1$

1     |        7       2       -1       -8                             $7x^3+2x^2-x-8$

__    |        7       9        8        =0                            $7x^2+9x+8$         

Пример 4:         решить уравнение   $2x^3+9x^2+13x+6=0$

Нахождение одного "хорошего" корня, угадывание 1-го решения:

  • Решение:       Как найти целый корень?        Как угадать одно "хорошее" решение?
  • Выпишем все множители свободного от $x$ члена, в нашем случае $6$: его множители    $1$, $2$, $3$, $6$
  • Также нужно найти множители старшего коэффициента $2$, т.е. множителя   $x^3$: его множители $1$, $2$
  • Раздедим все множители свободного $6$ на множители старшего $2$, получим список: $1$, $2$, $3$, $6$, $\frac{1}{2}$, $\frac{3}{2}$.
  • Добавим в список все отрицательные значения:    $1$, $2$, $3$, $6$, $\frac{1}{2}$, $\frac{3}{2}$, $-1$, $-2$, $-3$, $-6$, $-\frac{1}{2}$, $-\frac{3}{2}$.
  • Корень кубического уравнения следует искать среди этих чисел: путем перебора и проверки на "выравнивание" уравнения.
  • Подставим   $x=-1$ и убедимся, что это верный корень:    $2(-1)^3+9(-1)^2+13(-1)+6=-2+9-13+6=0$

Разложение на множители по формулам разности степеней:

  • Формулы:    $a^2-b^2=\left(a-b\right)\left(a+b\right)$            $a^3-b^3=\left(a-b\right)\left(a^2+ab+b^2\right)$      $a^4-b^4=\left(a-b\right)\left(a^3+a^2b+ab^2+b^3\right)$
  • В уравнении: Вычтем из каждого слагаемого   $2x^3+9x^2+13x+6$   их же значения при найденном ранее корне $x=-1$.
  • $2x^3-2(-1)^3+9x^2-9(-1)^2+13x-13(-1)+6-6=0$      и разложим каждую полученную разность по формулам
  • $2x^3-2(-1)^3=2(x^3-(-1)^3)=2(x+1)(x^2-x+1)$           $9x^2-9(-1)^2=9(x+1)(x-1)$            $13x-13(-1)=13(x+1)$
  • $2(x+1)(x^2-x+1)+9(x+1)(x-1)+13(x+1)=0$    , Все готово к выносу общего множителя    $x+1$   за скобки
  • $(x+1)(2x^2-2x+2+9x-9+13)=0$    упростим, получим окончательное разложение    $(x+1)(2x^2+7x+6)=0$

Продолжение решения уравнения:       $(x+1)(2x^2+7x+6)=0$ - произведение множителей = 0. Распад на случаи!

  • Второй множитель:    $2x^2+7x+6=0$ ,   $D=49-48=1$ ,    два корня:      $x=-1,5$        $x=-2$
  • Первый множитель:     $x+1=0$     дает найденный ранее корень.     Ответы:     $x=1$     $x=-1,5$     $x=-2$

Схема Горнера:     деление многочлена        $2x^3+9x^2+13x+6$       на       $x+1$:       корень     $-1$

-1    |        2       9       13       6                            $2x^3+9x^2+13x+6$

__    |        2       7       6       =0                            $2x^2+7x+6$         

Иллюстрации по схеме Горнера:

         

Пример 5:     кубический многочлен    $x^3+4x^2+3x-2$ поделить на $x+2$    по схеме Горнера.

-2    |        1       4       3       -2                            $x^3+4x^2+3x-2$

__    |        1       2       -1       =0                            $x^2+2x-1$         

Пример 6:    решить    $x^4−3x^3−2x^2−3x+1=0$ - уравнение 4-ой степени

  • Решение:    $x=0$ не является корнем этого уравнения, поэтому можно обе части уравнения поделить на $x^2$.
  • $x^2-3x-2-\frac{3}{x}+\frac{1}{x^2}=0$                  $\left( x^2+\frac{1}{x^2} \right) - 3\left(x+\frac{1}{x}\right)-2=0$
  • Замена     $y=x+\displaystyle\frac{1}{x}$.    Тогда      $y^2=x^2+2+\displaystyle\frac{1}{x^2}$.     Получим    $y^2−3y−4=0$
  • Решения       $y=-1$        $y=4$           и "возврат" к       $x$     неизвестному:          $x+\frac{1}{x}=-1$        $x+\frac{1}{x}=4$
  • $x^2+x+1=0$ - нет решений,        $x^2-4x+1=0$             Ответы:    $x=2-\sqrt{3}$, $x=2+\sqrt{3}$

Пример 7:    решить    $2x^4-11x^3-8x^2+59x+30=0$

  • Ищем 1 корень:    Свободный член $30$, его делители    $1, 2, 3, 5, 6, 10, 15, 30$. Делители старшего коэффициента   $1, 2$
  • Список кандидатов на "хорошие" корни:   $\pm1, \pm2, \pm3, \pm5, \pm6, \pm10, \pm15, \pm30, \pm\frac{1}{2}, \pm\frac{3}{2}, \pm\frac{5}{2}, \pm\frac{15}{2}$
  • Поиск, перебор:   $x=-2$:       $2(-2)^4-11(-2)^3-8(-2)^2+59(-2)+30=32+88-32-118+30=0$
  • Выносим $x+2$ за скобки: к 4-ой степени сделаем добавку $4x^3$:        $2x^4+4x^3-15x^3-8x^2+59x+30=0$    
  • Из 1-го и 2-го слагаемого выносим общий множитель:         $2x^3\left(x+2\right)-15x^3-8x^2+59x+30=0$
  • Теперь, к кубу организуем "нужное" вычитание:    $2x^3\left(x+2\right)-15x^3-30x^2+22x^2+59x+30=0$ ....
  • ... и выносим общий множитель:      $2x^3\left(x+2\right)-15x^2\left(x+2\right)+22x^2+59x+30=0$ . В скобках конечно же   $x+2$
  • Что прибавить к $22x^2$, чтоб в скобках "увидеть" $x+2$:        $2x^3\left(x+2\right)-15x^2\left(x+2\right)+22x^2+44x+15x+30=0$
  • В последних парах выносим общие:    $2x^3\left(x+2\right)-15x^2\left(x+2\right)+22x\left(x+2\right)+15\left(x+2\right)=0$
  •    $\left(x+2\right)\left(2x^3-15x^2+22x+15\right)=0$    - итоговое разложение многочлена 4-ой степени на (линейное) * (куб)
  • Решаем "произведение = 0 " через "распад на множители":       $x+2=0$       $2x^3-15x^2+22x+15=0$ .
  • Решаем кубическое    $2x^3-15x^2+22x+15=0$ .   Ищем, угадываем корень: найдем $x=3$ путем подбора.
  • Разложим кубическое.     Выносим $(x-3)$ за скобки:       $2x^3-2\cdot 3^3-15x^2+15\cdot 3^2+22\cdot x-22\cdot 3=0$
  •    $2\left(x-3\right)\left(x^2+3x+9\right)-15\left(x-3\right)\left(x+3\right)+22\left(x-3\right)=0$
  • $\left(x-3\right)\left(2x^2+6x+18-15x-45+22\right)=0$                        $\left(x-3\right)\left(2x^2-9x-5\right)=0$
  •    $x-3=0$         $2x^2-9x-5=0$       $D=81+40$                $x=\frac{9+11}{4}$             $x=\frac{9-11}{4}$
  • Ответы:          $x=3$        $x=-2$         $x=5$         $x=-\frac{1}{2}$

Классная Интерактивная Доска:

Упражнения: