Существует множество математических задач, ответами к которым служат одно или несколько целых чисел. В качестве примера можно привести четыре классические задачи, решаемые в целых числах – задача о взвешивании, задача о разбиении числа, задача о размене и задача о четырёх квадратах. Стоит отметить, что, несмотря на достаточно простую формулировку этих задач, решаются они весьма сложно, с применением аппарата математического анализа и комбинаторики. Идеи решения первых двух задач принадлежат швейцарскому математику Леонарду Эйлеру (1707–1783). Однако наиболее часто можно встретить задачи, в которых предлагается решить уравнение в целых (или в натуральных) числах. Некоторые из таких уравнений довольно легко решаются методом подбора, но при этом возникает серьёзная проблема – необходимо доказать, что все решения данного уравнения исчерпываются подобранными (то есть решений, отличных от подобранных, не существует). Для этого могут потребоваться самые разнообразные приёмы, как стандартные, так и искусственные. Анализ дополнительной математической литературы показывает, что подобные задания достаточно часто встречаются в олимпиадах по математике разных лет и различных уровней, а также в задании 19 ЕГЭ по математике (профильный уровень). В то же время в школьном курсе математики данная тема практически не рассматривается, поэтому школьники, участвуя в математических олимпиадах или сдавая профильный ЕГЭ по математике, обычно сталкиваются со значительными трудностями при выполнении подобного рода заданий. В связи с этим целесообразно выделить систему основных методов решения уравнений в целых числах, тем более что в изученной математической литературе этот вопрос явно не оговаривается. Описанная проблема определила цель данной работы: выделить основные методы решения уравнений в целых числах. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) Проанализировать олимпиадные материалы, а также материалы профильного ЕГЭ по математике;
2) Обозначить методы решения уравнений в целых числах и выделить преобладающие;
3) Полученные результаты проиллюстрировать примерами;
4) Составить несколько тренировочных заданий по данной теме;
5) Применяя разработанные задания, определить степень готовности учащихся девятых классов МБОУ СОШ №59 к решению подобного рода задач и сделать практические выводы.
Основная часть
Анализ разнообразной математической литературы показывает, что среди методов решения уравнений в целых числах в качестве основных можно выделить следующие:
Представление уравнения в виде произведения нескольких множителей, равного некоторому целому числу;
Представление уравнения в виде суммы квадратов нескольких слагаемых, равной некоторому целому числу;
Использование свойств делимости, факториалов и точных квадратов;
Использование Малой и Великой теорем Ферма;
Метод бесконечного спуска;
Выражение одной неизвестной через другую;
Решение уравнения как квадратного относительно одной из неизвестных;
Рассмотрение остатков от деления обеих частей уравнения на некоторое число.
Сразу же нужно оговорить, что мы понимаем под основными методами решения уравнений. Основными будем называть наиболее часто применяющиеся методы, что, конечно, не исключает возможности периодического применения новых «неожиданных» приёмов. Кроме того, причём в подавляющем большинстве случаев, применяют их различные сочетания, то есть проводят комбинирование нескольких методов. В качестве примера сочетания методов рассмотрим уравнение, предлагавшееся на ЕГЭ по математике в 2013 году (задание С6).
Задача. Решить в натуральных числах уравнение n! + 5n + 13 = k 2 .
Решение. Заметим, что оканчивается нулём при n > 4. Далее, при любых n ∈ N оканчивается либо цифрой 0, либо цифрой 5. Следовательно, при n > 4 левая часть уравнения оканчивается либо цифрой 3, либо цифрой 8. Но она же равна точному квадрату, который не может оканчиваться этими цифрами. Поэтому нужно перебрать только четыре варианта: n = 1, n = 2, n = 3, n = 4.
Значит, уравнение имеет единственное натуральное решение n = 2, k = 5.
В этой задаче использовались свойства точных квадратов, свойства факториалов, и остатки от деления обеих частей уравнения на 10.
Теперь приведём комплекс авторских задач.
Задача 1.Решить в целых числах уравнение n 2 — 4y! = 3.
Решение.Сначала перепишем исходное уравнение в виде n 2 = 4y! + 3. Если посмотреть на это соотношение с точки зрения теоремы о делении с остатком, то можно заметить, что точный квадрат, стоящий в левой части уравнения, даёт при делении на 4 остаток 3, что невозможно. Действительно, любое целое число представимо в одном из следующих четырёх видов:
Таким образом, точный квадрат при делении на 4 даёт в остатке либо 0, либо 1. Следовательно, исходное уравнение не имеет решений.
Ключевая идея – применение свойств точных квадратов.
Задача 2.Решить в целых числах уравнение 8z 2 = (t!) 2 + 2.
Решение.Непосредственная проверка показывает, что t = 0 и t = 1 не являются решениями уравнения. Если t > 1, то t! является чётным числом, то есть, оно представимо в виде t! = 2s. В таком случае уравнение можно преобразовать к виду 4z 2 = 2s 2 + 1. Однако, полученное уравнение заведомо не имеет решений, ибо в левой части стоит чётное число, а в правой – нечётное.
Ключевая идея – применение свойств факториалов.
Задача 3.Решить в целых числах уравнение x 2 + y 2 – 2x + 6y + 5 = 0.
Решение.Исходное уравнение можно переписать следующим образом: (x – 1) 2 + (y + 3) 2 = 5.
Из условия следует, что (x – 1), (y + 3) – целые числа. Следовательно, данное уравнение эквивалентно следующей совокупности:
Теперь можно выписать всевозможные целые решения уравнения.
Задача 4.Решить в целых числах уравнение zt + t – 2z = 7.
Решение.Исходное уравнение можно преобразовать к виду (z + 1) (t – 2) = 5. Числа (z + 1), (t – 2) являются целыми, поэтому имеют место следующие варианты:
Итак, уравнение имеет ровно четыре целых решения.
Ключевая идея – представление уравнения в виде произведения, равного целому числу.
Задача 5.Решить в целых числах уравнение n(n + 1) = (2k + 1)‼
Решение.Число (2k + 1)‼ нечётно при всех неотрицательных значениях k согласно определению (при отрицательных k оно вообще не определено). С другой стороны, оно равно числу n(n + 1), которое чётно при всех целых значениях k. Противоречие.
Ключевая идея – использование чётности/нечётности частей уравнения.
Задача 6.Решить в целых числах уравнение xy + x + 2y = 1.
Решение.Путём преобразований уравнение можно свести к следующему:
Данное преобразование не изменило ОДЗ неизвестных, входящих в уравнение, так как подстановка y = –1 в первоначальное уравнение приводит к абсурдному равенству –2 = 1. Согласно условию, x – целое число. Иначе говоря, тоже целое число. Но тогда число обязано быть целым. Дробь является целым числом тогда и только тогда, когда числитель делится на знаменатель. Делители числа 3: 1,3 –1, –3. Следовательно, для неизвестной возможны четыре случая: y = 0, y = 2, y = –2, y = –4. Теперь можно вычислить соответствующие значения неизвестной x. Итак, уравнение имеет ровно четыре целых решения: (–5;0), (–5;2), (1;–2), (1;–4).
Ключевая идея – выражение одной неизвестной через другую.
Задача 7.Решить в целых числах уравнение 5 m = n 2 + 2.
Решение.Если m = 0, то уравнение примет вид n 2 = –1. Оно не имеет целых решений. Если m 0. Тогда правая часть уравнения (как и левая) будет кратна 5. Но в таком случае n 2 при делении на 5 должно давать остаток 3, что невозможно (это доказывается методом перебора остатков, который был изложен при решении задачи 1). Следовательно, данное уравнение не имеет решений в целых числах.
Ключевая идея – нахождение остатков от деления обеих частей уравнения на некоторое натуральное число.
Задача 8.Решить в целых числах уравнение (x!) 4 + (y – 1) 4 = (z + 1) 4 .
Решение.Заметим, что в силу чётности показателей степеней уравнение эквивалентно следующему: (x!) 4 + |y – 1| 4 = |z + 1| 4 . Тогда x!, |y – 1|, |z + 1| – натуральные числа. Однако, согласно Великой теореме Ферма, эти натуральные числа не могут удовлетворять исходному уравнению. Таким образом, уравнение неразрешимо в целых числах.
Ключевая идея – использование Великой теоремы Ферма.
Задача 9.Решить в целых числах уравнение x 2 + 4y 2 = 16xy.
Решение.Из условия задачи следует, что x – чётное число. Тогда x 2 = 4x1 2 . Уравнение преобразуется к виду x1 2 + y 2 = 8x1y. Отсюда вытекает, что числа x1, y имеют одинаковую чётность. Рассмотрим два случая.
1 случай. Пусть x1, y – нечётные числа. Тогда x1 = 2t + 1, y = 2s + 1. Подставляя эти выражения в уравнение, получим:
Выполним соответствующие преобразования:
Сокращая обе части полученного уравнения на 2, получим?
В левой части стоит нечётное число, а в правой – чётное. Противоречие. Значит, 1 случай невозможен.
2 случай. Пусть x1, y – чётные числа. Тогда x1 = 2x2 + 1, y = 2y1. Подставляя эти значения в уравнение, получим:
Таким образом, получилось уравнение, точно такое же, как на предыдущем шаге. Исследуется оно аналогично, поэтому на следующем шаге получим уравнение и т.д. Фактически, проводя эти преобразования, опирающиеся на чётность неизвестных, мы получаем следующие разложения: . Но величины n и k не ограничены, так как на любом шаге (со сколь угодно большим номером) будем получать уравнение, эквивалентное предыдущему. То есть, данный процесс не может прекратиться. Другими словами, числа x, y бесконечно много раз делятся на 2. Но это имеет место, только при условии, что x = y = 0. Итак, уравнение имеет ровно одно целое решение (0; 0).
Ключевая идея – использование метода бесконечного спуска.
Задача 10.Решить в целых числах уравнение 5x 2 – 3xy + y 2 = 4.
Решение.Перепишем данное уравнение в виде 5x 2 – (3x)y + (y 2 – 4) = 0. Его можно рассмотреть как квадратное относительно неизвестной x. Вычислим дискриминант этого уравнения:
Для того чтобы уравнение имело решения, необходимо и достаточно, чтобы , то есть Отсюда имеем следующие возможности для y: y = 0, y = 1, y = –1, y = 2, y = –2.
Итак, уравнение имеет ровно 2 целых решения: (0;2), (0;–2).
Ключевая идея – рассмотрение уравнения как квадратного относительно одной из неизвестных.
Составленные автором задачи были использованы при проведении эксперимента, который состоял в следующем. Всем учащимся девятых классов были предложены разработанные задания с целью выявления уровня подготовки детей по данной теме. Каждому из учеников необходимо было предложить метод нахождения целочисленных решений уравнений. В эксперименте приняли участие 64 ученика. Полученные результаты представлены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1
Номер задания
Количество учащихся, справившихся с заданием (в процентах)
Тема: «Примеры решения целых уравнений»
учитель математики, СОШ №68 г. Оренбург
Тема: «Примеры решения целых уравнений»
Класс 9 кл (углубленное изучение математики).
Изучение нового материала.
Целое уравнение третий или более высокой степени в отдельных случаях удается решить, используя специальные приемы.
Рассмотрим некоторые из них.
Один из приемов решения уравнения вида P(x)=0, где Р(х) – многочлен, степень которого выше двух, состоит в разложении многочлена на множители. С помощью разложения многочлена на множители удается иногда решить уравнения n-й степени, где n≥3, свести к решению уравнений более низких степеней.
Пример 1. Решим уравнение 4х3 – 11х + 3 = 0
Разложим многочлен 4х3 – 11х + 3 = 0 на множители. Для
этого одночлен – 11х представим в виде суммы – 9х – 2х. Получим
4х3 – 9х – 2х + 3 = 0
(4х3 – 9х) – (2х – 3) = 0
х·(2х – 3) · (2х + 3) –(2х – 3) =0
(2х – 3) ·(2х2 +3 – 1)=0
Из условия равенства нулю произведения вытекает, что полученное равенство верно, когда 2х – 3 = 0 или когда 2х2 +3 – 1=0. Говорят, что данное уравнение равносильно совокупности уравнений
2х – 3 = 0 или 2х2 +3 – 1=0.
В записи для обозначения совокупности используют иногда квадратную скобку, например, пишут:
2х – 3 = 0
Множеством корней исходного уравнения является объединение множеств корней уравнений, входящих в эту совокупность. Решив каждое из уравнений, найдем, что исходное уравнение имеет три корня:
Проверка решения уравнения проводится с помощью MathCAD
Для разложения на многочлена P(x) третей или более высокой степени бывает удобно иногда воспользоваться теоремой о корне многочлена.
Пример 2. Решим уравнение х3 – x2 – 3·x – 1 = 0
Если данное уравнение имеет целый корень, то он является делителем числа -1, т. е. равен 1 или -1. Проверка убеждает нас, что число -1— корень уравнения. Значит, в силу доказанной теоремы, его левую часть можно представить в виде произведения (x+1)· P(x), где P(x) — многочлен второй степени.
Решив эти уравнения, найдем, что данное уравнение третей степени имеет три корня.
Проверка решения уравнения проводится с помощью MathCAD
Для решения целых уравнений третий и более высокой степени используется иногда метод введения новой переменной.
Пример 3. Решим уравнение 16х4 – 65×2 + 4 = 0
В это уравнение переменная х входит только во второй и в четвертой степени. Так как х4 = (х2)2, то уравнение можно свести к квадратному, обозначив х2 буквой y. Получим 16у2 – 65у + 4 = 0.
Решив это уравнение, найдем, что у1 = 1/16, у2 = 4.
Из уравнения х2 = 1/16 находим, что х1 = 1/4, х1 = -1/4. Из уравнения х2 = 4 находим, что х3 = 2, х4 = -2
Проверка решения уравнения проводится с помощью MathCAD
Алгебра
План урока:
Целое уравнение и его степень
Ранее мы уже изучали понятие целого выражения. Так называют любое выражение с переменной, в котором могут использоваться любые арифметические операции, а также возведение в степень. Однако есть важное ограничение – в целом выражении переменная НЕ может находиться в знаменателе какой-нибудь дроби или быть частью делителя. Также переменная не может находиться под знаком корня. Для наглядности приведем примеры целых выражений:
(n 3 + 7)/5 (в знаменателе находится только число, без переменной);
А вот примеры нецелых выражений:
Отличительной особенностью целых выражений является то, что в них переменная может принимать любое значение. В нецелых же выражениях возникают ограничения на значения переменной, ведь знаменатель дроби не должен равняться нулю, в выражение под знаком корня не должно быть отрицательным.
Введем понятие целого уравнения.
Приведем примеры целых ур-ний:
0,75х 7 + 0,53х 6 – 45х = 18
Напомним, что в математике существует понятие равносильных уравнений.
Когда мы решаем ур-ния, мы в каждой новой строчке записываем ур-ние, равносильное предыдущему. Для этого используются равносильные преобразования (перенос слагаемых через знак «=» с противоположным знаком, деление обоих частей равенства на одинаковые числа и т. д.).
Можно доказать (мы этого делать не будем), что любое целое ур-ние можно возможно преобразовать так, чтобы получилось иное, равносильное ему ур-ние, где в левой части будет находиться многочлен, а справа – ноль. Для этого надо лишь раскрыть скобки и умножить ур-ние на какое-нибудь число, чтобы избавиться от дробей.
Пример. Преобразуйте целое ур-ние
так, чтобы слева стоял многочлен, а справа – ноль.
Решение. В ур-нии есть дроби со знаменателями 5 и 4. Если умножить обе части на 20 (это наименьшее общее кратное чисел 5 и 4), то дроби исчезнут:
Получили ур-ние в той форме, которую и надо было найти по условию.
Ответ:– 12х 4 + 20х 3 – 118х 2 + 175х – 75 = 0
В математике любой полином можно обозначить как Р(х). Если ур-ние привели к тому виду, когда в одной части многочлен, а в другой ноль, то говорят, что получили ур-ние вида Р(х) = 0.
Получается, что решение целого уравнения всегда можно свести к решению равносильного ему ур-ния Р(х) = 0. Именно поэтому многочлены играют такую большую роль в математике
Напомним, что степенью многочлена называется максимальная степень входящего в его состав одночлена. Это же число является и степенью целого уравнения Р(х) = 0, а также степенью любого равносильного ему целого ур-ния.
Пример. Определите степень ур-ния
(х 3 – 5)(2х + 7) = 2х 4 + 9
Решение. Приведем ур-ние к виду Р(х) = 0. Для этого раскроем скобки:
(х 3 – 5)(2х + 7) = 2х 4 + 9
2х 4 + 7х 3 – 10х – 35 = 2х 4 + 9
Перенесем все слагаемые влево и приведем подобные слагаемые:
2х 4 + 7х 3 – 10х – 35 – 2х 4 – 9 = 0
7х 3 – 10х – 44 = 0
Получили в левой части многочлен 3-ей степени. Следовательно, и исходное ур-ние имело такую же степень
Приведем примеры ур-ний первой степени:
5,4568у + 0,0002145 = 0
Все они являются линейными ур-ниями, метод их решения изучался ранее. Они имеют 1 корень.
Приведем примеры ур-ний второй степени:
6t 2 + 98t – 52 = 0
Это квадратные ур-ния. У них не более двух действительных корней. Для их нахождения в общем случае надо вычислить дискриминант и использовать формулу
Квадратные и линейные ур-ния умели решать ещё в Древнем Вавилоне 4 тысячи лет назад! А вот с ур-ния 3-ей степени (их ещё называют кубическими уравнениями) оказались значительно сложнее. Приведем их примеры:
2х 3 + 4х 2 – 19х + 17 = 0
Лишь в 1545 году итальянец Джералимо Кардано опубликовал книгу, в которой описывался общий алгоритм решения кубических ур-ний. Он достаточно сложный и не входит в школьный курс математики. Его ученик, Лодовико Феррари, предложил метод решения ур-ний четвертой степени. В качестве примера такого ур-ния можно привести:
5х 4 + 6х 3 – 2х 2 – 10х + 1 = 0
Лишь в XIX веке было доказано, что для ур-ний более высоких степеней (5-ой, 6-ой и т. д.) не существует универсальных формул, с помощью которых можно было бы найти их корни.
Отметим, что если степень целого ур-ния равна n, то у него не более n корней (но их число может быть и меньше). Так, количество корней кубического уравнения не превышает трех, а у ур-ния 4-ой степени их не более 4.
Чтобы доказать это утверждение, сначала покажем способ составления уравнения Р(х) = 0, имеющего заранее заданные корни. Пусть требуется составить ур-ние, имеющее корни k1, k2,k3,…kn. Приравняем к нулю следующее произведение скобок:
Составленное ур-ние имеет все требуемые корни и никаких других корней. Действительно, произведение множителей может равняться нулю только в случае, если хотя бы один из множителей нулевой. Поэтому для решения ур-ния
надо каждую скобку приравнять к нулю:
х – k1 = 0 или х – k2 = 0 или х – k3 = 0 или…х – kn = 0
Перенесем второе слагаемое вправо в каждом равенстве и получим:
Чтобы вместо произведения скобок слева стоял многочлен, надо просто раскрыть скобки.
Пример. Составьте уравнение в виде Р(х) = 0, имеющее корни 1, 2, 3 и 4.
Запишем целое ур-ние, имеющее требуемые корни:
(х – 1)(х – 2)(х – 3)(х – 4) = 0
Будем поочередно раскрывать скобки, умножая 1-ую скобку на 2-ую, полученный результат на 3-ю и т.д.:
(х 2 – 3х + 2)(х – 3)(х – 4) = 0
(х 3 – 6х 2 + 11х – 6)(х – 4) = 0
х 4 – 10х 3 + 35х 2 – 50х +24 = 0
Получили ур-ние вида Р(х) = 0. Для проверки вычислений можно подставить в него числа 1, 2, 3 и 4 и убедиться, что они обращают ур-ние в верное равенство.
Ответ: х 4 – 10х 3 + 35х 2 – 50х +24 = 0
Заметим, что в рассмотренном примере, когда мы перемножали многочлены, мы получали новый полином, чья степень увеличивалась на единицу. Мы перемножили 4 скобки (х – k1), а потому получили полином 4 степени. Если бы мы перемножали, скажем, 10 таких скобок, то и многочлен бы получился 10-ой степени. Именно поэтому ур-ние n-ой степени не более n корней.
Действительно, предположим, что какое-то ур-ние n-ой степени имеет хотя бы (n + 1) корень. Обозначим эти корни как k1, k2,k3,…kn, kn+1 и запишем уравнение:
Оно, по определению, равносильно исходному ур-нию, ведь оно имеет тот же набор корней. Слева записаны (n + 1) скобок, поэтому при их раскрытии мы получим полином степени (n + 1). Значит, и исходное ур-ние на самом деле имеет степень n + 1, а не n. Получили противоречие, которое означает, что на самом деле у уравнения n-ой степени не более n корней.
Особо акцентируем внимание на том факте, что если корнями уравнения являются некоторые числа k1, k2,k3,…kn, то этому ур-нию равносильна запись (х – k1)(х – k2)(х – k3)…(х – kn) = 0
Этот факт будет использован далее при решении ур-ний.
Решение уравнений методом подбора корня
Необязательно преобразовывать ур-ние, чтобы найти его корни. Одним из приемов решения целых уравнений является метод подбора корня. Ведь если надо доказать, что какое-то число – это корень ур-ния, достаточно просто подставить это число в ур-ние и получить справедливое равенство!
Пример. Докажите, что корнями ур-ния
х 3 – 2х 2 – х + 2 = 0
являются только числа (– 1), 1 и 2.
Решение. Подставим в ур-ние каждую из предполагаемых корней и получим справедливое равенство. При х = – 1 имеем:
(– 1) 3 – 2(– 1) 2 – (– 1) + 2 = 0
При х = 1 получаем:
1 3 – 2•1 2 – 1 + 2 = 0
Наконец, рассмотрим случай, когда х = 2
2 3 – 2•2 2 – 2 + 2 = 0
Исходное ур-ние имеет 3-ю степень, поэтому у него не более 3 корней. То есть других корней, кроме (– 1), 1 и 2 , у него нет.
Конечно, просто так подобрать корни довольно тяжело. Однако есть некоторые правила, которые помогают в этом. Для начала введем понятие коэффициентов уравнения.
Понятно, что ур-ние Р(х) = 0 в общем виде можно записать так:
Числа а0, а1, а2,…аnи называют коэффициентами уравнений.
Например, для уравнения
5х 4 – 7х 3 + 9х 2 – х + 12 = 0
Если одна из слагаемых «пропущено» в уравнении, то считают, что коэффициент перед ним равен нулю. Например, в ур-нии
нет слагаемого с буквенной частью х 2 . Можно считать, что ур-ние равносильно записи
х 3 + 0х 2 + 2х – 15 = 0
где слагаемое х 2 есть, но перед ним стоит ноль. Тогда коэффициент а1 = 0.
Для обозначения первого коэффициента а0 может использоваться термин старший коэффициент, а для последнего коэффициента аn – термин «свободный член» или «свободный коэффициент».
Изучение коэффициентов ур-ния помогает быстрее подобрать корень. Существует следующая теорема:
Докажем это утверждение. Пусть m – это целый корень уравнения с целыми коэффициентами
Тогда можно подставить туда число m и получить верное равенство:
Поделим обе его части на m и получим
Справа – целое число (ноль), значит, и сумма чисел слева также целая. Все числа а0m n –1 , a1m n –2 , аn–1, очевидно, целые (так как и целыми являются и m, и все коэффициенты). Значит, и число аn/m должно быть целым. Но это возможно лишь в том случае, если m является делителем числа аn.
Из доказанной теоремы следует, что при подборе корней ур-ния достаточно рассматривать только те из них, которые являются делителями свободного члена. При этом следует учитывать и отрицательные делители.
Пример. Найдите целые корни уравнения
2х 4 – х 3 – 9х 2 + 4х + 4 = 0
Решение. Все коэффициенты ур-ния – целые, а потому целый корень должен быть делителем свободного члена, то есть числа 4. Делителями четверки являются 1 и (– 1), 2 и (– 2), 4 и (– 4). Подставляя каждое из этих чисел в ур-ние, получим верные равенства только для чисел 1, 2 и (– 2):
Таким образом, только эти числа и могут быть целыми корнями ур-ния. Так как мы рассматриваем ур-ние 4 степени, то, возможно, у него помимо 3 целых корней есть ещё один дробный.
Пример. Решите ур-ние
0,5х 3 + 0,5х + 5 = 0
Решение. У ур-ния дробные коэффициенты. Умножим обе части равенства на 2 и получим ур-ние с целыми коэффициентами:
0,5х 3 + 0,5х + 5 = 0
(0,5х 3 + 0,5х + 5)•2 = 0•2
Попытаемся подобрать целый корень ур-ния. Он должен быть делителем свободного члена, то есть десятки. Возможными кандидатами являются числа 1 и (– 1), 2 и (– 2), 5 и (– 5), 10 и (– 10). Подходит только корень х = – 2:
(– 2) 3 + (– 2) + 10 = – 8 – 2 + 10 = 0
Обратим внимание, что в левой части ур-ния стоит сумма функций, возрастающих на всей числовой прямой: у = х 3 и у = х + 10. Значит, и вся левая часть х 3 + х + 10 монотонно возрастает. Это значит, что у ур-ния есть только один корень, и мы его нашли ранее подбором.
Ещё быстрее можно узнать, является ли единица корнем уравнения.
Докажем это. Подставим в ур-ние
значение х = 1. Так как единица в любой степени равна самой единице, то получим:
Получили равенство, в котором слева стоит сумма коэффициентов, в справа – ноль. Если сумма коэффициентов действительно равна нулю, то равенство верное, а, значит, единица является корнем ур-ния.
Решение уравнений с помощью разложения многочлена на множители
Если в уравнении вида P(x) = 0в левой части удается выполнить разложение многочлена на множители, то дальше каждый из множителей можно отдельно приравнять к нулю.
Пример. Решите ур-ние
Решение. Степень х 4 можно представить как (х 2 ) 2 , а 16 – как 4 2 . Получается, что слева стоит разность квадратов, которую можно разложить на множители по известной формуле:
(х 2 – 4)(х 2 + 4) = 0
Приравняем каждую скобку к нулю и получим два квадратных ур-ния:
х 2 – 4 = 0 или х 2 + 4 = 0
х 2 = 4 или х 2 = – 4
Первое ур-ние имеет два противоположных корня: 2 и (– 2). Второе ур-ние корней не имеет.
Предположим, что у ур-ния 3-ей степени есть 3 корня, и подбором мы нашли один из них. Как найти оставшиеся корни? Здесь помогает процедура, известная как «деление многочленов в столбик». Продемонстрируем ее на примере. Пусть надо решить ур-ние
100х 3 – 210х 2 + 134х – 24 = 0
Можно заметить, сумма всех коэффициентов ур-ния равна нулю:
100 – 210 + 134 – 24 = 0
Следовательно, первый корень – это 1.
Предположим, что у исходного ур-нияР(х) = 0 есть 3 корня, k1, k2и k3. Тогда ему равносильно другое ур-ние
Мы нашли, что первый корень k1 = 1, то есть
Обозначим как P1(x) = 0 ещё одно ур-ние, корнями которого будут только числа k2 и k3. Очевидно, что корнями ур-ния
Будут числа 1, k2 и k3. Его корни совпадают с корнями исходного ур-ния, а потому запишем
(х – 1)•P1(x) = 100х 3 – 210х 2 + 134х – 24
Поделим обе части на (х – 1):
Итак, если «поделить» исходное ур-ние на х – 1, то получим какой-то многочлен Р1(х), причем решением уравнения P1(x) = 0 будут оставшиеся два корня, k2и k3. Деление можно выполнить в столбик. Для этого сначала запишем «делимое» и «делитель», как и при делении чисел:
Смотрим на первое слагаемое делимого. Это 100х 3 . На какой одночлен нужно умножить делитель (х – 1), чтобы получился полином со слагаемым 100х 3 ? Это 100х 2 . Действительно, (х – 1)100х 2 = 100х 3 – 100х 2 . Запишем слагаемое 100х 2 в результат деления, а результат его умножения на делитель, то есть 100х 3 – 100х 2 , вычтем из делимого:
Теперь вычтем из делимого то выражение, которое мы записали под ним. Слагаемые 100х 3 , естественно, сократятся:
На какое слагаемое нужно умножить (х – 1), что получился полином со слагаемым (– 110х 2 ). Очевидно, на (– 110х):
(х – 1)(– 110х 2 ) = –110х 2 + 110х
Запишем в поле «ответа» слагаемое (– 110х 2 ), а под делимый многочлен – результат его умножения на (х – 1):
При вычитании из (–110х 2 + 134х) полинома (–110х 2 + 110х) остается 24х. Далее сносим последнее слагаемое делимого многочлена вниз:
Выражение х – 1 нужно умножить на 24, чтобы получить 24х – 24. Запишем в поле «ответа» число 24, а в столбике произведение 24(х –1) = 24х – 24:
В результате в остатке получился ноль. Значит, всё сделано правильно. С помощью деления столбиком мы смогли разложить полином 100х 3 – 210х 2 + 134х – 24 на множители:
Теперь перепишем исходное ур-ние с учетом этого разложения:
100х 3 – 210х 2 + 134х – 24 = 0
(х – 1)(100х 2 – 110х + 24) = 0
Теперь каждую отдельную скобку можно приравнять нулю. Получим ур-ние х – 1 = 0, корень которого, равный единице, мы уже нашли подбором. Приравняв к нулю вторую скобку, получим квадратное ур-ние:
В данном случае мы воспользовались следующим правилом:
Пример. Решите уравнение
2х 3 – 8х 2 + 16 = 0
Решение. Все коэффициенты целые, а потому, если у уравнения есть целый корень, то он должен быть делителем 16. Перечислим эти делители: 1, – 1, 2, – 2, 4, – 4, 8, – 8, 16, – 16. Из всех них подходит только двойка:
2•2 3 – 8•2 2 + 16 = 16 – 32 + 16 = 0
Итак, первый корень равен 2. Это значит, что исходный многочлен можно разложить на множители, один из которых – это (х – 2). Второй множитель найдем делением в столбик. Так как в многочлене 2х 3 – 8х 2 + 16 нет слагаемого с буквенной часть х, то искусственно добавим её:
В 8 классе мы узнали, что если у квадратного ур-ния ах 2 + bx + c = 0 есть два корня, то многочлен ах 2 + bx + c можно разложить на множители по формуле
где k1 и k2– корни квадратного ур-ния. Оказывается, такое же действие можно выполнять с многочленами и более высоких степеней. В частности, если у кубического ур-ния есть 3 корня k1, k2 и k3, то его можно разложить на множители по формуле
Получили не тот многочлен, который стоит в условии. Однако ур-ние
х 3 – 2х 2 – х + 2 = 0
имеет те же корни (1, 2 и (– 1)), что и ур-ние
2х 3 – 4х 2 – 2х + 4 = 0
Дело в том, что это равносильные ур-ния, причем второе получено умножением первого на два:
2•(х 3 – 2х 2 – х + 2) = 2х 3 – 4х 2 – 2х + 4
Надо понимать, что хотя ур-ния 2х 3 – 4х 2 – 2х + 4 = 0 и х 3 – 2х 2 – х + 2 = 0, по сути, одинаковы, многочлены в их левой части различны. Заметим, что при перемножении скобок (х – k1), (х – k2), (х – k3) и т.д. всегда будет получаться полином, у которого старший коэффициент равен единице. Поэтому, чтобы учесть этот самый коэффициент, надо домножить произведение скобок на него:
Любое ур-ние с одной переменной можно представить в виде равенства
где у(х) и g(x) – некоторые функции от аргумента х.
Построив графики этих функций, можно примерно найти точки их пересечений. Они и будут соответствовать корням уравнения.
Пример. Решите графически уравнение
Решение. Строить график уравнения х 3 – х 2 – 1 = 0 довольно сложно, поэтому перенесем слагаемое (– х 2 – 1) вправо:
Построим графики у = х 3 и у = х 2 + 1 (второй можно получить переносом параболы у = х 2 на единицу вверх):
Видно, они пересекаются в точке, примерно соответствующей значению х ≈ 1,4. Если построить графики уравнения более точно (с помощью компьютера), то можно найти, что х ≈ 1,46557.
Ответ: х ≈ 1,46557
Конечно, графический метод решения уравнений не является абсолютно точным, однако он помогает быстро найти примерное положение корня. Также с его помощью можно определить количество корней уравнения. В рассмотренном примере был только 1 корень.
Пример. Определите количество корней уравнений
б) х 3 – 2х + 0,5 = 0
Решение. Перенесем два последних слагаемых вправо в каждом ур-нии:
Построим графики функций у = х 3 , у = х + 3 и у = 2х – 0,5:
Видно, что прямая у = х + 3 пересекает график у = х 3 в одной точке, поэтому у первого ур-ния будет 1 решение.Прямая у = 2х – 0,5 пересекает кубическую параболу в трех точках, а потому у второго ур-ния 3 корня.
Ответ: а) один корень; б) три корня.
Решение дробно-рациональных уравнений
До этого мы рассматривали только целые ур-ния, где переменная НЕ находится в знаменателе какого-нибудь выражения. Однако, если в ур-нии есть выр-ние, содержащее переменную в знаменателе, или присутствует деление на выр-ние с переменной, то его называют дробно-рациональным уравнением.
Приведем несколько примеров ур-ний, считающихся дробно-рациональными:
С помощью равносильных преобразований любое дробно-рациональное ур-ние возможно записать в виде отношения двух полиномов:
Дробь равна нулю лишь тогда, когда ее числитель равен нулю, а знаменатель – не равен. Таким образом, нужно сначала решить ур-ние Р(х) = 0 и потом проверить, что полученные корни не обращают полином Q(x) в ноль.
Обычно для решения дробно-рациональных уравнений используют такой алгоритм:
1) Приводят все дроби к единому знаменателю, умножают на него ур-ние и получают целое ур-ние.
2) Решают полученное целое ур-ние.
3) Исключают из числа корней те, которые обращают знаменатель хотя бы одной из дробей в ноль.
Пример. Решите ур-ние
Умножим обе части равенства на знаменатель 1-ой дроби:
2х 2 – 3х – 2 = х 2 (х – 2)
Раскроем скобки и перенесем все слагаемые в одну сторону:
2х 2 – 3х – 2 = х 3 – 2х 2
х 3 – 2х 2 – 2х 2 + 3х + 2 = 0
х 3 – 4х 2 + 3х + 2 = 0
У ур-ния могут быть только те целые корни, которые являются делителями двойки. Из кандидатов 1, – 1, 2 и – 2 подходит только двойка:
2 3 – 4•2 2 + 3•2 + 2 = 8 – 16 + 6 + 2 = 0
Нашли один корень, а потому исходный многочлен можно поделить в столбик на (х – 2):
Получили, что х 3 – 4х 2 + 3х + 2 = (х – 2)(х 2 – 2х – 1)
Тогда ур-ние примет вид:
(х – 2)(х 2 – 2х – 1) = 0
х – 2 = 0 или х 2 – 2х – 1 = 0
Решим квадратное ур-ние:
D =b 2 – 4ас = (– 2) 2 – 4•1•(– 1) = 4 + 4 = 8
Мы нашли все 3 корня кубического ур-ния. Теперь надо проверить, не обращают ли какие-нибудь из них знаменатели дроби в исходном ур-нии
в ноль. Очевидно, что при х = 2 знаменатель (х – 2) превратится в ноль:
Это значит, что этот корень надо исключить из списка решений. Такой корень называют посторонним корнем ур-ния.
Также ясно, что два остальных корня не обращают знаменатель в ноль, а потому они НЕ должны быть исключены из ответа:
Пример. Найдите все корни ур-ния
Решение. Если сразу привести выражение слева к общему знаменателю 4(х 2 + х – 2)(х 2 + х – 20), то получится очень длинное и неудобное выражение. Однако знаменатели довольно схожи, поэтому можно провести замену. Обозначим х 2 + х как у:
Тогда уравнение примет вид
Приведем дроби к общему знаменателю 4(у – 2)(у – 20):
тоже целое число. Но тогда число 
обязано быть целым. Дробь является целым числом тогда и только тогда, когда числитель делится на знаменатель. Делители числа 3: 1,3 –1, –3. Следовательно, для неизвестной возможны четыре случая: y = 0, y = 2, y = –2, y = –4. Теперь можно вычислить соответствующие значения неизвестной x. Итак, уравнение имеет ровно четыре целых решения: (–5;0), (–5;2), (1;–2), (1;–4).
и т.д. Фактически, проводя эти преобразования, опирающиеся на чётность неизвестных, мы получаем следующие разложения: 
. Но величины n и k не ограничены, так как на любом шаге (со сколь угодно большим номером) будем получать уравнение, эквивалентное предыдущему. То есть, данный процесс не может прекратиться. Другими словами, числа x, y бесконечно много раз делятся на 2. Но это имеет место, только при условии, что x = y = 0. Итак, уравнение имеет ровно одно целое решение (0; 0).
, то есть 
Отсюда имеем следующие возможности для y: y = 0, y = 1, y = –1, y = 2, y = –2.
2х – 3 = 0
Решив эти уравнения, найдем, что данное уравнение третей степени имеет три корня.
Проверка решения уравнения проводится с помощью MathCAD
Проверка решения уравнения проводится с помощью MathCAD