Исследовательская работа по математике Кубическое уравнение и методы его решения

Самая удобная и увлекательная подготовка к ЕГЭ

Равенство, содержащее неизвестное число, обозначенное буквой, называется уравнением. Выражение, стоящее слева от знака равенства, называется левой частью уравнения, а выражение, стоящее справа, — правой частью уравнения.

Линейным называется такое уравнение, в котором неизвестное $x$ находится в числителе уравнения и без показателей. Например: $2х – 5 = 3$

Линейные уравнения сводятся к виду $ax = b$, которое получается при помощи раскрытия скобок, приведения подобных слагаемых, переноса слагаемых из одной части уравнения в другую, а также умножения или деления обеих частей уравнения на число, отличное от нуля.

$5 (5 + 3х) — 10х = 8$

Раскроем скобки.

$25 + 15х — 10х = 8$

Перенесем неизвестные слагаемые в левую часть уравнения, а известные в правую. При переносе из одной части в другую, у слагаемого меняется знак на противоположный.

$15х — 10х = 8 — 25$

Приведем подобные слагаемые.

$5х = -17$ — это конечный результат преобразований.

После преобразований к виду $ax = b$, где, a=0, корень уравнения находим по формуле $х = {b}/{a}$

$х=-{17}/{5}$

$х = — 3,4$

Ответ: $- 3,4$

Квадратное уравнение — уравнение вида $ax2 + bx + c = 0$, где $a, b, c$ — некоторые числа a$≠0$, $x$ — неизвестное. Перед тем как решать уравнение, необходимо раскрыть скобки и собрать все слагаемые в левой части уравнения.

Числа $a, b, c$ называются коэффициентами квадратного уравнения.

• $a$ — старший коэффициент;
• $b$ — средний коэффициент;
• $c$ — свободный член.

Если в квадратном уравнении коэффициенты $b$ и $c$ не равны нулю, то уравнение называется полным квадратным уравнением. Например, уравнение $2×2 – 8x + 3 = 0$. Если один из коэффициентов $b$ или $c$ равен нулю или оба коэффициента равны нулю, то квадратное уравнение называется неполным. Например, $5×2 – 2x = 0$.

Решение неполных квадратных уравнений

Неполное квадратное уравнение имеет вид $ax2 + bx = 0$, если $a$≠0$; $c$=0$. В левой части этого уравнения есть общий множитель $x$.

1. Вынесем общий множитель $x$ за скобки.

Мы получим $x (ax + b) = 0$. Произведение равно нулю, если хотя бы один из множителей равен нулю. Поэтому получаем $x = 0$ или $ax + b =0$. Таким образом, данное уравнение эквивалентно двум уравнениям:

$x = 0; ax + b = 0$

2. Решаем получившиеся уравнения каждое отдельно.

Мы получим $x = 0$ и $x={-b}/{a}$. Следовательно, данное квадратное уравнение имеет два корня $x = 0$ и $x={-b}/{a}$

$4х2 — 5х = 0$

Вынесем х как общий множитель за скобки:

$х (4х — 5) = 0$

Приравняем каждый множитель к нулю и найдем корни уравнения.

$x = 0$ или $4х — 5 = 0$

$х_1 = 0   х_2 = 1,25$

Ответ: $х_1 = 0; х_2 = 1,25$

Неполное квадратное уравнение вида $ax2 + c = 0, a≠0, b=0$

Для решения данного неполного квадратного уравнения выразим $x2$.

$ax2 + c = 0$

$ax2 = — c$

$x_2 = {-c}/{a}$

При решении последнего уравнения возможны два случая:

если ${-c}/{a}>0$, то получаем два корня: $x = ±v{{-c}/{a}}$

если ${-c}/{a} 0$. Тогда корни уравнения равны:

$x_{1,2}={-b±√D}/{2a}$

2. $D = 0$. В данном случае решение даёт два двукратных корня:

$x_{1}=x_{2}={-b}/{2a}$

3. $D < 0$. В этом случае уравнение не имеет корней.

$3х2 — 11 = -8х$

$3х2 + 8х — 11 = 0$

$a = 3 ,b = 8, c = — 11$

$D = b2- 4ac = 82- 4 · 3 · (-11) = 196 = 142$

$x_{1}={-b+√D}/{2a}={-8+14}/{6}=1$

$x_{2}={-b-√D}/{2a}={-8-14}/{6}=-3{2}/{3}$

Ответ: $x_1=1, x_2=-3{2}/{3}$

Устные способы

Если сумма коэффициентов равна нулю $(а + b + c = 0)$, то $х_1= 1, х_2={с}/{а}$

$4х2+ 3х — 7 = 0$

$4 + 3 — 7 = 0$, следовательно $х_1= 1, х_2=-{7}/{4}$

Ответ: $х_1= 1, х_2 = -{7}/{4}$

Если старший коэффициент в сумме со свободным равен среднему коэффициенту $(a + c = b)$, то $х_1= — 1, х_2=-{с}/{а}$

$5х2+ 7х + 2 = 0$

$5 + 2 = 7$, следовательно, $х_1= -1, х_2 =-{2}/{5}$

Ответ: $х_1= -1, х_2 = -{2}/{5}$

Кубические уравнения

Для решения простых кубических уравнений необходимо обе части представить в виде основания в третьей степени. Далее извлечь кубический корень и получить простое линейное уравнение.

$(x — 3)3 = 27$

Представим обе части как основания в третьей степени

$(x — 3)3 = $33

Извлечем кубический корень из обеих частей

$х — 3 = 3$

Соберем известные слагаемые в правой части

$x = 6$

Ответ: $х = 6$

Дробно рациональные уравнения

Рациональное уравнение, в котором левая или правая части являются дробными выражениями, называется дробным.

Чтобы решить дробное уравнение, необходимо:

1. найти общий знаменатель дробей, входящих в уравнение;
2. умножить обе части уравнения на общий знаменатель;
3. решить получившееся целое уравнение;
4. исключить из его корней те, которые обращают в ноль общий знаменатель.

$4x + 1 — {3}/{x} = 0$

1. находим значения переменной, при которых уравнение не имеет смысл (ОДЗ)

$x≠0$

2. находим общий знаменатель дробей и умножаем на него обе части уравнения

$4x + 1 — {3}/{x}= 0¦· x$

$4x · x + 1 · x — {3·x}/{x} = 0$

3. решаем полученное уравнение

$4×2 + x — 3 = 0$

Решим вторым устным способом, т.к. $а + с = b$

Тогда $х_1 = — 1, х_2 = {3}/{4}$

4. исключаем те корни, при которых общий знаменатель равен нулю В первом пункте получилось, что при $x = 0$ уравнение не имеет смысл, среди корней уравнения нуля нет, значит, оба корня нам подходят.

Ответ: $х_1 = — 1, х_2 = {3}/{4}$

При решении уравнения с двумя дробями можно использовать основное свойство пропорции.

Основное свойство пропорции: Если ${a}/{b} = {c}/{d}$, то $a · d = b · c$

${3х-5}/{-2}={1}/{х}$

Находим значения переменной, при которых уравнение не имеет смысл (ОДЗ)

$x≠0$

Воспользуемся основным свойством пропорции

$х (3х — 5) = -2$

Раскроем скобки и соберем все слагаемые в левой части уравнения

$3х2- 5х + 2 = 0$

Решим данное квадратное уравнение первым устным способом, т.к.

$a + b + c = 0$

$x_1 = 1, x_2 = {2}/{3}$

В первом пункте получилось, что при $x = 0$ уравнение не имеет смысл, среди корней уравнения нуля нет, значит, оба корня нам подходят.

Ответ: $x_1 = 1, x_2 = {2}/{3}$

Источник: https://examer.ru/ege_po_matematike/teoriya/kvadratnye_uravneniya

Научно-исследовательская работа «теорема виета для уравнений третьей и четвертой степени» математика

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №64» г. Брянска

Городская научно-практическая конференция

«Первые шаги в науку»

Научно-исследовательская работа

«Теорема Виета для уравнений третьей и четвертой степени»

Математика

Выполнил: ученик 11б класса

Шанов Илья Алексеевич

Научный руководитель:

учитель математики,

кандидат физ.-мат. наук

Быков Сергей Валентинович

Брянск 2012

1. Введение ………………………………………………………………… 3

1. Цели и задачи …………………………………………………………… 4

1. Краткая историческая справка ………………………………………… 4

1. Квадратное уравнение …………………………………………………. 5

1. Кубическое уравнение …………………………………………………. 6

1. Уравнение четвертой степени ………………………………………… 7

1. Практическая часть ……………………………………………………. 9

1. Список литературы …………………………………………………… 12

1. Приложение …………………………………………………………… 13

Введение

Основная теорема алгебры утверждает, что поле является алгебраическим замкнутым, другими словами, что уравнения n-ой степени с комплексными коэффициентами (в общем случае) над полем имеет ровно n комплексных корней.

Уравнения третьей степени решаются формулой Кордано. Уравнения четвёртой степени методом Феррари. Кроме того, что в теории алгебры доказано, что если — корень уравнения, то так же является корнем этого уравнения.

Для кубического уравнения возможны следующие случаи:

1. все три корня – действительные;

2. два корня комплексных, один действительный.

Отсюда следует, что любое кубическое уравнение имеет хотя бы один действительный корень.

Для уравнения четвертой степени:

1. Все четыре корня различные.

2. Два корня действительных, два – комплексных.

3. Все четыре корня комплексные.

Данная работа посвящена тщательному изучению теоремы Виета: её формулировке, доказательству, а так же решению задач с применением этой теоремы.

Проделанная работа направлена помощь ученика 11-х классов, которым предстоит сдача ЕГЭ, а так же для юных математиков, которым небезразличны более простые и эффективные методы решений в различных областях математики.

В приложении к этой работе предоставляется сборник задач для самостоятельного решения и закрепления нового материала, исследуемого мной.

Этот вопрос нельзя оставлять без внимания, так как он важен для математики как для науки в целом, так и для учащихся и интересующихся решение подобных задач.

Цели и задачи работы:

• Получить аналог теоремы Виета для уравнения третьей степени.

• Доказать аналог теоремы Виета для уравнения третьей степени.

• Получить аналог теоремы Виета для уравнения четвертой степени.

• Доказать аналог теоремы Виета для уравнения четвертой степени.

• Рассмотреть применения данных вопросов к решению практических задач.
  • Убедиться в практичности применения данной теоремы.

• Углубить математические знания в области решения уравнений.

• Развить интерес к математике.

Краткая историческая справка

О свойствах корней ТЕОРЕМА ВИЕТА…

ФРАНСУА ВИЕТ(1540—1603) — французский математик. По профессии юрист. В 1591 году ввёл буквенные обозначения не только для неизвестных величин, но и для коэффициентов уравнений; благодаря этому стало впервые возможным выражение свойств уравнений и их корней общими формулами.

Ему принадлежит установление единообразного приёма решения уравнений 2-й, 3-й и 4-й степеней. Среди открытий сам Виет особенно высоко ценил установление зависимости между корнями и коэффициентами уравнений.

Для приближённого решения уравнений с численными коэффициентами Виет предложил метод, схожий с позднейшим методом Ньютона.

Квадратное уравнение

Для начала вспомним формулы Виета для уравнения второй степени, которые мы узнали в программе школьного курса обучения.

Теорема Виетадля квадратного уравнения (8 класс)

Если и – корни квадратного уравнения то

т. е. сумма корней приведённого квадратного уравнения равна второму коэффициенту, взятому с противоположным знаком, а произведение корней равно свободному члену.

Так же, вспомним теорему, обратную теореме Виета:

Если числа —p и q таковы, что

то и — корни уравнения

Теорема Виета замечательна тем, что, не зная корней квадратного трехчлена, мы легко можем вычислить их сумму и произведение, то есть простейшие симметричные выражения.

Теорема Виета позволяет угадывать целые корни квадратного трехчлена.

Кубическое уравнение

Теперь перейдём, непосредственно, к постановке и решению кубического уравнения с помощью теоремы Виета.

Формулировка

Кубическое уравнение — это уравнение третьего порядка, вида

где a ≠ 0.

Если а = 1, то уравнение называют приведённым кубическим уравнением:

Итак, нужно доказать, что для уравнения

справедлива следующая теорема:

пусть корни данного уравнения, тогда

Доказательство

Представим многочлен

в виде

выполним преобразования:

Итак, получим, что

Два многочлена равны тогда и только тогда, когда равны их коэффициенты при соответствующих степенях.

Это значит, что

https://www.youtube.com/watch?v=5P9ptyUnkzo

Что и требовалось доказать.

Теперь рассмотрим теорему, обратную теореме Виета для уравнения третьей степени.

Формулировка

Если числа таковы, что

то эти числа являются корнями уравнения

Уравнение четвертой степени

Теперь перейдём к постановке и решению уравнения четвертой степени с помощью теоремы Виета для уравнения четвертой степени.

Формулировка

Уравнение четвертой степени — уравнение вида

где a ≠ 0.

Если а = 1, то уравнение называют приведённым

Итак, докажем, что для уравнения

справедлива следующая теорема: пусть корни данного уравнения, тогда

Доказательство

Представим многочлен

в виде

выполним преобразования:

Итак, получим, что

Мы знаем, что два многочлена равны тогда и только тогда, когда равны их коэффициенты при соответствующих степенях.

Это значит, что

https://www.youtube.com/watch?v=5P9ptyUnkzo

Что и требовалось доказать.

Рассмотрим теорему, обратную теореме Виета для уравнения четвёртой степени.

Формулировка

Если числа таковы, что

то эти числа являются корнями уравнения

Практическая часть

Теперь рассмотрим решения задач, с помощью теорем Виета для уравнений третьей и четвертой степени.

Задача №1

1. Найти сумму и произведение корней уравнения

2. Решение: воспользуемся теоремой Виета, тогда получим, что

Ответ: 4, -4.

Задача №2

1. Найти сумму и произведение корней уравнения

2. Решение: воспользуемся теоремой Виета, тогда получим, что

Ответ: 16, 24.

Для решения данных уравнений можно использовать формулы Кардано и метод Феррари соответственно, но, используя теорему Виета, мы заведомо знаем сумму и произведение корней этих уравнений.

Задача №3

1. Составить уравнение третьей степени, если известно, что сумма корней равна 6, по парное произведение корней равно 3, а произведение -4.

2. Решение: пользуясь формулой Виета, получим

Составим уравнение, получим

Ответ:

Задача №4

1. Составить уравнение третьей степени, если известно, что сумма корней равна 8, по парное произведение корней равно 4, утроенные произведение равно 12, а произведение 20.

2. Решение: пользуясь формулой Виета, получим

Составим уравнение, получим

Ответ:

С помощью теоремы Виета мы легко составили уравнения по их корням. Это самый рациональный способ решения данных задач.

Задача №5

1. Найдите S треугольника, длины сторон которого есть корни уравнения

1. Решение: воспользуемся формула Герона

где a, b, c – формулы Герона.

Раскроем скобки и преобразуем выражение, получим

Заметим, что подкоренное выражение является кубическим выражением. Воспользуемся теоремой Виета для соответствующего ему кубического уравнения, тогда имеем, что

Зная, что получим:

Ответ:

Из решения этой задачи видно, что теорема Виета применима к задачам из разных областей математики.

Заключение

В данной работе был исследован метод решения уравнения третьей и четвертой степеней с помощью теоремы Виета. Выведенные в работе формулы просты в использовании. В ходе исследования стало очевидно, что в некоторых случаях этот метод эффективен больше, чем формула Кордано и метод Феррари для уравнений третьей и четвёртой степеней соответственно.

Теорема Виета была применена на практике. Был решён ряд задач, которые помогли лучше закрепить новый материал.

Но мое исследование в области решения уравнений на этом не закончено. В будущем я планирую заняться исследованием решения уравнения n-ой степени с помощью теоремы Виета.

Хочу выразить огромную благодарность своему научному руководителю, кандидату физико-математических наук, а возможность такого необычного исследования и постоянное внимание в работе.

Список литературы

1.  Виноградов И.М. Математическая энциклопедия. М., 1977.

2. В. Б. Лидский, Л. В. Овсянников, А. Н. Тулайков, М. И. Шабунин. Задачи по элементарной математике, Физматлит, 1980.

Приложение 1. (Презентация)

Для воспроизведения презентации нужно дважды щелкнуть на область картинки (воспроизводится через PowerPoint)).

Источник: http://textarchive.ru/c-1801642.html

Решение кубических уравнений. Формула Кардано

      Целью данного раздела является вывод формулы Кардано для решения уравнений третьей степени (кубических уравнений)

где a0, a1, a2, a3 – произвольные вещественные числа,

      Вывод формулы Кардано состоит из двух этапов.

      На первом этапе кубические уравнения вида (1) приводятся к кубическим уравнениям, у которых отсутствует член со второй степенью неизвестного. Такие кубические уравнения называют трёхчленными кубическими уравнениями.

      На втором этапе трёхчленные кубические уравнения решаются при помощи сведения их к квадратным уравнениям.

Приведение кубических уравнений к трехчленному виду

      Разделим уравнение (1) на старший коэффициент a0 . Тогда оно примет вид

где a, b, c – произвольные вещественные числа.

      Заменим в уравнении (2) переменную x на новую переменную y по формуле:

      Тогда, поскольку

то уравнение (2) примет вид

В результате уравнение (2) примет вид

      Если ввести обозначения

то уравнение (4) примет вид

где p, q – вещественные числа.

      Уравнения вида (5) и являются трёхчленными кубическими уравнениями, у которых отсутствует член со второй степенью неизвестного.

      Первый этап вывода формулы Кардано завершён.

Сведение трёхчленных кубических уравнений к квадратным уравнениям при помощи метода Никколо Тартальи

      Следуя методу, примененому Никколо Тартальей (1499-1557) для решения трехчленных кубических уравнений, будем искать решение уравнения (5) в виде

где   t   – новая переменная.

      Поскольку

то выполнено равенство:

      Следовательно, уравнение (5) переписывается в виде

      Если теперь уравнение (7) умножить на   t,   то мы получим квадратное уравнение относительно   t :

Формула Кардано

      Решение уравнения (8) имеет вид:

      В соответствии с (6), отсюда вытекает, что уравнение (5) имеет два решения:

      В развернутой форме эти решения записываются так:

      Покажем, что, несмотря на кажущиеся различия, решения (10) и (11) совпадают.

      Действительно,

      С другой стороны,

      Таким образом,

и для решения уравнения (5) мы получили формулу

которая и называется «Формула Кардано».

      Замечание. Поскольку у каждого комплексного числа, отличного от нуля, существуют три различных кубических корня, то, для того, чтобы избежать ошибок при решении кубических уравнений в области комплексных чисел, рекомендуется использовать формулу Кардано в виде (10) или (11).

Пример решения кубического уравнения

      Пример. Решить уравнение

      Решение. Сначала приведем уравнение (13) к трехчленному виду. Для этого в соответствии с формулой (3) сделаем в уравнении (13) замену

      Тогда получим

x3 – 6×2 – 6x – 2 =
= (y + 2)3– 6(y + 2)2 –
– 6(y + 2) – 2 =
= y3 + 6y2 + 12y + 8 – 6y2 –
– 24y – 24 – 6y – 12 – 2 =
= y3 – 18y – 30.

      Следовательно, уравнение (13) принимает вид

      Теперь в соответствии с формулой (6) сделаем в уравнении (15) еще одну замену

      Тогда поскольку

то уравнение (15) примет вид

      Далее из (17) получаем:

      Отсюда по формуле (16) получаем:

      Заметим, что такое же, как и в формуле (18), значение получилось бы, если бы мы использовали формулу

или использовали формулу

      Далее из равенства (18) в соответствии с (14) получаем:

      Таким образом, мы нашли у уравнения (13) вещественный корень

      Замечание 1. У уравнения (13) других вещественных корней нет.

      Замечание 2. Поскольку произвольное кубическое уравнение в комплексной области имеет 3 корня с учетом кратностей, то до полного решения уравнения (13) остается найти еще 2 корня.

Эти корни можно найти разными способами, в частности, применив вариант формулы Кардано для области комплексных чисел.

Однако применение такого варианта формулы Кардано значительно выходит за рамки курса математики даже специализированных математических школ.

      На нашем сайте можно также ознакомиться с разработанными преподавателями учебного центра «Резольвента» учебными материалами для подготовки к ЕГЭ и ОГЭ по математике.

      Для школьников, желающих хорошо подготовиться и сдать ЕГЭ или ОГЭ по математике или русскому языку на высокий балл, учебный центр «Резольвента» проводит

      У нас также для школьников организованы

МОСКВА, СВАО, Учебный центр «РЕЗОЛЬВЕНТА»

Источник: https://www.resolventa.ru/spr/algebra/cardano.htm