Как решать кубические уравнения

Здесь мы рассматриваем решение кубических уравнений вида
(1) .
Далее считаем, что – это действительные числа.

Если исходное уравнение имеет вид:
(2) ,
то разделив его на , получаем уравнение вида (1) с коэффициентами
.

Уравнение (1) имеет три корня: , и . Один из корней всегда действительный. Действительный корень мы обозначаем как . Корни и могут быть либо действительными, либо комплексно сопряженными. Действительные корни могут быть кратными. Например, если , то и – это двукратные корни (или корни кратности 2), а – простой корень.

Если известен один корень

Пусть нам известен один корень кубического уравнения (1). Обозначим известный корень как . Тогда разделив уравнение (1) на , получим квадратное уравнение. Решая квадратное уравнение, найдем еще два корня и .

Для доказательства воспользуемся тем, что кубический многочлен можно представить в виде:
.
Тогда, разделив (1) на , получаем квадратное уравнение.

Примеры деления многочленов представлены на странице
“Деление и умножение многочлена на многочлен уголком и столбиком”.
Решение квадратных уравнений рассмотрено на странице
“Корни квадратного уравнения”.

Если один из корней – целый

Если исходное уравнение имеет вид:
(2) ,
и его коэффициенты , , , – целые числа, то можно попытаться найти целый корень. Если это уравнение имеет целый корень, то он является делителем коэффициента . Метод поиска целых корней заключается в том, что мы находим все делители числа и проверяем, выполняется ли для них уравнение (2). Если уравнение (2) выполняется, то мы нашли его корень. Обозначим его как . Далее делим уравнение (2) на . Получаем квадратное уравнение. Решая его, находим еще два корня.

Поиск рациональных корней

Если в уравнении (2) , , , – целые числа, причем , и целых корней нет, то можно попытаться найти рациональные корни, то есть корни вида , где и – целые.

Для этого умножим уравнение (2) на и сделаем подстановку :
;
(3) .
Далее ищем целые корни уравнения (3) среди делителей свободного члена .

Если мы нашли целый корень уравнения (3), то, возвращаясь к переменной , получаем рациональный корень уравнения (2):
.

Формулы Кардано и Виета для решения кубического уравнения

Если нам не известен ни один корень, и целых корней нет, то найти корни кубического уравнения можно по формулам Кардано.

Рассмотрим кубическое уравнение:
(1) .
Сделаем подстановку:
.
После этого уравнение приводится к неполному или приведенному виду:
(4) ,
где
(5) ; .

Формула Кардано для неполного (приведенного) кубического уравнения имеет вид:
;
;
;
;
.
По формуле Кардано, мы находим три корня величины . Затем, используя формулу , находим значения величины .

После разделения кубических корней величины , формула Кардано принимает следующий вид:
(6) , ,
где
(7) ; ; ;
(8) .

При , для и нужно выбирать действительные корни, которые автоматически связаны соотношением . При этом мы получим одно действительное решение и два комплексно сопряженных и .

При имеем:
; ; .
В этом случае мы имеем два кратных действительных корня. Если , то мы имеем три кратных корня.

При мы имеем три действительных корня. При этом и – комплексные. Поэтому решение приводится к тригонометрической форме, которая имеет название формулы Виета:
(9) ;
(10) ,
где
(11) ; .

Примеры решений по формулам Кардано и Виета

Решить кубические уравнения:
;
.

Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.
Г. Корн, Справочник по математике для научных работников и инженеров, 2012.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 30-04-2016 Изменено: 02-10-2016

ПЕРВУШКИН БОРИС НИКОЛАЕВИЧ

ЧОУ «Санкт-Петербургская Школа «Тет-а-Тет»

Учитель Математики Высшей категории

Как решать кубические уравнения

3 метода: Решение при помощи формулы для решения квадратного уравнения. Нахождение целых решений при помощи разложения на множители. Использование дискриминанта.

Кубические уравнения имеют вид ax 3 + bx 2 + cx + d = 0. Способ решения таких уравнений известен уже несколько столетий (он был открыт в 16 веке итальянскими математиками). Решить некоторые кубические уравнения довольно сложно, но при правильном подходе (и хорошем уровне теоретических знаний) вы сможете решать даже самые сложные кубические уравнения.

Метод 1 из 3: Решение при помощи формулы для решения квадратного уравнения

1. Проверьте, имеет ли данное вам кубическое уравнение свободный член. Как отмечалось выше, кубические уравнения имеют вид ax 3 + bx 2 + cx + d = 0, где коэффициенты «b», «с» и «d» могут быть равны 0, то есть кубическое уравнение может состоять только из одного члена (с переменной в третьей степени). Сначала проверьте, имеет ли данное вам кубическое уравнение свободный член, то есть «d». Если свободного члена нет, вы можете решить данное кубическое уравнение при помощи формулы для решения квадратного уравнения.

Если свободный член есть, используйте другой метод решения (смотрите следующие разделы).

2. Так как в данном уравнении свободного члена нет, то все члены этого уравнения содержат переменную «х», которую можно вынести за скобки: x ( ax 2 + bx + c ).

Пример. 3 x 3 + -2 x 2 + 14 x = 0. Если вынести «х» за скобки, вы получите x (3 x 2 + -2 x + 14) = 0.

3. Обратите внимание, что уравнение в скобках – это квадратное уравнение вида ax 2 + bx + c, которое можно решить при помощи формулы ( <-b +/-√ ( b 2 — 4 ac )>/2 a ). Решите квадратное уравнение, и вы решите кубическое уравнение.

В нашем примере подставьте значения коэффициентов «а», «b», «с» (3, -2, 14) в формулу:

4. Помните, что квадратные уравнения имеют два решения, а кубические – три решения. Вы нашли два решения квадратного, а следовательно и кубического уравнения. В случаях, когда вы выносите «х» за скобки, третье решение всегда равно 0.

Это верно, так как любое число или выражение, умноженное на 0, равно 0. Так как вы вынесли «х» за скобки, то вы разложили кубическое уравнение на два множителя («х» и квадратное уравнение), один из которых должен быть равен 0, чтобы все уравнение равнялось 0.

Метод 2 из 3: Нахождение целых решений при помощи разложения на множители

1. Проверьте, имеет ли данное вам кубическое уравнение свободный член. Описанный в предыдущем разделе метод не годится для решения кубических уравнений, в которых присутствует свободный член. В этом случае вам придется воспользоваться методом, который описан в этом или следующем разделах.

Пример. 2 x 3 + 9 x 2 + 13 x = -6. Здесь перенесите свободный член d = -6 на левую сторону уравнения, чтобы на правой стороне получить 0: 2 x 3 + 9 x 2 + 13 x + 6 = 0.

2. Найдите множители коэффициента «а» (коэффициент при x 3 ) и свободного члена «d». Множители числа – это числа, которые при перемножении дают исходное число. Например, множителями числа 6 являются числа 1, 2, 3, 6 (1*6 = 6 и 2*3 = 6).

В нашем примере а = 2 и d = 6 . Множители 2 – это числа 1 и 2. Множители 6 – это числа 1, 2, 3 и 6.

3. Разделите множители коэффициента «а» на множители свободного члена «d». Вы получите дроби и целые числа. Целым решением данного вам кубического уравнения будет либо одно из этих целых чисел, либо отрицательное значение одного из этих целых чисел.

В нашем примере разделите множители «а» (1, 2) на множители «d» (1, 2, 3, 6) и получите: 1, 1/2, 1/3, 1/6, 2, 2/3. Теперь добавьте к этому ряду чисел их отрицательные значения: 1, -1, 1/2, -1/2, 1/3, -1/3, 1/6, -1/6, 2, -2, 2/3, -2/3. Целые решения данного вам кубического уравнения находятся в этом ряду чисел.

4. Теперь вы можете найти целые решения вашего кубического уравнения, подставив в него целые числа из найденного ряда чисел. Но если вы не хотите тратить время на это, воспользуйтесь делением по схеме Горнера . Такая схема подразумевает деление целых чисел на значения «а», «b», «с», «d» данного кубического уравнения. Если остаток равен 0, целое число является одним из решений кубического уравнения.

Деление по схеме Горнера – непростая тема; для получения дополнительной информации по ней перейдите по ссылке, указанной выше. Вот пример того, как найти одно из решений данного вам кубического уравнения при помощи деления по схеме Горнера:

__| 2 7 6 0

Так как остаток 0, то одним из решений уравнения является целое число -1.

Метод 3 из 3: Использование дискриминанта

1. В этом методе вы будете работать со значениями коэффициентов «а», «b», «с», «d». Поэтому лучше выписать значения этих коэффициентов заранее.

Пример. x 3 — 3 x 2 + 3 x — 1. Здесь a = 1, b = -3, c = 3, d = -1. Не забывайте, что когда перед «х» коэффициента нет, то это значит, что коэффициент равен 1.

2. Вычислите Δ0 = b 2 — 3 ac . В этом методе потребуется провести несколько сложных вычислений, но если вы уясните его, вы сможете решать самые сложные кубические уравнения.

В нашем примере:

9 — 9 = 0 = Δ0

3. Вычислите Δ 1= 2 b 3 — 9 abc + 27 a 2 d .

В нашем примере:

2(-3) 3 — 9(1)(-3)(3) + 27(1) 2 (-1)

81 — 81 = 0 = Δ1

4. Вычислите Δ = Δ1 2 — 4Δ0 3 ) ÷ -27 a 2 . Теперь вычислите дискриминант уравнения при помощи найденных значений Δ0 и Δ1. Дискриминант – это число, дающее вам информацию о корнях многочлена (вы, возможно, уже знаете, что дискриминант квадратного уравнения равен b 2 — 4 ac ). В случае кубического уравнения, если дискриминант положительный, то уравнение имеет три решения; если дискриминант равен нулю, то уравнение имеет одно или два решения; если дискриминант отрицательный, то уравнение имеет только одно решение. Кубическое уравнение всегда имеет по крайней мере одно решение, потому что график такого уравнения пересекает ось X по крайней мере в одной точке.

В нашем примере Δ0 = 0 и Δ1 = 0, поэтому найти Δ не составит труда.

Δ1 2 — 4Δ0 3 ) ÷ -27 a 2

(0) 2 — 4(0) 3 ) ÷ -27(1) 2

0 = Δ, поэтому данное вам уравнение имеет одно или два решения.

5. Вычислите C = 3 √(√((Δ1 2 — 4Δ0 3 ) + Δ1)/ 2). Эта величина позволит вам найти корни кубического уравнения.

В нашем примере:

3 √(√((Δ1 2 — 4Δ0 3 ) + Δ1)/ 2)

3 √(√((0 2 — 4(0) 3 ) + (0))/ 2)

6. Корни (решения) кубического уравнения вычисляются по формуле ( b + u n C + (Δ0/ u n C )) / 3 a , где u = (-1 + √(-3))/2, а n равно либо 1, либо 2, либо 3.

Если подставить в эту формулу соответствующие значения величин, вы получите возможные решения данного вам кубического уравнения. Подставьте их в исходное уравнение и если равенство соблюдено, то решения правильные. Например, если, подставив значения в формулу, вы получили 1, подставьте 1 в x 3 — 3 x 2 + 3 x — 1 и получите 0. То есть равенство соблюдено, и 1 является одним из решений данного вам кубического уравнения.

Что делать, если вам – например, на Профильном ЕГЭ по математике – встретилось не квадратное уравнение, а кубическое? Или даже уравнение четвертой степени? Ведь для уравнений третьей, четвертой и более высоких степеней нет таких простых формул, как для квадратного уравнения.

В этой статье – способы решения сложных алгебраических уравнений. Замена переменной, использование симметрии и даже деление многочлена на многочлен.

Вспомним основные понятия.

Корень уравнения – такое число, которое мы можем подставить вместо переменной в уравнение и получить истинное равенство.

Например, число 3 – корень уравнения 2x = 6.

Решить уравнение – значит найти его корни или доказать, что их нет.

Равносильными называются уравнения, множества решений которых совпадают. Другими словами, у них одни и те же корни.

Например, уравнения и равносильны. Их корни совпадают: или

Замена переменной – ключ к решению многих задач.

Если приводить обе части к одному знаменателю, получим уравнение четвертой степени. Вряд ли мы с ним справимся.

Сделаем замену Тогда

С новой переменной уравнение стало проще:

Умножим обе части на 10t. Получим квадратное уравнение:

Корни этого уравнения: или

Вернемся к переменной

Дискриминант этого уравнения отрицателен, корней нет.

Если , то Получим квадратное уравнение для :

У этого уравнения два корня: или Это ответ.

Не будем спешить раскрывать скобки. Ведь раскрыв их, мы получили бы уравнение четвертной степени.

Посмотрим на уравнение внимательно.

На координатной прямой точки 1; 3; –5; –7 расположены симметрично относительно точки

Сделаем замену , тогда .

Мы выразили все «скобки», то есть все множители, через новую переменную. Вот что это дает:

И еще одна замена: .

Обычное квадратное уравнение. Замечательно!

Подберем его корни по теореме Виета. Заметим, что

Если , то нет решений.

Если , то Тогда или

Дальше – еще интереснее.

3. Решите уравнение

Сделаем замену . То, что в правой части в скобках, заменили на новую переменную.

Получили квадратное уравнение:

Следующее уравнение решим с помощью группировки слагаемых.

4. Решите уравнение

Разложим левую часть уравнения на множители. Сгруппируем слагаемые:

Первые два слагаемых – сумма кубов. Применим формулу: . Получим:

Произведение двух (или нескольких) множителей равно нулю тогда и только тогда, когда хотя бы один из них равен нулю.

Записывается это так:

У нас появилось новое обозначение: — знак совокупности.

Такой знак означает «или».

Запись читается как « или или ».

Решая уравнения и особенно неравенства, мы будем постоянно пользоваться знаками системы и совокупности. Мы записываем решения в виде цепочки равносильных переходов. Для сложных уравнений и неравенств это единственный способ прийти к ответу и не запутаться.

5. Решите уравнение

Разложить левую часть на множители с первой попытки не удается.

Оказывается, если уравнение третьей (четвертой, пятой…) степени имеет целые корни, то находятся они среди делителей свободного члена (слагаемого, не содержащего x). В данном случае – среди целых делителей числа 24.

Выпишем целые делители числа 24:

1; –1; 2; –2; 3; –3; 4; –4; 6; –6; 8; –8; 12; –12; 24; –24

Подставляя их по очереди в уравнение, при получаем верное равенство:

Это значит, что левую часть уравнения можно разложить на множители:

Чтобы найти , поделим выражение на . В столбик. Так же, как мы делим друг на друга числа.

Немного непривычно, да? Потренируйтесь – у вас получится!

6. Решите уравнение

А если сделать замену ?

Получаем квадратное уравнение: . Удачная замена!

Если , то , нет решений.

7. Решите уравнение

Разложить на множители? Но как? И замена не видна сразу. Посмотрим на уравнение внимательно. Его коэффициенты: 1, — 5, 4, — 5, 1.

Такое уравнение называется симметрическим.

Разделим обе его части на . Мы можем это сделать, поскольку не является корнем нашего уравнения.

Онлайн калькулятор для подробного решения кубических уравнений

Решение кубического уравнения (уравнения третьего порядка) на нашем сайте производится по методу Виета-Кардано. С помощью ряда формул находятся кубические корни x₁, x₂ и x₃. При вычислении результатов корни могут получиться вещественными или комплексными в зависимости от значения S.

Кубическое уравнение имеет вид ax 3 + bx 2 + cx + d = 0, где
a, b ,c, d – некоторые числа, причём a не равно нулю (a ≠ 0).

x 3 + x 2 + x + = 0 Решить

Как решить кубическое уравнение?

Последовательность решения кубического уравнения вида x 3 +a·x 2 +b·x+c=0:
(воспользуемся тригонометрической формулой Виета)

1. Для начала необходимо вычислить значения Q, R, S по формулам:
Q = (a 2 — 3 · b) / 9
R = (2 · a 3 — 9 · a · b + 27 · c) / 54
S = Q 3 — R 2

Если S > 0, то уравнение будет иметь три действительных корня.

2. Вычисляем параметр φ:
φ = (1 / 3) · arccos (R / √ Q 3 )

3. Находим корни кубического уравнения по формулам:
x₁ = -2 · √ Q · cos (φ) — a / 3,
x₂ = -2 · √ Q · cos (φ + 2 · π / 3) — a / 3,
x₃ = -2 · √ Q · cos (φ — 2 · π / 3) — a / 3,

4. Если получится S 0 уравнение будет иметь один действительный и два комплексных корня, а при Q of your page —>

Решения кубических уравнений с вещественными коэффициентами. Универсальные методы.

Кубическим уравнением называется уравнение вида

ax 3 + bx 2 + cx +d = 0 , (1)

где a, b,c ,d — постоянные коэффициенты, а х — переменная.

Мы рассмотрим случай, когда коэффициенты являются веществеными числами.

Корни кубического уравнения.

Число х называется корнем кубического уравнения (1), если при его подстановке уравнение (1) обращается в верное равенство.

Кубическое уравнение имеет не более трех корней (над комплексным полем всегда три корня, с учетом кратности) . И всегда имеет хотя бы 1 (вещественный) корень. Все возможные случаи состава корней легко определить с помощью знака дискриминанта кубического уравнения, т.е.:

Итак, возможны только 3 следующих случая:

• Δ > 0 — тогда уравнение имеет 3 различных корня. (Для продвинутых — три различных вещественных корня)
• Δ 3 + py + q = 0 (2)

К такому виду можно привести любое кубическое уравнение вида (1) с помощью следующей замены:

p= — b 2 /3a 2 + c/a

q= 2b 3 /27a 3 — bc/3a 2 + d/a

Итак, приступим к вычислению корней. Найдем следующие величины:

α = (-q/2 + Q 1/2 ) 1/3

Дискриминант уравнения (2) в этом случае равен

Дискриминант исходного уравнения (1) будет иметь тот же знак , что и вышеуказанный дискриминант. Корни уравнения (2) выражаются следующим образом:

y₂= — (α + β)/2 + (3 1/2 (α — β)/2)i

Соответственно, если Q>0, то уравнения (2) и (1) будут иметь лишь 1 (вещественный) корень, y₁. Подставим его в (3) и найдем х для уравнения (1). (если вас интересуют также мнимые корни, то просто вычислите еще и y₂, y₃ и подставьте их в (3).

Если Q 3 + ax 2 + bx +c = 0 (4)

Очевидно, любое уравнение вида (1) можно привести к виду (4), просто поделив его на коэффициент а.

Итак, алгоритм применения этой формулы:

3. a) Если S>0, то вычисляем

И наше уравнение имеет 3 корня (вещественных):

Кубическим называется уравнение:

Это уравнение с помощью формулы x = z — а/3 можно привести к виду:

Корни кубического уравнения вычисляются по формуле z = u+v (формула Кардане)

Все три корня уравнения определяются следующими формулами:

где u1 — любое из трех значений и, определяемых первой из формул, v1 — то из трех значений v, которое соответствует u на основании равенства

Дискриминантом кубического уравнения называется выражение

Из уравнения при D 0 — три различных действительных корня.

Замечание. Третий случай ( D > 0 ) называется неприводимым. В этом случае все корни уравнения с действительными коэффициентами являются действительными, однако для нахождения их по формуле z = … следует извлекать кубические корни из комплексных чисел.

Формула называется формулой Кардане. Правило, соответствующее этой формуле, впервые опубликовано в книге итальянского ученого Д. Кардане «Великое искусство или о правилах алгебры» (1545). Это правило решения кубического уравнения было получено ранее (1535) другим итальянским математиком Н. Тартальей.

Пример решения кубического уравнения смотрите ниже

Уравнение представляет собой равенство, содержащее букву, значение которой нужно найти. Для обозначение неизвестных чисел наиболее часто пользуются буквами х, у, z. Кубическое уравнение — уравнение 3-го порядка вида: ax 3 + bx 2 + cx + d = 0, где a не равно 0.

Решить уравнение означает найти такие значения числа х, подстановка которых в уравнение дает верное равенство. Число х будет корнем уравнения.
В кубическом уравнении 3 корня, которые могут быть как вещественными, так и комплексными. Как минимум один из них является действительным корнем.

Простейшим случаем таких уравнений является двучленное кубическое уравнение вида Ах 3 + В = 0. Для решения такого уравнения необходимо:

1. разделить уравнение на коэффициент А, не равный 0, получим: х 3 + В/А = 0
2. применить формулу сокращенного умножения суммы кубов, получим: .
В первой скобке получим корень х, равный: .
Во второй скобке получим квадратный трехчлен с комплексными корнями: .

Уравнение вида Ах 3 + Вх 2 + Вх + А = 0 называется возвратным кубическим уравнением, А и В — коэффициенты.

Для решения возвратного уравнения нужно произвести группировку, после чего получим:
В первой скобке получим корень, равный -1. Во второй скобке у нас квадратный трехчлен Ах 2 + х (В — А) + А. Для решения квадратного трехчлена определяем дискриминант, а затем находим его корни.

Кубические уравнения с рациональными корнями

Пусть х, равное 0, будет корнем уравнения Ах 3 + Вх 2 + Сх + D = 0, тогда свободный член D будет равен 0, а уравнение примет вид: Ах 3 + Вх 2 + Сх = 0.

Выносим х за скобки, получаем уравнение: х (Ах 2 + Вх + С) = 0. Корни полученного квадратного трехчлена находим через дискриминант.

Найти корни кубического уравнения можно по формуле Кардано

Пусть дано уравнение А₀х 3 + А₁х 2 + А₂х + А₃ = 0.

Разделим все коэффициенты на А₀, получим: В₁ = А₁ / А₀, В₂ = А₂ / А₀, В₃ = А₃ / А₀, затем находим значение р и q: .

Полученные значения р и q подставляем в формулу Кардано: .

Выбираем значение кубических корней, чтобы их произведение равнялось — р / 3. Корни исходного уравнения будут равняться: х = у — В₁ / 3.

Быстро найти корни кубического уравнения вы можете при помощи онлайн калькулятора.