Некоторые алгебраические понятия - определения и работа с ними

Теорема Виета. Исследование корней квадратного уравнения по его дискриминанту и коэффициентам.

Когда говорят о квадратном уравнении, при его решении первое, что обычно приходит в голову - это нахождение корней по основной формуле корней квадратного уравнения или несколько других методов. Однако, решать некоторые квадратные уравнения можно гораздо быстрее и проще (даже устно) - через теорему Виета, а также значение корней можно быстро грубо оценить по коэффициентам и дискриминанту, через график квадратичной функции и т.д. На этой странице и обсуждаются способы устного решения, прикидки и оценки корней квадратного уравнения.

Теорема Виета

Теорема Виета формулируется так: если приведённое квадратное уравнение x²+px+q = 0 (ax², где a=1) имеет корни x1 и x2, то x1+x2 = -p и x1x2 = q, т.е. сумма корней равна числу обратному среднему (второму) коэффициенту, а их произведение равно свободному члену.

Доказательство (опирается на основную формулу квадратного уравнения).
x 2 + p x + q = 0 D = p 2 - 4 q x 1 = - p + D 2 x 2 = - p - D 2 x 1 + x 2 = - p + D - p - D 2 = - p x 1 x 2 = - p + D - p - D 2 × 2 = p - D p + D 4 = p 2 - D 4 = p 2 - p 2 + 4 q 4 = q Теперь докажем обратное. x 2 + - x 1 - x 2 × x + x 1 × x 2 = x 2 - x × x 1 - x × x 2 + x 1 × x 2 = x × x - x 1 - x 2 × x - x 1 = x - x 1 × x - x 2 x = x 1 x = x 2

Также из доказательства выше можно сделать интересный вывод о представлении квадратного уравнения и о его разложении на множители. Во-первых, зная корни уравнения, его можно легко разложить на множители (как показано выше). Во-вторых, квадратное уравнение можно кроме как в стандартной форме представить в факторизованной форме. В-третьих, это даёт представление о более общем свойстве свободного члена (см. теорема Безу и её следствия).

Посмотрев на квадратное уравнение в стандартной форме, можно быстро устно посчитать корни по теореме Виета (если оно не является приведённым, то можно разделить каждый член на старший коэффициент a - для небольших чисел это тоже можно проделать в уме). Подобрать устно числа, удовлетворяющие этим уравнениям, поможет прямая теорема. С её помощью можно определить знаки корней, не зная сами корни.

Чтобы определить знаки корней, можно делать так:
  1. если свободный член отрицателен, то корни имеют различный знак, и наибольший по модулю из корней — знак, противоположный знаку второго коэффициента уравнения;
  2. если свободный член положителен, то оба корня обладают одинаковым знаком, и это — знак, противоположный знаку второго коэффициента.

Исследование корней по коэффициентам и дискриминанту

Квадратичная функция и её свойства
Зависимость квадратичной функции от дискриминанта

На предыдущих страницах была представлена квадратичная функция и её свойства, а также основная формула корней квадратного уравнения. На обеих страницах, однако, упоминается дискриминант квадратного трёхчлена (D=p²-4aq). Следует наконец разобраться в том, что такое дискриминант. Дискриминантом многочлена p(x) называется функция, задаваемая его коэффициентами и дающая информацию о природе его корней. Если точнее, то дискриминант - это произведение квадратов разностей корней многочлена, умноженное на старший коэффициент в степени на 2 меньше удвоенной степени многочлена. D ( p ) = a n 2 n - 2 i < j α i - α j 2

D ( p ) = a n 2 n - 2 i < j α i - α j 2 , где α 1 α n - все корни многочлена; и a n - старший коэффициент.

Дискриминант обычно обозначают D. Также дискриминант можно обозначать буквой греческого алфавита дельта Δ.

Он связан с такими понятиями как результант. Имеет много применений и важных свойств. Причём, дискриминант - это многочлен со всегда целыми коэффициентами (независимо от того, какие берутся корни), симметричный относительно корней изначального многочлена. Очевидно, дискриминант равен 0 тогда и только тогда, когда уравнение имеет кратные корни. Однако, дискриминант приобрёл наибольшую известность именно в связи с квадратными уравнениями, так как он очень полезен при нахождении корней этих самых уравнений, и формула, по которой он вычисляется для многочлена с такой низкой степенью (лишь второй), является достаточно несложной.

Поэтому наиболее часто слово дискриминант используется со значением дискриминант квадратного трёхчлена. Итак, в дальнейшем, под дискриминантом здесь будет подразумеваться именно это (особенно, учитывая тему этой страницы).

Следует начать, как водится, с того, что у квадратного уравнения гарантированно есть 2 корня на поле комплексных чисел (это, конечно, следует из основной теоремы алгебры). Так как корня у рассматриваемого уравнения два, то для нас дискриминант - квадрат разности корней или разница между ними. Иначе говоря, по дискриминанту в данном случае можно судить о разнице между корнями и о расстоянии от вершины параболы до нулей квадратичной функции - корней уравнения. Также дискриминант - квадрат. Из этих рассуждений можно сделать вывод о том, что по дискриминанту возможно понять, какие корни у уравнения (картинка выше).

Выводы (в зависимости от значения дискриминанта есть 3 случая):
  • При D>0 у уравнения есть два действительных корня (разница между ними больше нуля). Зная разницу, сразу имеем представление о графике.
  • При D=0 у уравнения есть два совпадающих корня - иногда также называют корнем кратности или двукратным в данном конкретном случае (разность равна нулю, следовательно значения корней равные).
  • При D<0 (помня, что это квадрат, а корни по формуле вычисляются с дискриминантом под арифметическим квадратным корнем) у уравнения нет корней на множестве действительных чисел. У таких уравнений есть корни в расширении множества действительных чисел - на поле комплексных чисел.

Хотелось бы рассмотреть третий случай подробнее. При дискриминанте меньше 0 корней на множестве нет. Это очевидно при первом взгляде на основную формулу корней или определение дискриминанта, так, имеет место быть квадратный корень из отрицательного числа. Именно для таких случаев множество вещественных (действительных) чисел ℝ можно расширить до комплексных чисел .

Комплексное число (ударение на второй слог) - это число вида z=a+bi, где a,b ∈ ℝ и i ∈ ⅈ (представьте здесь большое I, так как это обозначение используется нечасто, и я не смог найти такого символа, i - это такая величина, для которой верно равенство i²=-1); a = ℜ(z) является вещественной частью z, и y = ℑ(z) является мнимой частью z. Если мнимая часть равна 0, то число является действительным (это частный случай комплексных чисел). Если же вещественная часть равна 0, то число является мнимым, а точнее чисто мнимым. Основной идеей здесь являются мнимые единицы. Как уже было сказано ранее, мнимая единица - это комплексное число, квадрат которого равен -1. Обычно обозначается i. Именно мнимые единицы позволяют расширить поле вещественных чисел до комплексных. Причиной расширения, если говорить об общем случае, является как раз то, что не все многочлены с вещественными коэффициентами имеют корни в поле вещественных чисел. Однако, на поле комплексных чисел уже все многочлены имеют хотя бы одно решение (основная теорема алгебры).

Итак, корень квадратного уравнения в рассматриваемом случае не может быть полностью вещественен. Формулу корней квадратного уравнения тогда можно записать так: x = - b ± D 2 a .

Кроме дискриминанта многое об уравнении и корнях можно сказать и просто, посмотрев на коэффициенты. Если квадратный трёхчлен не имеет действительных корней, то он не раскладывается на линейные множители с вещественными коэффициентами.

Fork me on GitHub