求实系数一元三次方程根的实用公式
在数学书籍或数学手册中,对一元三次方程求根公式的叙述都是沿用“卡丹公式”,即:对于一元三次方程:
设,
则它的三个根的表达式如下:
其中,
我们先用该公式解一个一元三次方程:。
解: p=- 9,q=6,∴ T=- 3,D=- 18,
∴ 原方程的三个根为
这样求出的三个根的表达式有两个不妥之处:
其一、当时,方程有三个实根(下文给出证明),但这里的、、表达式不明确。
其二、当时,以及(如此例中的)违背了现行中等数学的表示规范,也不能具体地求出其值。
因此,用“卡丹公式”解出的一元三次方程的根,往往是不实用、不直观、不严密的。
下面我们推导一个实用的改进型求根公式。
实系数一元三次方程可写为 (1)
令 ,代入(1)得 (2)
其中,
不失一般性,我们只要讨论实系数一元三次方程的求根公式即可。
不妨设p、q均不为零,令y=u+v (3)
代入(2)得, (4)
选择u、v,使得,即 (5)
代入(4)得, (6)
将(5)式两边立方得, (7)
联立(6)、(7)两式,得关于的方程组:
, 且
问题归结于上述方程组的求解。
即求关于t的一元二次方程的两根、,
设,,,
又记的一个立方根为,则另两个立方根为,,
其中,为1的两个立方虚根。
以下分三种情形讨论:
1)若,即D>0,则、均为实数,
可求得,,
取,,
在,组成的九个数中,
有且只有下面三组满足,
即、;、;、,
也就是满足,
∴ 方程(2)的根为,,,
这是方程(2)有一个实根,两个共轭虚根,,
其表达式就是前面给出的“卡丹公式”的形式,
这里的根式及都是在实数意义下的。
2)若,即时,
可求得,取
同理,可求得
∴ 方程(2)有三个实根,其中至少有两个相等的实根。
3)若,即D<0时,
,∴ p<0,,
则、均为虚数,求出、并用三角式表示,
就有,,
其中T,都是实数,
∴
同理,
其中,且
取,,
则
显然,当且仅当取,;,;,
这三组时才满足,
于是方程(2)得三个实根为,,,
具体表示出来就为:
其中
∴ 当时,方程(2)有三个实根。
综上所述,实系数一元三次方程的求根公式如下:
令,,,
,
1)当时,方程有一个实根和两个共轭虚根,
2)当时,方程有三个实根,其中至少有两个相等的实根,
, ,
3)当时,方程有三个实根,
,
上面提供的公式,可以求出任意实系数一元三次方程的根的具体值,是实用性的。
这里用以下几个解一元三次方程的实例来说明该公式的应用。
例一、解方程。
解: p=- 27,q=54,∴ D=0,
∴ 原方程的根为,。
例二、解方程。
解: p=9,q=4,∴ D=31>0,
∴ 原方程有一个实根和两个共轭虚根:
例三、解方程。
解: p=- 9,q=6,∴ D=- 18<0,
∴ 原方程有三个实根:
通过差表或计算器、计算机可计算得:
这在工程技术上是极其有用的。
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