Методы решения физико-математических задач

Решение кубических уравнений

Кубическое уравнение с неизвестными корнями
Изложено, как решать кубические уравнения. Рассмотрен случай, когда известен один корень. Методы поиска целых и рациональных корней. Применение формул Кардано и Виета для решения любого кубического уравнения.

Здесь мы рассматриваем решение кубических уравнений вида
(1)   x 3  + ax 2  + bx + c = 0 . 
Далее считаем, что a,  b,  c – это действительные числа.

Если исходное уравнение имеет вид:
(2)   αx 3  + βx 2  + γx + δ = 0 , 
то разделив его на α ,  получаем уравнение вида (1) с коэффициентами
a = βα ,  b = γα ,  c = δα  . 

Уравнение (1) имеет три корня: x1  ,  x2 и x3  .  Один из корней всегда действительный. Действительный корень мы обозначаем как x1  .  Корни x2 и x3 могут быть либо действительными, либо комплексно сопряженными. Действительные корни могут быть кратными. Например, если x2  = x3  ≠ x1  ,  то x2 и x3 – это двукратные корни (или корни кратности 2), а x1 – простой корень.

Если известен один корень

Пусть нам известен один корень кубического уравнения (1). Обозначим известный корень как x1  .  Тогда разделив уравнение (1) на x – x1  ,  получим квадратное уравнение. Решая квадратное уравнение, найдем еще два корня x2 и x3  . 

Для доказательства воспользуемся тем, что кубический многочлен можно представить в виде:
x 3  + ax 2  + bx + c =  (x – x1 )(x – x2 )(x – x3 ) . 
Тогда, разделив (1) на x – x1  ,  получаем квадратное уравнение.

Примеры деления многочленов представлены на странице
Деление многочленов уголком”.
Решение квадратных уравнений рассмотрено на странице
Корни квадратного уравнения”.

Если один из корней – целый

Если исходное уравнение имеет вид:
(2)   αx 3  + βx 2  + γx + δ = 0 , 
и его коэффициенты α ,  β ,  γ ,  δ – целые числа, то можно попытаться найти целый корень. Если это уравнение имеет целый корень, то он является делителем коэффициента δ .  Метод поиска целых корней заключается в том, что мы находим все делители числа δ и проверяем, выполняется ли для них уравнение (2). Если уравнение (2) выполняется, то мы нашли его корень. Обозначим его как x1  .  Далее делим уравнение (2) на x – x1  .  Получаем квадратное уравнение. Решая его, находим еще два корня.

Примеры определения целых корней даны на странице
Примеры разложения многочленов на множители > > >.

Поиск рациональных корней

Если в уравнении (2) α ,  β ,  γ ,  δ – целые числа, причем α ≠ 1 ,  и целых корней нет, то можно попытаться найти рациональные корни, то есть корни вида xi  = mn  ,  где m и n – целые.

Для этого умножим уравнение (2) на α 2 и сделаем подстановку y = αx  : 
α 3x 3  + βα 2x 2  + γα 2x + α 2δ = 0 ; 
(3)   y 3  + βy 2  + αγy + α 2δ = 0 . 
Далее ищем целые корни уравнения (3) среди делителей свободного члена α 2δ . 

Если мы нашли целый корень y1 уравнения (3), то, возвращаясь к переменной x ,  получаем рациональный корень уравнения (2):
x1  = y1α  . 

Формулы Кардано и Виета для решения кубического уравнения

Если нам не известен ни один корень, и целых корней нет, то найти корни кубического уравнения можно по формулам Кардано.

Рассмотрим кубическое уравнение:
(1)   x 3  + ax 2  + bx + c = 0 . 
Сделаем подстановку:
x = y – a3  . 
После этого уравнение приводится к неполному или приведенному виду:
(4)   y 3  + py + q = 0 , 
где
(5)   p = – a 23 + b ;    q = 2(a3  ) 3  – ab3 + c . 

Формула Кардано для неполного (приведенного) кубического уравнения имеет вид:
y = u + v ; 
u = 3  – q2 + Q    ; 
v = 3  – q2 – Q    ; 
uv = – p3  ; 
Q = (p3  ) 3  + (q2  ) 2  . 
По формуле Кардано, мы находим три корня величины u .  Затем, используя формулу   uv = – p3  ,  находим значения величины v . 

После разделения кубических корней величины u ,  формула Кардано принимает следующий вид:
(6)   y1  = A + B ,    y2,3  = – A + B2 ± iA – B2 3   , 
где
(7)   A = 3  – q2 + Q     ;    B = 3  – q2 – Q     ;    AB = – p3  ; 
(8)   Q = (p3  ) 3  + (q2  ) 2  . 

При Q > 0 ,  для A и B нужно выбирать действительные корни, которые автоматически связаны соотношением   AB = – p3  .  При этом мы получим одно действительное решение y1 и два комплексно сопряженных y2 и y3  . 

При Q = 0 имеем:
A = B ;    y1  = 2A ;    y2  = y3  = A . 
В этом случае мы имеем два кратных действительных корня. Если A = 0 ,  то мы имеем три кратных корня.

При Q < 0 мы имеем три действительных корня. При этом A и B – комплексные. Поэтому решение приводится к тригонометрической форме, которая имеет название формулы Виета:
(9)   y1  = 2  – p3    cos (φ / 3 ) ; 
(10)   y2,3  = 2  – p3    cos (φ / 3 ± 2π / 3 ) , 
где
(11)   cos φ = – q2(3– p  ) 3 / 2  ;    0 ≤ φ ≤ π . 

Примеры решений по формулам Кардано и Виета

Решить кубические уравнения:
x 3  + 2x 2  + x + 1 = 0 ; 
x 3  – 2x 2  – x + 1 = 0 . 

Решение примеров > > >

Онлайн калькулятор > > >


Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.
Г. Корн, Справочник по математике для научных работников и инженеров, 2012.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню