Matematika/Ketvirto laipsnio lygtis: Skirtumas tarp puslapio versijų

Iš testwiki.
Pereiti į navigaciją Jump to search
imported>Paraboloid
 
(Jokio skirtumo)

Dabartinė 13:58, 5 kovo 2024 versija

Ketvirto laipsnio lygtis

y4+ay3+by2+cy+d=0
redukuojama keitiniu y=xa4 ir gaunama lygtis:
x4+px2+qx+r=0.


Surasime kam lygūs koeficientai p, q ir r.
Iš Niutono Binomo formulės žinome, kad
(ab)2=a22ab+b2,
(ab)3=a33a2b+3ab2b3,
(ab)4=a44a3b+6a2b24ab3+b4.
Į lygtį y4+ay3+by2+cy+d=0 vietoje y įstatome keitinį xa4 ir gauname:
(xa4)4+a(xa4)3+b(xa4)2+c(xa4)+d=0.
Surandame kam lygus (xa4)2, išskleidus:
(xa4)2=x22xa4+(a4)2=x2a2x+a216.
Surandame kam lygus (xa4)3, išskleidus:
(xa4)3=x33x2a4+3x(a4)2(a4)3=x33x2a4+3xa216a364=
=x33a4x2+3a216xa364.
Surandame kam lygus (xa4)4, išskleidus:
(xa4)4=x44x3a4+6x2(a4)24x(a4)3+(a4)4=x44x3a4+6x2a2164xa364+a4256=
=x4ax3+3a28x2a316x+a4256.


y4+ay3+by2+cy+d=0,
(xa4)4+a(xa4)3+b(xa4)2+c(xa4)+d=0,
x4ax3+3a28x2a316x+a4256+a(x33a4x2+3a216xa364)+b(x2a2x+a216)+c(xa4)+d=0,
x4ax3+3a28x2a316x+a4256+ax33a24x2+3a316xa464+bx2ab2x+a2b16+cxac4+d=0,
x4ax3+ax3+3a28x23a24x2+bx2a316x+3a316xab2x+cx+a4256a464+a2b16ac4+d=0,
x43a28x2+bx2+2a316xab2x+cx3a4256+a2b16ac4+d=0,
x4+(3a28+b)x2+(2a316ab2+c)x3a4256+a2b16ac4+d=0,
x4+px2+qx+r=0.
Iš čia turime, kad
p=3a28+b,
q=2a316ab2+c,
r=3a4256+a2b16ac4+d.


Ketvirto laipsnio lygties sprendimas pirmu budu

Imame redukuotą lygtį

f(x)=x4+2px2+qx+r=0.
Įvedame, pagalbinį nežinomąjį z, kurio reikšmę vėliau surasime ir užrašome taip:
f(x)=(x2+p+z)2+qx+rz22x2z2pzp2=(x2+p+z)2[2zx2qx+(z2+2pzr+p2)],
Čia (x2+p+z)2=x4+x2p+x2z+px2+p2+pz+zx2+zp+z2=x4+2px2+2zx2+p2+z2+2pz.
Kad polinmas 2zx2qx+(z2+2pzr+p2), esantis laužtiniuose skliaustuose, būtų pilnas kvadratas, reikia, kad jo abi šaknys (sprendiniai) sutaptų, t. y. kad jo diskriminantas
d2=q242z(z2+2pzr+p2)
būtų lygus 0. Tada galėsime pasinaudoti formule a2b2=(ab)(a+b), nes polinomas 2zx2qx+(z2+2pzr+p2) turės vienodas šaknis (ax2+bx+c=a(xx1)(xx2), o x1=x2, todėl ax2+bx+c=a(xx0)2) ir bus 2zx2qx+(z2+2pzr+p2)=b2, o kitas polinomas bus (x2+p+z)2=a2.
Taigi,
f(x)=(x2+p+z)2[2zx2qx+(z2+2pzr+p2)]=0.
[2zx2qx+(z2+2pzr+p2)]=0;
d2=q242z(z2+2pzr+p2)=0,
d2=q28z(z2+2pzr+p2)=q28z316pz2+8zr8zp2=0,
d2=8z3+16pz2+8(p2r)zq2=0.
Lygtis 8z3+16pz2+8(p2r)zq2=0 yra vadinama ketvirto laipsnio lygties rezolvente (išsprendėja). Vieną iš jos trijų šaknų (realiają) gausime z0. Tada įstate z0 į diskrimanto d2=8z3+16pz2+8(p2r)zq2=0 lygtį vietoje z, galėsime apskaičiuoti d2. O tada ir surasti lygties [2zx2qx+(z2+2pzr+p2)]=0 sprendinius x1=x2 (abu sprendiniai vienodi).
Taigi, turime:
8z3+16pz2+8(p2r)zq2=0,
z3+2pz2+(p2r)zq28=0,
pakeičiame z=w2p3.
Lygčiai z3+2pz2+(p2r)zq28=0, pakeitimas yra z=w2p3, kad gauti w3+mw+n=0.
Lygties
w3+mw+n=0
viena šaknis yra:
w0=n2+n24+m3273+n2n24+m3273.
Tada
z0=n2+n24+m3273+n2n24+m32732p3.
Dabar galime surasti lygties [2z0x2qx+(z02+2pz0r+p2)] sprendinį:
x1=x2=(q)±d222z0=q±022z0=q4z0.
Toliau, žinodami, kad ax2+bx+c=a(xx1)(xx2), gauname:
[2z0x2qx+(z02+2pz0r+p2)]=2z0(xq4z0)(xq4z0)=2z0(xq4z0)2=[2z0(xq4z0)]2.
Įstatę į lygtį gauname:
f(x)=(x2+p+z0)2[2z0x2qx+(z02+2pz0r+p2)]=(x2+p+z0)2[2z0(xq4z0)]2;
(x2+p+z0)2[2z0(xq4z0)]2=0,
(x2+p+z02z0(xq4z0))(x2+p+z0+2z0(xq4z0))=0,
(x2+p+z02z0x+2z0q4z0)(x2+p+z0+2z0x2z0q4z0)=0,
(x2+p+z02z0x+2z0q16z02)(x2+p+z0+2z0x2z0q16z02)=0,
(x2+p+z02z0x+q8z0)(x2+p+z0+2z0xq8z0)=0,
(x2+p+z02z0x+q22z0)(x2+p+z0+2z0xq22z0)=0.
Iš čia nesunku matyti, kad arba x22z0x+(p+z0+q22z0)=0 arba x2+2z0x+(p+z0q22z0)=0. Išsprendę šias lygtis ir gausime visas keturias lygties f(x)=x4+2px2+qx+r=0 šaknis.
Taigi,
x1,2=12[(2z0)±2z04(p+z0+q22z0)]=z02±z02(p+z0+q22z0);
x3,4=12[2z0±2z04(p+z0q22z0)]=z02±z02pz0+q22z0.

Pagalbinės kubinės lygties sutvarkymas

Pagalbinę kubinę lygtį (ketvirto laipsnio lygties rezolventę)

8z3+16pz2+8(p2r)zq2=0,
z3+2pz2+(p2r)zq28=0
sutvarkysime padarę keitinį
z=w2p3.
z3+2pz2+(p2r)zq28=0
(w2p3)3+2p(w2p3)2+(p2r)(w2p3)q28=0,
(w33w22p3+3w(2p3)2(2p3)3)+2p(w22w2p3+(2p3)2)+(p2r)(w2p3)q28=0,
(w3w22p+3w4p298p327)+2p(w24wp3+4p29)+(p2r)w(p2r)2p3q28=0,
w3w22p+4wp238p327+2pw28wp23+8p39+wp2wr2p33+2pr3q28=0,
w3+4wp238wp23+wp2wr8p327+8p392p33+2pr3q28=0,
w34wp23+w(p2r)+8p3+38p392p327+2pr3q28=0,
w3+4wp2+3w(p2r)3+8p3+24p318p327+2pr3q28=0,
w3+4wp2+3wp23wr3+2p327+2pr3q28=0,
w3+wp23wr32p327+2pr3q28=0,
w3p2+3r3w2p327+2pr3q28=0.
Gavome redukuotą kubinę lygtį
w3+mw+n=0,
kur
m=p2+3r3,
n=2p327+2pr3q28.

Ketvirto laipsnio lygties sprendimas antru budu

Imame redukuota lygtį:

f(x)=x4+2px2+qx+r=0.
Į lygtį x4+2px2+qx+r=0 vietoje x įvedame tris nežinomuosius, kuriuos vėliau susiesime dviem lygtim. Imame
2x=u+v+w.
Išskaičiuojame:
(2x)2=4x2=(u+v+w)(u+v+w)=u2+uv+uw+vu+v2+vw+wu+wv+w2=u2+v2+w2+2(uv+uw+vw);
(2x)4=(4x2)2=16x4=(u2+v2+w2+2(uv+uw+vw))2=
=u4+u2v2+u2w2+2u2(uv+uw+vw)+v2u2+v4+v2w2+2v2(uv+uw+vw)+w2u2+w2v2+w4+2w2(uv+uw+vw)+2(uv+uw+vw)(u2+v2+w2)+4(uv+uw+vw)2=
=u4+v4+w4+2(u2v2+u2w2+v2w2)+2(u2+v2+w2)(uv+uw+vw)+2(uv+uw+vw)(u2+v2+w2)+4(u2v2+u2vw+uv2w+u2wv+u2w2+uvw2+uv2w+uvw2+v2w2)=
=(u2+v2+w2)2+4(u2+v2+w2)(uv+uw+vw)+4(u2v2+u2w2+v2w2+2(u2vw+uv2w+uvw2))=
=(u2+v2+w2)2+4(u2+v2+w2)(uv+uw+vw)+4(u2v2+u2w2+v2w2)+8uvw(u+v+w).
Įstatę šias reikšmes į lygtį x4+2px2+qx+r=0, padaugintą iš 16, gauname:
16x4+32px2+16qx+16r=0,
[(u2+v2+w2)2+4(u2+v2+w2)(uv+uw+vw)+4(u2v2+u2w2+v2w2)+8uvw(u+v+w)]+8p[u2+v2+w2+2(uv+uw+vw)]+8q[u+v+w]+16r=0,
(u2+v2+w2)2+4(u2+v2+w2)(uv+uw+vw)+4(u2v2+u2w2+v2w2)+8uvw(u+v+w)+8p(u2+v2+w2)+16p(uv+uw+vw)+8q(u+v+w)+16r=0,
(u2+v2+w2)2+4(u2+v2+w2+4p)(uv+uw+vw)+4(u2v2+u2w2+v2w2)+8(uvw+q)(u+v+w)+8p(u2+v2+w2)+16r=0.
Dabar reikalaujame, kad
u2+v2+w2+4p=0,
uvw+q=0.
Įvedę šias sąlygas turėsime lygtį:
(u2+v2+w2)2+4(u2v2+u2w2+v2w2)+8p(u2+v2+w2)+16r=0,
(4p)2+4(u2v2+u2w2+v2w2)+8p(4p)+16r=0,
16p2+4(u2v2+u2w2+v2w2)32p2+16r=0,
4(u2v2+u2w2+v2w2)16p2+16r=0,
4(u2v2+u2w2+v2w2)=16p216r,
u2v2+u2w2+v2w2=4(p2r).
Pagaliau, vietoje lygties x4+2px2+qx+r=0 gauname trijų lygčių su trimis nežinomaisiais sistemą
u2+v2+w2=4p,
u2v2+u2w2+v2w2=4(p2r),
uvw=q.
Šią sistemą spręsime panašiai, kaip sprendžiama trečio laipsnio lygčių sistema. Pakėlę lygtį uvw=q kvadratu, gauname
u2v2w2=q2.
Pagal Vijeto teoremą, iš sistemos lygčių nesunku pastebėti, kad u2, v2, w2 turi būti trečio laipsnio lygties
y3+4py2+4(p2r)yq2=0
šaknys. Ši lygtis taip pat vadinama ketvirto laipsnio lygties x4+2px2+qx+r=0 rezolvente. Suradę visas tris jos šaknis y1, y2, y3, tuo pačiu rasime u2, v2 ir w2. Kadangi visos trys lygtys u2+v2+w2=4p, u2v2+u2w2+v2w2=4(p2r) ir uvw=q yra simetrinės u, v ir w atžvilgiu, tai kurią lygčių y3+4py2+4(p2r)yq2=0 šaknį pažymėsime u2, kurią v2 ar w2 nesudaro jokios reikšmės nei mūsų sistemos, nei lygties x4+2px2+qx+r=0 sprendiniui. Toliau jau nesunku rasti u, v ir w, nes reikia tik ištraukti kvadratines šaknis iš y1, y2 ir y3, atseit,
u=y1,v=y2,w=y3.
Pagaliau įstatę u, v ir w reikšmes į lygybę 2x=u+v+w, rasime lygties x4+2px2+qx+r=0 šaknis. Paėmę kurią nors y1 reikšmę ir pažymėję ją u0, o y2, y3 reikšmes pažymėje atitinkamai v0 ir w0 taip, kad u0v0w0=q, gausime arba
x1=12(u0+v0+w0),
x2=12(u0v0w0),
x3=12(u0+v0w0),
x4=12(u0v0+w0),
arba, pavyzdžiui,
x1=12(u0+v0w0),
x2=12(u0v0+w0),
x3=12(u0+v0+w0),
x4=12(u0v0w0).
Abi šios sistemos yra lygiavertės (tapatingos), nes jos gaunamos viena iš kitos, pakeitus visų u, v ir w ženklus priešingais. Tai nepakeičia jų reikšmių, bet tik pačius u, v ir w pažymėjimus.

Pavyzdžiai

  • Rasime lygties x4+x2+x1=0 realiąją šaknį.
Turime, kad 2p=1, p=12, q=1, r=1.
Turime
2x=u+v+w
ir lygčių sistemą
{u2+v2+w2=4p,u2v2+u2w2+v2w2=4(p2r),uvw=q;
pakeliame trečią eilutę kvadratu, kad atitiktų Vijeto teoremą:
{u2+v2+w2=4p,u2v2+u2w2+v2w2=4(p2r),u2v2w2=q2.
Tada įstatę į lygčių sistemą p, q ir r reikšmes, gauname:
u2+v2+w2=412=2;
u2v2+u2w2+v2w2=4((12)2(1))=4(14+1)=1+4=5;
u2v2w2=(1)2=1.
Sudarome kubinę pagalbinę lygtį, pritaikę Vijeto teoremą:
y3(u2+v2+w2)y2+(u2v2+u2w2+v2w2)yu2v2w2=0,
y3(2)y2+5y1=0,
y3+2y2+5y1=0.
Iš kubinės lygties kalkuliatoriaus https://www.calculatorsoup.com/calculators/algebra/cubicequation.php internete, randame, kad
y1=0.1850373752486395;
y2=1.0925186876243198+2.0520030453017895i;
y3=1.09251868762431982.0520030453017895i.
Tada:
2x=u+v+w=y1+y2+y3.
Kad ištrauktume šaknį iš kompleksinio skaičiaus pasinaudosime formulėmis:
a1+a2i=±(a1+a12+a222+ia1+a12+a222),kaia2>0.
a1+a2i=±(a1+a12+a222ia1+a12+a222),kaia2<0.
Taigi, gauname:
u=y1=0.185037375=0.430159708;
v=y2=1.092518688+2.052003045i=

=±(1.092518688+(1.092518688)2+2.05200304522+i(1.092518688)+(1.092518688)2+2.05200304522)= =±(1.092518688+1.193597084+4.2107164972+i1.092518688+1.193597084+4.2107164972)= =±(1.092518688+2.3247179572+i1.092518688+2.3247179572)=

=±(0.616099634+i1.708618323)=±(0.784920145+1.307141279i);
w=y3=1.0925186882.052003045i=±(0.7849201451.307141279i).
Toliau gauname lygties x4+x2+x1=0 sprendinius:
x0=12(±0.430159708±(0.784920145+1.307141279i)±(0.7849201451.307141279i));
x1=12(u0+v0+w0)=12(0.430159708+(0.784920145+1.307141279i)+(0.7849201451.307141279i))=
=12(0.430159708+20.784920145)=1.9999999982=1;
x2=12(u0v0w0)=12(0.430159708(0.784920145+1.307141279i)(0.7849201451.307141279i))=
=12(0.43015970820.784920145)=0.569840291;
x3=12(u0+v0w0)=12(0.430159708+(0.784920145+1.307141279i)(0.7849201451.307141279i))=
=12(0.430159708+1.307141279i+1.307141279i)=0.215079854+1.307141279i;
x4=12(u0v0+w0)=12(0.430159708(0.784920145+1.307141279i)+(0.7849201451.307141279i))=
=12(0.4301597081.307141279i1.307141279i)=0.2150798541.307141279i;
x5=12(u0+v0w0)=12(0.430159708+(0.784920145+1.307141279i)(0.7849201451.307141279i))=
=12(0.430159708+21.307141279i)=0.215079854+1.307141279i;
x6=12(u0v0+w0)=12(0.430159708(0.784920145+1.307141279i)+(0.7849201451.307141279i))=
=12(0.430159708+2(1.307141279i))=0.2150798541.307141279i;
x7=12(u0+v0+w0)=12(0.430159708+(0.784920145+1.307141279i)+(0.7849201451.307141279i))=
=12(0.430159708+20.784920145)=0.215079854+0.784920145=0.569840291;
x8=12(u0v0w0)=12(0.430159708(0.784920145+1.307141279i)(0.7849201451.307141279i))=
=12(0.43015970820.784920145)=0.2150798540.784920145=1.
Pusė iš šių sprendinių neteisingi. Iš realiųjų sprendinių neteisingi sprendiniai yra x1 ir x2. Pirmi keturi sprendiniai turėtų būti neteisingi, nes netenkina sąlygos u0v0w0=q. Kitaip tariant, pirmi keturi sprendiniai yra likusieji sprendiniai su ženklu "minus". T. y. x1=x8,x2=x7,x3=x6,x4=x5.
Visada arba pirmi keturi sprendiniai teisingi, arba paskutiniai keturi sprendiniai teisingi. Nes pirmies keturiems sprendiniams:
u0v0w0=u0v0w0,u0(v0)(w0)=u0v0w0,(u0)v0(w0)=u0v0w0,(u0)(v0)w0=u0v0w0;
o keturiems paskutiniams sprendiniams:
u0v0(w0)=u0v0w0,u0(v0)w0=u0v0w0,(u0)v0w0=u0v0w0,(u0)(v0)(w0)=u0v0w0.