При изучении способов решения уравнений второго порядка в школьном курсе алгебры, рассматривают свойства полученных корней. Они в настоящее время известны под названием теоремы Виета. Примеры использования ее приводятся в данной статье.
Квадратное уравнение
Уравнение второго порядка представляет собой равенство, которое показано на фото ниже.
Здесь символы a, b, c являются некоторыми числами, носящими название коэффициентов рассматриваемого уравнения. Чтобы решить равенство, необходимо найти такие значения x, которые делают его истинным.
Заметим, что поскольку максимальное значение степени, в которую возводится икс, равно двум, тогда число корней в общем случае также равно двум.
Для решения этого типа равенств существует несколько способов. В данной статье рассмотрим один из них, который предполагает использование так называемой теоремы Виета.
Формулировка теоремы Виета
В конце XVI известный математик Франсуа Виет (француз) заметил, анализируя свойства корней различных квадратных уравнений, что определенные их комбинации удовлетворяют конкретным соотношениям. В частности, этими комбинациями является их произведение и сумма.
Теорема Виета устанавливает следующее: корни квадратного уравнения при их сумме дают отношение коэффициентов линейного к квадратичному взятое с обратным знаком, а при их произведении приводят к отношению свободного члена к квадратичному коэффициенту.
Если общий вид уравнения записан так, как это представлено на фото в предыдущем разделе статьи, тогда математически эту теорему можно записать в виде двух равенств:
- r 2 + r 1 = -b / a;
- r 1 х r 2 = c / a.
Где r 1 , r 2 - это значение корней рассматриваемого уравнения.
Приведенные два равенства можно использовать для решения ряда самых разных математических задач. Использование теоремы Виета в примерах с решением приведены в следующих разделах статьи.
В математике существуют специальные приемы, с которыми многие квадратные уравнения решаются очень быстро и без всяких дискриминантов. Более того, при надлежащей тренировке многие начинают решать квадратные уравнения устно, буквально «с первого взгляда».
К сожалению, в современном курсе школьной математики подобные технологии почти не изучаются. А знать надо! И сегодня мы рассмотрим один из таких приемов - теорему Виета. Для начала введем новое определение.
Квадратное уравнение вида x 2 + bx + c = 0 называется приведенным. Обратите внимание: коэффициент при x 2 равен 1. Никаких других ограничений на коэффициенты не накладывается.
- x 2 + 7x + 12 = 0 - это приведенное квадратное уравнение;
- x 2 − 5x + 6 = 0 - тоже приведенное;
- 2x 2 − 6x + 8 = 0 - а вот это нифига не приведенное, поскольку коэффициент при x 2 равен 2.
Разумеется, любое квадратное уравнение вида ax 2 + bx + c = 0 можно сделать приведенным - достаточно разделить все коэффициенты на число a . Мы всегда можем так поступить, поскольку из определения квадратного уравнения следует, что a ≠ 0.
Правда, далеко не всегда эти преобразования будут полезны для отыскания корней. Чуть ниже мы убедимся, что делать это надо лишь тогда, когда в итоговом приведенном квадратом уравнении все коэффициенты будут целочисленными. А пока рассмотрим простейшие примеры:
Задача. Преобразовать квадратное уравнение в приведенное:
- 3x 2 − 12x + 18 = 0;
- −4x 2 + 32x + 16 = 0;
- 1,5x 2 + 7,5x + 3 = 0;
- 2x 2 + 7x − 11 = 0.
Разделим каждое уравнение на коэффициент при переменной x 2 . Получим:
- 3x 2 − 12x + 18 = 0 ⇒ x 2 − 4x + 6 = 0 - разделили все на 3;
- −4x 2 + 32x + 16 = 0 ⇒ x 2 − 8x − 4 = 0 - разделили на −4;
- 1,5x 2 + 7,5x + 3 = 0 ⇒ x 2 + 5x + 2 = 0 - разделили на 1,5, все коэффициенты стали целочисленными;
- 2x 2 + 7x − 11 = 0 ⇒ x 2 + 3,5x − 5,5 = 0 - разделили на 2. При этом возникли дробные коэффициенты.
Как видите, приведенные квадратные уравнения могут иметь целые коэффициенты даже в том случае, когда исходное уравнение содержало дроби.
Теперь сформулируем основную теорему, для которой, собственно, и вводилось понятие приведенного квадратного уравнения:
Теорема Виета. Рассмотрим приведенное квадратное уравнение вида x 2 + bx + c = 0. Предположим, что это уравнение имеет действительные корни x 1 и x 2 . В этом случае верны следующие утверждения:
- x 1 + x 2 = −b . Другими словами, сумма корней приведенного квадратного уравнения равна коэффициенту при переменной x , взятому с противоположным знаком;
- x 1 · x 2 = c . Произведение корней квадратного уравнения равно свободному коэффициенту.
Примеры. Для простоты будем рассматривать только приведенные квадратные уравнения, не требующие дополнительных преобразований:
- x 2 − 9x + 20 = 0 ⇒ x 1 + x 2 = − (−9) = 9; x 1 · x 2 = 20; корни: x 1 = 4; x 2 = 5;
- x 2 + 2x − 15 = 0 ⇒ x 1 + x 2 = −2; x 1 · x 2 = −15; корни: x 1 = 3; x 2 = −5;
- x 2 + 5x + 4 = 0 ⇒ x 1 + x 2 = −5; x 1 · x 2 = 4; корни: x 1 = −1; x 2 = −4.
Теорема Виета дает нам дополнительную информацию о корнях квадратного уравнения. На первый взгляд это может показаться сложным, но даже при минимальной тренировке вы научитесь «видеть» корни и буквально угадывать их за считанные секунды.
Задача. Решите квадратное уравнение:
- x 2 − 9x + 14 = 0;
- x 2 − 12x + 27 = 0;
- 3x 2 + 33x + 30 = 0;
- −7x 2 + 77x − 210 = 0.
Попробуем выписать коэффициенты по теореме Виета и «угадать» корни:
- x
2 − 9x
+ 14 = 0 - это приведенное квадратное уравнение.
По теореме Виета имеем: x 1 + x 2 = −(−9) = 9; x 1 · x 2 = 14. Несложно заметить, что корни - числа 2 и 7; - x
2 − 12x
+ 27 = 0 - тоже приведенное.
По теореме Виета: x 1 + x 2 = −(−12) = 12; x 1 · x 2 = 27. Отсюда корни: 3 и 9; - 3x
2 + 33x
+ 30 = 0 - это уравнение не является приведенным. Но мы это сейчас исправим, разделив обе стороны уравнения на коэффициент a
= 3. Получим: x
2 + 11x
+ 10 = 0.
Решаем по теореме Виета: x 1 + x 2 = −11; x 1 · x 2 = 10 ⇒ корни: −10 и −1; - −7x
2 + 77x
− 210 = 0 - снова коэффициент при x
2 не равен 1, т.е. уравнение не приведенное. Делим все на число a
= −7. Получим: x
2 − 11x
+ 30 = 0.
По теореме Виета: x 1 + x 2 = −(−11) = 11; x 1 · x 2 = 30; из этих уравнений легко угадать корни: 5 и 6.
Из приведенных рассуждений видно, как теорема Виета упрощает решение квадратных уравнений. Никаких сложных вычислений, никаких арифметических корней и дробей. И даже дискриминант (см. урок «Решение квадратных уравнений ») нам не потребовался.
Разумеется, во всех размышлениях мы исходили из двух важных предположений, которые, вообще говоря, не всегда выполняются в реальных задачах:
- Квадратное уравнение является приведенным, т.е. коэффициент при x 2 равен 1;
- Уравнение имеет два различных корня. С точки зрения алгебры, в этом случае дискриминант D > 0 - по сути, мы изначально предполагаем, что это неравенство верно.
Однако в типичных математических задачах эти условия выполняются. Если же в результате вычислений получилось «плохое» квадратное уравнение (коэффициент при x 2 отличен от 1), это легко исправить - взгляните на примеры в самом начале урока. Про корни вообще молчу: что это за задача, в которой нет ответа? Конечно, корни будут.
Таким образом, общая схема решения квадратных уравнений по теореме Виета выглядит следующим образом:
- Свести квадратное уравнение к приведенному, если это еще не сделано в условии задачи;
- Если коэффициенты в приведенном квадратном уравнении получились дробными, решаем через дискриминант. Можно даже вернуться к исходному уравнению, чтобы работать с более «удобными» числами;
- В случае с целочисленными коэффициентами решаем уравнение по теореме Виета;
- Если в течение нескольких секунд не получилось угадать корни, забиваем на теорему Виета и решаем через дискриминант.
Задача. Решите уравнение: 5x 2 − 35x + 50 = 0.
Итак, перед нами уравнение, которое не является приведенным, т.к. коэффициент a = 5. Разделим все на 5, получим: x 2 − 7x + 10 = 0.
Все коэффициенты квадратного уравнения целочисленные - попробуем решить по теореме Виета. Имеем: x 1 + x 2 = −(−7) = 7; x 1 · x 2 = 10. В данном случае корни угадываются легко - это 2 и 5. Считать через дискриминант не надо.
Задача. Решите уравнение: −5x 2 + 8x − 2,4 = 0.
Смотрим: −5x 2 + 8x − 2,4 = 0 - это уравнение не является приведенным, разделим обе стороны на коэффициент a = −5. Получим: x 2 − 1,6x + 0,48 = 0 - уравнение с дробными коэффициентами.
Лучше вернуться к исходному уравнению и считать через дискриминант: −5x 2 + 8x − 2,4 = 0 ⇒ D = 8 2 − 4 · (−5) · (−2,4) = 16 ⇒ ... ⇒ x 1 = 1,2; x 2 = 0,4.
Задача. Решите уравнение: 2x 2 + 10x − 600 = 0.
Для начала разделим все на коэффициент a = 2. Получится уравнение x 2 + 5x − 300 = 0.
Это приведенное уравнение, по теореме Виета имеем: x 1 + x 2 = −5; x 1 · x 2 = −300. Угадать корни квадратного уравнения в данном случае затруднительно - лично я серьезно «завис», когда решал эту задачу.
Придется искать корни через дискриминант: D = 5 2 − 4 · 1 · (−300) = 1225 = 35 2 . Если вы не помните корень из дискриминанта, просто отмечу, что 1225: 25 = 49. Следовательно, 1225 = 25 · 49 = 5 2 · 7 2 = 35 2 .
Теперь, когда корень из дискриминанта известен, решить уравнение не составит труда. Получим: x 1 = 15; x 2 = −20.
Формулировка и доказательство теоремы Виета для квадратных уравнений. Обратная теорема Виета. Теорема Виета для кубических уравнений и уравнений произвольного порядка.
Квадратные уравнения
Теорема Виета
Пусть и обозначают корни приведенного квадратного уравнения
(1)
.
Тогда сумма корней равна коэффициенту при ,
взятому с обратным знаком. Произведение корней равно свободному члену:
;
.
Замечание по поводу кратных корней
Если дискриминант уравнения (1) равен нулю, то это уравнение имеет один корень. Но, чтобы избежать громоздких формулировок, принято считать, что в этом случае, уравнение (1) имеет два кратных, или равных, корня:
.
Доказательство первое
Найдем корни уравнения (1). Для этого применим формулу для корней квадратного уравнения :
;
;
.
Находим сумму корней:
.
Чтобы найти произведение, применим формулу:
.
Тогда
.
Теорема доказана.
Доказательство второе
Если числа и являются корнями квадратного уравнения (1), то
.
Раскрываем скобки.
.
Таким образом, уравнение (1) примет вид:
.
Сравнивая с (1) находим:
;
.
Теорема доказана.
Обратная теорема Виета
Пусть и есть произвольные числа. Тогда и являются корнями квадратного уравнения
,
где
(2)
;
(3)
.
Доказательство обратной теоремы Виета
Рассмотрим квадратное уравнение
(1)
.
Нам нужно доказать, что если и ,
то и являются корнями уравнения (1).
Подставим (2) и (3) в (1):
.
Группируем члены левой части уравнения:
;
;
(4)
.
Подставим в (4) :
;
.
Подставим в (4) :
;
.
Уравнение выполняется. То есть число является корнем уравнения (1).
Теорема доказана.
Теорема Виета для полного квадратного уравнения
Теперь рассмотрим полное квадратное уравнение
(5)
,
где ,
и есть некоторые числа. Причем .
Разделим уравнение (5) на :
.
То есть мы получили приведенное уравнение
,
где ;
.
Тогда теорема Виета для полного квадратного уравнения имеет следующий вид.
Пусть и обозначают корни полного квадратного уравнения
.
Тогда сумма и произведение корней определяются по формулам:
;
.
Теорема Виета для кубического уравнения
Аналогичным образом мы можем установить связи между корнями кубического уравнения. Рассмотрим кубическое уравнение
(6)
,
где ,
,
,
есть некоторые числа. Причем .
Разделим это уравнение на :
(7)
,
где ,
,
.
Пусть ,
,
есть корни уравнения (7) (и уравнения (6)). Тогда
.
Сравнивая с уравнением (7) находим:
;
;
.
Теорема Виета для уравнения n-й степени
Тем же способом можно найти связи между корнями ,
,
... , ,
для уравнения n-й степени
.
Теорема Виета для уравнения n-й степени имеет следующий вид:
;
;
;
.
Чтобы получить эти формулы мы записываем уравнение в следующем виде:
.
Затем приравниваем коэффициенты при ,
,
,
... , и сравниваем свободный член.
Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.
С.М. Никольский, М.К. Потапов и др., Алгебра: учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений, Москва, Просвещение, 2006.
2.5 Формула Виета для многочленов (уравнений) высших степеней
Формулы, выведенные Виетом для квадратных уравнений, верны и для многочленов высших степеней.
Пусть многочлен
P(x) = a 0 x n + a 1 x n -1 + … +a n
Имеет n различных корней x 1 , x 2 …, x n .
В этом случае он имеет разложение на множители вида:
a 0 x n + a 1 x n-1 +…+ a n = a 0 (x – x 1)(x – x 2)…(x – x n)
Разделим обе части этого равенства на a 0 ≠ 0 и раскроем в первой части скобки. Получим равенство:
x n + ()x n -1 + … + () = x n – (x 1 + x 2 + … + x n) x n -1 + (x 1 x 2 + x 2 x 3 + … + x n -1 x n)x n -2 + … +(-1) n x 1 x 2 … x n
Но два многочлена тождественно равны в том и только в том случае, когда коэффициенты при одинаковых степенях равны. Отсюда следует, что выполняется равенство
x 1 + x 2 + … + x n = -
x 1 x 2 + x 2 x 3 + … + x n -1 x n =
x 1 x 2 … x n = (-1) n
Например, для многочленов третей степени
a 0 x³ + a 1 x² + a 2 x + a 3
Имеем тождества
x 1 + x 2 + x 3 = -
x 1 x 2 + x 1 x 3 + x 2 x 3 =
x 1 x 2 x 3 = -
Как и для квадратных уравнений, эту формулу называют формулами Виета. Левые части этих формул являются симметрическими многочленами от корней x 1 , x 2 …, x n данного уравнения, а правые части выражаются через коэффициент многочлена.
2.6 Уравнения, сводимые к квадратным (биквадратные)
К квадратным уравнениям сводятся уравнения четвертой степени:
ax 4 + bx 2 + c = 0,
называемые биквадратными, причем, а ≠ 0.
Достаточно положить в этом уравнении х 2 = y, следовательно,
ay² + by + c = 0
найдём корни полученного квадратного уравнения
y 1,2 = 
Чтобы найти сразу корни х 1, x 2, x 3, x 4 , заменим y на x и получим
x² =
х 1,2,3,4 = 
.
Если уравнение четвёртой степени имеет х 1 , то имеет и корень х 2 = -х 1 ,
Если имеет х 3 , то х 4 = - х 3 . Сумма корней такого уравнения равна нулю.
2х 4 - 9x² + 4 = 0
Подставим уравнение в формулу корней биквадратных уравнений:
х 1,2,3,4 = 
,
зная, что х 1 = -х 2 , а х 3 = -х 4 , то:
х 3,4 = 
Ответ: х 1,2 = ±2; х 1,2 =
2.7 Исследование биквадратных уравнений
Возьмем биквадратное уравнение
ax 4 + bx 2 + c = 0,
где a, b, c –действительные числа, причем а > 0. Введя вспомогательную неизвестную y = x², исследуем корни данного уравнения, и результаты занесем в таблицу (см. приложение №1)
2.8 Формула Кардано
Если воспользоваться современной символикой, то вывод формулы Кардано может иметь такой вид:
х = 
Эта формула определяет корни общего уравнения третей степени:
ax 3 + 3bx 2 + 3cx + d = 0.
Эта формула очень громоздкая и сложная (она содержит несколько сложныных радикалов). Она не всегда примениться, т.к. очень сложна для заполнения.
F ¢(xо) = 0, >0 (<0), то точка xоявляется точкой локального минимума (максимума) функции f(x). Если же =0, то нужно либо пользоваться первым достаточным условием, либо привлекать высшие производные. На отрезке функция y = f(x) может достигать наименьшего или наибольшего значения либо в критических точках, либо на концах отрезка . Пример 3.22. Найти экстремумы функции f(x) ...
Список или выбрать из 2-3 текстов наиболее интересные места. Таким образом, мы рассмотрели общие положения по созданию и проведению элективных курсов, которые будут учтены при разработке элективного курса по алгебре для 9 класса «Квадратные уравнения и неравенства с параметром». Глава II. Методика проведения элективного курса «Квадратные уравнения и неравенства с параметром» 1.1. Общие...
Решения от численных методов расчёта. Для определения корней уравнения не требуется знания теорий групп Абеля, Галуа, Ли и пр. и применения специальной математической терминологии: колец, полей, идеалов, изоморфизмов и т.д. Для решения алгебраического уравнения n - ой степени нужно только умение решать квадратные уравнения и извлекать корни из комплексного числа. Корни могут быть определены с...
С единицами измерений физических величин в системе MathCAD? 11. Подробно охарактеризуйте текстовые, графические и математические блоки. Лекция №2. Задачи линейной алгебры и решение дифференциальных уравнений в среде MathCAD В задачах линейной алгебры практически всегда возникает необходимость выполнять различные операции с матрицами. Панель операторов с матрицами находится на панели Math. ...
I. Теорема Виета для приведенного квадратного уравнения.
Сумма корней приведенного квадратного уравнения x 2 +px+q=0 равна второму коэффициенту, взятому с противоположным знаком, а произведение корней равно свободному члену:
x 1 +x 2 =-p; x 1 ∙x 2 =q.
Найти корни приведенного квадратного уравнения, используя теорему Виета.
Пример 1) x 2 -x-30=0. Это приведенное квадратное уравнение ( x 2 +px+q=0) , второй коэффициент p=-1 , а свободный член q=-30. Сначала убедимся, что данное уравнение имеет корни, и что корни (если они есть) будут выражаться целыми числами. Для этого достаточно, чтобы дискриминант был полным квадратом целого числа.
Находим дискриминант D =b 2 — 4ac=(-1) 2 -4∙1∙(-30)=1+120=121=11 2 .
Теперь по теореме Виета сумма корней должна быть равна второму коэффициенту, взятому с противоположным знаком, т.е. (-p ), а произведение равно свободному члену, т.е. (q ). Тогда:
x 1 +x 2 =1; x 1 ∙x 2 =-30. Нам надо подобрать такие два числа, чтобы их произведение было равно -30 , а сумма – единице . Это числа -5 и 6 . Ответ: -5; 6.
Пример 2) x 2 +6x+8=0. Имеем приведенное квадратное уравнение со вторым коэффициентом р=6 и свободным членом q=8 . Убедимся, что есть целочисленные корни. Найдем дискриминант D 1 D 1 =3 2 -1∙8=9-8=1=1 2 . Дискриминант D 1 является полным квадратом числа 1 , значит, корни данного уравнения являются целыми числами. Подберем корни по теореме Виета: сумма корней равна –р=-6 , а произведение корней равно q=8 . Это числа -4 и -2 .
На самом деле: -4-2=-6=-р; -4∙(-2)=8=q. Ответ: -4; -2.
Пример 3) x 2 +2x-4=0 . В этом приведенном квадратном уравнении второй коэффициент р=2 , а свободный член q=-4 . Найдем дискриминант D 1 , так как второй коэффициент – четное число. D 1 =1 2 -1∙(-4)=1+4=5. Дискриминант не является полным квадратом числа, поэтому, делаем вывод : корни данного уравнения не являются целыми числами и найти их по теореме Виета нельзя. Значит, решим данное уравнение, как обычно, по формулам (в данном случае по формулам ). Получаем:
Пример 4). Составьте квадратное уравнение по его корням, если x 1 =-7, x 2 =4.
Решение. Искомое уравнение запишется в виде: x 2 +px+q=0 , причем, на основании теоремы Виета –p=x 1 +x 2 =-7+4=-3 → p=3; q=x 1 ∙x 2 =-7∙4=-28 . Тогда уравнение примет вид: x 2 +3x-28=0.
Пример 5). Составьте квадратное уравнение по его корням, если:
II. Теорема Виета для полного квадратного уравнения ax 2 +bx+c=0.
Сумма корней равна минус b , деленному на а , произведение корней равно с , деленному на а:
x 1 +x 2 =-b/a; x 1 ∙x 2 =c/a.
Загрузка...