Matematika/Kubinė lygtis

Iš testwiki.
Pereiti į navigaciją Jump to search

Kubinės lygties sprendimas Kordano metodu

Duota kubinė lygtis:

y3+ay2+by+c=0.
Pakeičiame y=xa3, gauname:
(xa3)3+a(xa3)2+b(xa3)+c=0,
(x33x2a3+3x(a3)2(a3)3)+a(x22xa3+(a3)2)+b(xa3)+c=0,
(x3ax2+3xa29a327)+a(x22ax3+a29)+bxab3+c=0,
(x3ax2+a2x3a327)+ax22a2x3+a39+bxab3+c=0,
x3a327a2x3+a39+bxab3+c=0,
x3a2x3+bx+a39a327ab3+c=0,
x3+(ba23)x+3a327a327ab3+c=0,
x3+(ba23)x+2a327ab3+c=0.
Pažymime p=ba23,q=2a327ab3+c ir pakeitę gauname:
x3+px+q=0.
Toliau, tariame, kad lygties x3+px+q=0 sprendinys x0 yra koeficientas kvadratinės lygties, o kubinės lygties koeficientas p yra tos pačios pagalbinės kvadratinės lygties laisvasis narys (konstanta) padalintas iš 3. Ir tokiu budu sudarome naują pagalbinę kvadratinę funkciją ir lygtį:
f(u)=u2x0up3;
u2x0up3=0.
Šios kvadatinės lygties šaknys (sprendiniai) yra u1 ir u2. Iš Vijeto teoremos žinome, kad u1+u2=(x0)=x0 ir u1u2=p3;3u1u2=p.
Į kubinę lygtį x3+px+q=0 įstatome koeficientą p išreikštą per u1 ir u2 ir įstatome kubinės lygties sprendinį x0 išreikštą per u1 ir u2. Tokiu budu mes rasime kam lygus q. Taigi:
x03+px0+q=0,
(u1+u2)33u1u2(u1+u2)+q=0,
u13+3u12u2+3u1u22+u233u1u2(u1+u2)+q=0,
u13+3u12u2+3u1u22+u233u12u23u1u22+q=0,
u13+u23+q=0,
u13+u23=q.
Vadinasi, u13=z1 ir u23=z2 yra sprendiniai kitos kvadratinės lygties z2+qzp327=0, nes z1z2=u13u23=(p3)3=p327 (ir taip pat iš Vijeto teoremos z1+z2=u13+u23=q).
Išsprendžiame šią (antrą) kvadratinę lygtį:
z2+qzp327=0,
(z+q2)2q24p327=0,
(z+q2)2=q24+p327,
z+q2=±q24+p327,
z=q2±q24+p327.
Vadinasi lygties z2+qzp327=0 šaknys yra:
z1=q2+q24+p327;
z2=q2q24+p327;
Na, o [pirmos] kvadratinės lygties u2x0up3=0 šaknys yra šios (nes z1z2=p327, o u13u23=(p3)3 arba u1u2=p3):
u1=z13=q2+q24+p3273;
u2=z23=q2q24+p3273.
Prisimindami, kad lygties x3+px+q=0 šaknis yra x0=u1+u2, gauname:
x0=x1=u1+u2=q2+q24+p3273+q2q24+p3273.
Kitos dvi kompleksinės šaknys, tenkina lygybę (u1ϵ)(u2ϵ2)=p3 arba (u1ϵ2)(u2ϵ)=p3. Čia ϵ=12+i32;ϵ2=12i32;ϵ3=1,
nes
ϵ2=(12+i32)(12+i32)=14i34i34+ii34=14i23434=24i32=12i32.
ϵ3=ϵ2ϵ=(12i32)(12+i32)=14i34+i34ii34=14(1)34=14+34=1.
Vadinasi, kitos dvi lygties x3+px+q=0 šaknys yra:
x2=u1ϵ+u2ϵ2=u1(12+i32)+u2(12i32)=u1+u22+i3u1u22;
x3=u1ϵ2+u2ϵ=u1(12i32)+u2(12+i32)=u1+u22i3u1u22.
Jei sprendžiant lygtį u2x0up3=0 (beieškant kubinės lygties sprendinių), u1=u2, tai turime, kad x2=x3=12(u1+u2)=12q2+q24+p327312q2q24+p3273=12(q23+q23)=q23=q23.
Nes tada q24+p327=0.
Iš sąlygos
Δ3=q24+p327=0(20)
išeina, kad
(q2)2=(p3)3.(21)
Jei p0, tai
q23=q2(q2)23=q2(p3)33=q2p3=3q2p.(22)
Vadinasi, bent viena šaknies reikšmė racionaliai išsireiškia koeficientais p ir q. Parinkę u1=u2=3q2p, turime
u1u2=3q2p3q2p=9q24p2=9p2(q2)2=9p2p327=p3.
Iš to turime, kad kai u1=u2, tai
x1=u1+u2=q23+q23=2q23=23q2p=3qp;(22.1)
x2=x3=12(u1+u2)=12(q23+q23)=(q23)=3q2p.(22.2)


Pavyzdžiai

  • Raskime lygties x33x+2=0 sprendinius. Iš formulių turime:
x1=u1+u2=q2+q24+p3273+q2q24+p3273=22+224+(3)3273+22224+(3)3273=
=1+4427273+14427273=1+03+103=13+13=11=2;
x2=u1ϵ+u2ϵ2=u1(12+i32)+u2(12i32)=
=(12+i32)q2+q24+p3273+(12i32)q2q24+p3273=
=(12+i32)22+224+(3)3273+(12i32)22224+(3)3273=(12+i32)13+(12i32)13=
=(12+i32)(12i32)=12i32+12+i32=12+12=1.
x3=u1ϵ2+u2ϵ=u1(12i32)+u2(12+i32)=
=(12i32)q2+q24+p3273+(12+i32)q2q24+p3273=
=(12i32)22+224+(3)3273+(12+i32)22224+(3)3273=(12i32)13+(12+i32)13=
=(12i32)(12+i32)=12+i32+12i32=12+12=1.
Įstatę į lygtį x33x+2=0 sprendinį x1=2, gauname:
(2)33(2)+2=8+6+2=0.
Įstatę į lygtį x33x+2=0 sprendinį x2=1 arba x3=1, gauname:
1331+2=13+2=0.
Greičiau visus sprendinius randame iš formulių (22.1) ir (22.2):
x1=3qp=323=2;
x2=x3=3q2p=322(3)=1.

Kitoks kubinės lygties sprendimo būdas

Duota pilna kubinė lygtis:

ax3+bx2+cx+d=0.
Eliminuojame bx2, padarę keitinį x=yb3a. Tai pakeičia lygtį į tokią:
a(yb3a)3+b(yb3a)2+c(yb3a)+d=0,
a(y33y2b3a+3y(b3a)2(b3a)3)+b(y22yb3a+(b3a)2)+c(yb3a)+d=0,
(y3y2ba+yb2a2b327a3)+ba(y2y2b3a+b29a2)+ca(yb3a)+da=0,
(y3y2ba+yb2a2b327a3)+(y2bay2b23a2+b39a3)+(ycabc3a2)+da=0,
y3+y2(ba+ba)+y(b2a22b23a2+ca)b327a3+b39a3bc3a2+da=0,
y3+(cab23a2)y+(da+2b327a3bc3a2)=0.
Pažymime:
V=cab23a2;
P=da+2b327a3bc3a2.
Turime kubinę lygtį:
y3+Vy+P=0.
Parenkame, kad V=3st, y=st. Tuomet turime:
y3+3sty+P=0,
(st)3+3st(st)+P=0,
s33s2t+3st2t3+3st(st)+P=0,
s33s2t+3st2t3+3s2t3st2+P=0,
s3t3+P=0,
P=t3s3.
Iš lygybės V=3st, turime t=V3s. Įstatę, gauname:
P=(V3s)3s3,
V327s3s3=P,
V327s6=27s3P,
V327s627s3P=0,
27s6+27s3PV3=0.
Sprendžiame kaip kvadratinę lygtį, radę diskriminantą:
D=(27P)2427(V3)=729P2+108V3;
s3=27P227±272P2+427V3227,
s3=P2±P2+4V3272,
s3=P2±P24+V327.
s=P2±P24+V3273.
Prisimename, kad:
P=t3s3,
P=t3(P2±P24+V327),
P=t3+P2P24+V327,
t3=P+P2P24+V327,
t3=P2P24+V327,
t3=P2±P24+V327.
t=P2±P24+V3273.
Prisimename, kad y=st, todėl gauname:
y=st=P2±P24+V3273P2±P24+V3273=P2±P24+V3273+P2P24+V3273.
Tai y1=P2+P24+V3273+P2P24+V3273 ir tai y2=P2P24+V3273+P2+P24+V3273 yra tas pats, taigi y1=y2.
Randame lygties ax3+bx2+cx+d sprendinį:
x1=yb3a=P2+P24+V3273+P2P24+V3273b3a,
čia
V=cab23a2,
P=da+2b327a3bc3a2.

Kitoks kubinės lygties sprendimo būdas (2)

Duota pilna kubinė lygtis:

ax3+bx2+cx+d=0.
Eliminuojame bx2, padarę keitinį x=yb3a. Tai pakeičia lygtį į tokią:
a(yb3a)3+b(yb3a)2+c(yb3a)+d=0,
a(y33y2b3a+3y(b3a)2(b3a)3)+b(y22yb3a+(b3a)2)+c(yb3a)+d=0,
(y3y2ba+yb2a2b327a3)+ba(y2y2b3a+b29a2)+ca(yb3a)+da=0,
(y3y2ba+yb2a2b327a3)+(y2bay2b23a2+b39a3)+(ycabc3a2)+da=0,
y3+y2(ba+ba)+y(b2a22b23a2+ca)b327a3+b39a3bc3a2+da=0,
y3+(cab23a2)y+(da+2b327a3bc3a2)=0.
Pažymime:
V=cab23a2;
P=da+2b327a3bc3a2.
Turime kubinę lygtį:
y3+Vy+P=0.
Parenkame, kad V=3st, y=s+t. Tuomet turime:
y33sty+P=0,
(s+t)33st(s+t)+P=0,
s3+3s2t+3st2+t33st(s+t)+P=0,
s3+3s2t+3st2+t33s2t3st2+P=0,
s3+t3+P=0,
P=t3s3.
Iš lygybės V=3st, turime t=V3s. Įstatę, gauname:
P=(V3s)3s3,
V327s3s3=P,
V327s6=27s3P,
V327s627s3P=0,
27s6+27s3PV3=0.
Sprendžiame kaip kvadratinę lygtį, radę diskriminantą:
D=(27P)2427(V3)=729P2+108V3;
s3=27P227±272P2+427V3227,
s3=P2±P2+4V3272,
s3=P2±P24+V327.
s=P2±P24+V3273.
Prisimename, kad:
P=t3s3,
P=t3(P2±P24+V327),
P=t3+P2P24+V327,
t3=P+P2P24+V327,
t3=P2P24+V327.
t=P2P24+V3273.
Prisimename, kad y=s+t, todėl gauname:
y=s+t=P2±P24+V3273+P2P24+V3273.
Tai y1=P2+P24+V3273+P2P24+V3273 ir tai y2=P2P24+V3273+P2+P24+V3273 yra tas pats, taigi y1=y2.
Randame lygties ax3+bx2+cx+d sprendinį:
x1=yb3a=P2+P24+V3273+P2P24+V3273b3a,
čia
V=cab23a2,
P=da+2b327a3bc3a2.
Lygties sprendimo tikslas yra rasti išreikštą P per s ir t (ar V). Nes jau turime išreikštą V per s ir t (V=3st;y=s+t). Tuomet, gerai žinant Binomo formulę (Niutono Binomo formulę) kubiniam laipsniui, nesunku nuspėti, kad gausime išreikštą P, kai pakelsime (s+t) trečiuoju laipsniu ir atimsime 3st(s+t)=3s2t+3st2. Tuomet ir gausime P=s3t3. Va taip:
(s+t)33st(s+t)+P=0,
s3+3s2t+3st2+t33st(s+t)+P=0,
s3+t3+P=0.
Tada toliau gana nesunku rasti s ir t iš sistemos
{V+3st=0,s3+t3+P=0,
o tada ir y, žinant, kad y=s+t.

Kitoks kubinės lygties sprendimo būdas (3)

Nuorodos