Обратная теорема виета для кубического уравнения

Теорема Виета

Теорема Виета — это теорема, которая используется для решения квадратных уравнений.

В уравнении вида x²+px+q = 0:

• сумма корней равна его второму коэффициенту p, но знак меняется на противоположный (x1+x2 = −p);
• произведение корней равно его свободному члену q, знак не меняется (x1.x2 = q).

Пример 1

p- это второй коэффициент с противоположным знаком

q- это третий коэффициент

Надо подобрать корни x1 и x2 таким образом, чтобы их сумма равнялась −5, но и их произведение равнялось −6 (обычно это делается в уме).

Единственные числа, которые сюда подходят — это 1 и -6, значит x1 = 1 и x2 = -6.

Пример 2

Надо подобрать корни x1 и x2 таким образом, чтобы их сумма равнялась 4,5, но и произведение равнялось бы 2.

Единственные числа, которые сюда подходят — это 4 и 0,5, значит x1 = 4 и x2 = 0,5.

Обратная теорема Виета

Если числа x1 и x2 являются корнями квадратного уравнения вида x² + px + q = 0, то известно, что x1+x2 = −p и x1. x2 = q.

Известны x1 = 4 и x2 = 3, корни квадратного уравнения. Требуется составить это уравнение.

Искомое уравнение имеет вид x² + px + q = 0

x1+x2 = −p, x1.x2 = q

p = −(x1+x2) = −(4+3) = −7 (не забудьте про минус)

q = x1.x2 = 4 ⋅ 3 = 12

Уже есть все значения, можно составить искомое уравнение: x² − 7x + 12 = 0.

Теорема Виета для кубического уравнения

Имеется уравнение вида ax³ + bx² + cx + d = 0

В этом случае будут подбираться корни, удовлетворяющие эти условия:

Где x1, x2, x3 — корни уравнения.

Как превратить неприведённое квадратное уравнение в приведённое

Если уравнение выглядит так: ax² + bx + c = 0 (вместе с x² стоит число), то это уравнение является неприведённым, с ним ещё нельзя работать. Чтобы сделать его приведённым, нужно всего лишь разделить всё уравнение на это число a.

Например:

1. 2x² + 4x + 6 = 0 (неприведённое, делим всё на 2, т. к. вместе с x² стоит 2)
2. 2x²/2 + 4x/2 + 6/2 = 0
3. x² + 2x + 3 =0 (теперь оно стало приведённым, т. к. старший коэффициент с x² равен 1)

Если вам неизвестны коэффициенты, это деление можно показать так:

Теорема Виета для квадратных и других уравнений

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

Находим сумму корней:
.

Чтобы найти произведение, применим формулу:
.
Тогда

.

Доказательство второе

Если числа и являются корнями квадратного уравнения (1), то
.
Раскрываем скобки.

.
Таким образом, уравнение (1) примет вид:
.
Сравнивая с (1) находим:
;
.

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) :
;
.
Уравнение выполняется. То есть число является корнем уравнения (1).

Подставим в (4) :
;
.
Уравнение выполняется. То есть число является корнем уравнения (1).

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.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 05-10-2016

Теорема Виета, формулы Виета

В квадратных уравнениях существует целый ряд соотношений. Основными являются отношения между корнями и коэффициентами. Также в квадратных уравнениях работает ряд соотношений, которые задаются теоремой Виета.

В этой теме мы приведем саму теорему Виета и ее доказательство для квадратного уравнения, теорему, обратную теореме Виета, разберем ряд примеров решения задач. Особое внимание в материале мы уделим рассмотрению формул Виета, которые задают связь между действительными корнями алгебраического уравнения степени n и его коэффициентами.

Формулировка и доказательство теоремы Виета

Формула корней квадратного уравнения a · x 2 + b · x + c = 0 вида x 1 = — b + D 2 · a , x 2 = — b — D 2 · a , где D = b 2 − 4 · a · c , устанавливает соотношения x 1 + x 2 = — b a , x 1 · x 2 = c a . Это подтверждает и теорема Виета.

В квадратном уравнении a · x 2 + b · x + c = 0 , где x 1 и x 2 – корни, сумма корней будет равна соотношению коэффициентов b и a , которое было взято с противоположным знаком, а произведение корней будет равно отношению коэффициентов c и a , т. е. x 1 + x 2 = — b a , x 1 · x 2 = c a .

Предлагаем вам следующую схему проведения доказательства: возьмем формулу корней, составим суму и произведение корней квадратного уравнения и затем преобразуем полученные выражения для того, чтобы убедиться, что они равны — b a и c a соответственно.

Составим сумму корней x 1 + x 2 = — b + D 2 · a + — b — D 2 · a . Приведем дроби к общему знаменателю — b + D 2 · a + — b — D 2 · a = — b + D + — b — D 2 · a . Раскроем скобки в числителе полученной дроби и приведем подобные слагаемые: — b + D + — b — D 2 · a = — b + D — b — D 2 · a = — 2 · b 2 · a . Сократим дробь на: 2 — b a = — b a .

Так мы доказали первое соотношение теоремы Виета, которое относится к сумме корней квадратного уравнения.

Теперь давайте перейдем ко второму соотношению.

Для этого нам необходимо составить произведение корней квадратного уравнения: x 1 · x 2 = — b + D 2 · a · — b — D 2 · a .

Вспомним правило умножения дробей и запишем последнее произведение следующим образом: — b + D · — b — D 4 · a 2 .

Проведем в числителе дроби умножение скобки на скобку или же воспользуемся формулой разности квадратов для того, чтобы преобразовать это произведение быстрее: — b + D · — b — D 4 · a 2 = — b 2 — D 2 4 · a 2 .

Воспользуемся определением квадратного корня для того, чтобы осуществить следующий переход: — b 2 — D 2 4 · a 2 = b 2 — D 4 · a 2 . Формула D = b 2 − 4 · a · c отвечает дискриминанту квадратного уравнения, следовательно, в дробь вместо D можно подставить b 2 − 4 · a · c :

b 2 — D 4 · a 2 = b 2 — ( b 2 — 4 · a · c ) 4 · a 2

Раскроем скобки, приведем подобные слагаемые и получим: 4 · a · c 4 · a 2 . Если сократить ее на 4 · a , то остается c a . Так мы доказали второе соотношение теоремы Виета для произведения корней.

Запись доказательства теоремы Виета может иметь весьма лаконичный вид, если опустить пояснения:

x 1 + x 2 = — b + D 2 · a + — b — D 2 · a = — b + D + — b — D 2 · a = — 2 · b 2 · a = — b a , x 1 · x 2 = — b + D 2 · a · — b — D 2 · a = — b + D · — b — D 4 · a 2 = — b 2 — D 2 4 · a 2 = b 2 — D 4 · a 2 = = D = b 2 — 4 · a · c = b 2 — b 2 — 4 · a · c 4 · a 2 = 4 · a · c 4 · a 2 = c a .

При дискриминанте квадратного уравнения равном нулю уравнение будет иметь только один корень. Чтобы иметь возможность применить к такому уравнению теорему Виета, мы можем предположить, что уравнение при дискриминанте, равном нулю, имеет два одинаковых корня. Действительно, при D = 0 корень квадратного уравнения равен: — b 2 · a , тогда x 1 + x 2 = — b 2 · a + — b 2 · a = — b + ( — b ) 2 · a = — 2 · b 2 · a = — b a и x 1 · x 2 = — b 2 · a · — b 2 · a = — b · — b 4 · a 2 = b 2 4 · a 2 , а так как D = 0 , то есть, b 2 — 4 · a · c = 0 , откуда b 2 = 4 · a · c , то b 2 4 · a 2 = 4 · a · c 4 · a 2 = c a .

Чаще всего на практике теорема Виета применяется по отношению к приведенному квадратному уравнению вида x 2 + p · x + q = 0 , где старший коэффициент a равен 1 . В связи с этим и формулируют теорему Виета именно для уравнений такого вида. Это не ограничивает общности в связи с тем, что любое квадратное уравнение может быть заменено равносильным уравнением. Для этого необходимо поделить обе его части на число a , отличное от нуля.

Приведем еще одну формулировку теоремы Виета.

Сумма корней в приведенном квадратном уравнении x 2 + p · x + q = 0 будет равна коэффициенту при x , который взят с противоположным знаком, произведение корней будет равно свободному члену, т.е. x 1 + x 2 = − p , x 1 · x 2 = q .

Теорема, обратная теореме Виета

Если внимательно посмотреть на вторую формулировку теоремы Виета, то можно увидеть, что для корней x 1 и x 2 приведенного квадратного уравнения x 2 + p · x + q = 0 будут справедливы соотношения x 1 + x 2 = − p , x 1 · x 2 = q . Из этих соотношений x 1 + x 2 = − p , x 1 · x 2 = q следует, что x 1 и x 2 – это корни квадратного уравнения x 2 + p · x + q = 0 . Так мы приходим к утверждению, которое является обратным теореме Виета.

Предлагаем теперь оформить это утверждение как теорему и провести ее доказательство.

Если числа x 1 и x 2 таковы, что x 1 + x 2 = − p и x 1 · x 2 = q , то x 1 и x 2 являются корнями приведенного квадратного уравнения x 2 + p · x + q = 0 .

Замена коэффициентов p и q на их выражение через x 1 и x 2 позволяет преобразовать уравнение x 2 + p · x + q = 0 в равносильное ему x 2 − ( x 1 + x 2 ) · x + x 1 · x 2 = 0 .

Если в полученное уравнение подставить число x 1 вместо x , то мы получим равенство x 1 2 − ( x 1 + x 2 ) · x 1 + x 1 · x 2 = 0 . Это равенство при любых x 1 и x 2 превращается в верное числовое равенство 0 = 0 , так как x 1 2 − ( x 1 + x 2 ) · x 1 + x 1 · x 2 = x 1 2 − x 1 2 − x 2 · x 1 + x 1 · x 2 = 0 . Это значит, что x 1 – корень уравнения x 2 − ( x 1 + x 2 ) · x + x 1 · x 2 = 0 , и что x 1 также является корнем равносильного ему уравнения x 2 + p · x + q = 0 .

Подстановка в уравнение x 2 − ( x 1 + x 2 ) · x + x 1 · x 2 = 0 числа x 2 вместо x позволяет получить равенство x 2 2 − ( x 1 + x 2 ) · x 2 + x 1 · x 2 = 0 . Это равенство можно считать верным, так как x 2 2 − ( x 1 + x 2 ) · x 2 + x 1 · x 2 = x 2 2 − x 1 · x 2 − x 2 2 + x 1 · x 2 = 0 . Получается, что x 2 является корнем уравнения x 2 − ( x 1 + x 2 ) · x + x 1 · x 2 = 0 , а значит, и уравнения x 2 + p · x + q = 0 .

Теорема, обратная теореме Виета, доказана.

Примеры использования теоремы Виета

Давайте теперь приступим к разбору наиболее типичных примеров по теме. Начнем с разбора задач, которые требуют применения теоремы, обратной теореме Виета. Ее можно применять для проверки чисел, полученных в ходе вычислений, на предмет того, являются ли они корнями заданного квадратного уравнения. Для этого необходимо вычислить их сумму и разность, а затем проверить справедливость соотношений x 1 + x 2 = — b a , x 1 · x 2 = a c .

Выполнение обоих соотношений свидетельствует о том, что числа, полученные в ходе вычислений, являются корнями уравнения. Если же мы видим, что хотя бы одно из условий не выполняется, то данные числа не могут быть корнями квадратного уравнения, данного в условии задачи.

Какая из пар чисел 1 ) x 1 = − 5 , x 2 = 3 , или 2 ) x 1 = 1 — 3 , x 2 = 3 + 3 , или 3 ) x 1 = 2 + 7 2 , x 2 = 2 — 7 2 является парой корней квадратного уравнения 4 · x 2 − 16 · x + 9 = 0 ?

Решение

Найдем коэффициенты квадратного уравнения 4 · x 2 − 16 · x + 9 = 0 . Это a = 4 , b = − 16 , c = 9 . В соответствии с теоремой Виета сумма корней квадратного уравнения должна быть равна — b a , то есть, 16 4 = 4 , а произведение корней должно быть равно c a , то есть, 9 4 .

Проверим полученные числа, вычислив сумму и произведение чисел из трех заданных пар и сравнив их с полученными значениями.

В первом случае x 1 + x 2 = − 5 + 3 = − 2 . Это значение отлично от 4 , следовательно, проверку можно не продолжать. Согласно теореме, обратной теореме Виета, можно сразу сделать вывод о том, что первая пара чисел не является корнями данного квадратного уравнения.

Во втором случае x 1 + x 2 = 1 — 3 + 3 + 3 = 4 . Мы видим, что первое условие выполняется. А вот второе условие нет: x 1 · x 2 = 1 — 3 · 3 + 3 = 3 + 3 — 3 · 3 — 3 = — 2 · 3 . Значение, которое мы получили, отлично от 9 4 . Это значит, что вторая пара чисел не является корнями квадратного уравнения.

Перейдем к рассмотрению третьей пары. Здесь x 1 + x 2 = 2 + 7 2 + 2 — 7 2 = 4 и x 1 · x 2 = 2 + 7 2 · 2 — 7 2 = 2 2 — 7 2 2 = 4 — 7 4 = 16 4 — 7 4 = 9 4 . Выполняются оба условия, а это значит, что x 1 и x 2 являются корнями заданного квадратного уравнения.

Ответ: x 1 = 2 + 7 2 , x 2 = 2 — 7 2

Мы также можем использовать теорему, обратную теореме Виета, для подбора корней квадратного уравнения. Наиболее простой способ – это подбор целых корней приведенных квадратных уравнений с целыми коэффициентами. Можно рассматривать и другие варианты. Но это может существенно затруднить проведение вычислений.

Для подбора корней мы используем тот факт, что если сумма двух чисел равна второму коэффициенту квадратного уравнения, взятому со знаком минус, а произведение этих чисел равно свободному члену, то эти числа являются корнями данного квадратного уравнения.

В качестве примера используем квадратное уравнение x 2 − 5 · x + 6 = 0 . Числа x 1 и x 2 могут быть корнями этого уравнения в том случае, если выполняются два равенства x 1 + x 2 = 5 и x 1 · x 2 = 6 . Подберем такие числа. Это числа 2 и 3 , так как 2 + 3 = 5 и 2 · 3 = 6 . Получается, что 2 и 3 – корни данного квадратного уравнения.

Теорему, обратную теореме Виета, можно использовать для нахождения второго корня, когда первый известен или очевиден. Для этого мы можем использовать соотношения x 1 + x 2 = — b a , x 1 · x 2 = c a .

Рассмотрим квадратное уравнение 512 · x 2 − 509 · x − 3 = 0 . Необходимо найти корни данного уравнения.

Решение

Первым корнем уравнения является 1 , так как сумма коэффициентов этого квадратного уравнения равна нулю. Получается, что x 1 = 1 .

Теперь найдем второй корень. Для этого можно использовать соотношение x 1 · x 2 = c a . Получается, что 1 · x 2 = − 3 512 , откуда x 2 = — 3 512 .

Ответ: корни заданного в условии задачи квадратного уравнения 1 и — 3 512 .

Подбирать корни, используя теорему, обратную теореме Виета, можно лишь в простых случаях. В остальных случаях лучше проводить поиск с использованием формулы корней квадратного уравнения через дискриминант.

Благодаря теореме, обратной теореме Виета, мы также можем составлять квадратные уравнения по имеющимся корням x 1 и x 2 . Для этого нам необходимо вычислить сумму корней, которая дает коэффициент при x с противоположным знаком приведенного квадратного уравнения, и произведение корней, которое дает свободный член.

Напишите квадратное уравнение, корнями которого являются числа − 11 и 23 .

Решение

Примем, что x 1 = − 11 и x 2 = 23 . Сумма и произведение данных чисел будут равны: x 1 + x 2 = 12 и x 1 · x 2 = − 253 . Это значит, что второй коэффициент — 12 , свободный член − 253.

Составляем уравнение: x 2 − 12 · x − 253 = 0 .

Ответ: x 2 − 12 · x − 253 = 0 .

Мы можем использовать теорему Виета для решения заданий, которые связаны со знаками корней квадратных уравнений. Связь между теоремой Виета связана со знаками корней приведенного квадратного уравнения x 2 + p · x + q = 0 следующим образом:

• если квадратное уравнение имеет действительные корни и если свободный член q является положительным числом, то эти корни будут иметь одинаковый знак « + » или « — » ;
• если квадратное уравнение имеет корни и если свободный член q является отрицательным числом, то один корень будет « + » , а второй « — » .

Оба этих утверждения являются следствием формулы x 1 · x 2 = q и правила умножения положительных и отрицательных чисел, а также чисел с разными знаками.

Являются ли корни квадратного уравнения x 2 − 64 · x − 21 = 0 положительными?

Решение

По теореме Виета корни данного уравнения не могут быть оба положительными, так как для них должно выполняться равенство x 1 · x 2 = − 21 . Это невозможно при положительных x 1 и x 2 .

Ответ: Нет

При каких значениях параметра r квадратное уравнение x 2 + ( r + 2 ) · x + r − 1 = 0 будет иметь два действительных корня с разными знаками.

Решение

Начнем с того, что найдем значения каких r , при которых в уравнении будет два корня. Найдем дискриминант и посмотрим, при каких r он будет принимать положительные значения. D = ( r + 2 ) 2 − 4 · 1 · ( r − 1 ) = r 2 + 4 · r + 4 − 4 · r + 4 = r 2 + 8 . Значение выражения r 2 + 8 положительно при любых действительных r , следовательно, дискриминант будет больше нуля при любых действительных r . Это значит, что исходное квадратное уравнение будет иметь два корня при любых действительных значениях параметра r .

Теперь посмотрим, когда корни будут иметь разные знаки. Это возможно в том случае, если их произведение будет отрицательным. Согласно теореме Виета произведение корней приведенного квадратного уравнения равно свободному члену. Значит, правильным решением будут те значения r , при которых свободный член r − 1 отрицателен. Решим линейное неравенство r − 1 0 , получаем r 1 .

Ответ: при r 1 .

Формулы Виета

Существует ряд формул, которые применимы для осуществления действий с корнями и коэффициентами не только квадратных, но также кубических и других видов уравнений. Их называют формулами Виета.

Для алгебраического уравнения степени n вида a 0 · x n + a 1 · x n — 1 + . . . + a n — 1 · x + a n = 0 считается, что уравнение имеет n действительных корней x 1 , x 2 , … , x n , среди которых могут быть совпадающие:
x 1 + x 2 + x 3 + . . . + x n = — a 1 a 0 , x 1 · x 2 + x 1 · x 3 + . . . + x n — 1 · x n = a 2 a 0 , x 1 · x 2 · x 3 + x 1 · x 2 · x 4 + . . . + x n — 2 · x n — 1 · x n = — a 3 a 0 , . . . x 1 · x 2 · x 3 · . . . · x n = ( — 1 ) n · a n a 0

Получить формулы Виета нам помогают:

• теорема о разложении многочлена на линейные множители;
• определение равных многочленов через равенство всех их соответствующих коэффициентов.

Так, многочлен a 0 · x n + a 1 · x n — 1 + . . . + a n — 1 · x + a n и его разложение на линейные множители вида a 0 · ( x — x 1 ) · ( x — x 2 ) · . . . · ( x — x n ) равны.

Если мы раскрываем скобки в последнем произведении и приравниваем соответствующие коэффициенты, то получаем формулы Виета. Приняв n = 2 , мы можем получить формулу Виета для квадратного уравнения: x 1 + x 2 = — a 1 a 0 , x 1 · x 2 = a 2 a 0 .

Формула Виета для кубического уравнения:
x 1 + x 2 + x 3 = — a 1 a 0 , x 1 · x 2 + x 1 · x 3 + x 2 · x 3 = a 2 a 0 , x 1 · x 2 · x 3 = — a 3 a 0

Левая часть записи формул Виета содержит так называемые элементарные симметрические многочлены.