Подготовка к школе
1 класс
2 класс
3 класс
4 класс
5 класс
6 класс
7 класс
8 класс
9 класс
10 класс
11 класс
ОГЭ
ЕГЭ
Для всех
Назад

Биквадратные уравнения: замена t = x² и число корней

Содержание

В уроке «Квадратные уравнения: повторение и замена переменной» вы решали уравнения заменой: нашли повторяющееся выражение, обозначили его буквой $t$, решили квадратное уравнение по $t$ и вернулись к $x$. Теперь применим этот прием к уравнениям вида $ax^4+bx^2+c=0$. Вы научитесь решать их, отбрасывать лишние значения $t$ и заранее определять, сколько у уравнения корней. Вопрос, на который ответим в конце урока: у квадратного уравнения не больше двух корней, а сколько корней может быть у уравнения $x^4-2x^2+c=0$ при разных значениях $c$?

Четвертая степень — это квадрат квадрата

Рассмотрим уравнение $x^4-20x^2+64=0$. В нем есть $x^4$ и $x^2$, а $x^3$ и $x$ в первой степени нет. Заметим, что $x^4=x^2\cdot x^2=(x^2)^2$. Значит, в уравнении дважды встречается одно и то же выражение — $x^2$: один раз в квадрате, другой раз в первой степени.

Обозначим это выражение буквой: пусть $t=x^2$. Тогда $x^4=t^2$, и уравнение превращается в квадратное: $t^2-20t+64=0$. Мы спустились со ступени «степень 4» на ступень «степень 2», которую уже умеем проходить по формуле корней.

Лестница степеней: уравнение x в четвертой минус 20 x в квадрате плюс 64 равно нулю спуском t равно x в квадрате, t не меньше нуля, сводится к t в квадрате минус 20t плюс 64 равно нулю. Таможня: t не меньше нуля. Значения t равны 4 и 16, подъем x в квадрате равно t дает x равно плюс-минус 2 и плюс-минус 4
Замена t = x² спускает уравнение четвертой степени на ступень квадратного; после решения поднимаемся обратно к x

Определение

Биквадратное уравнение — уравнение вида $$ax^4+bx^2+c=0,$$ где $x$ — переменная, $a$, $b$, $c$ — числа и $a\ne0$. Приставка «би» означает «дважды»: $x^4$ — квадрат квадрата.

Главный признак — в уравнении только четные степени $x^4$ и $x^2$ и число. Коэффициенты $b$ и $c$ могут равняться нулю: $x^4-9x^2=0$ и $x^4-16=0$ тоже биквадратные. А уравнения $x^4-3x^3+2=0$ и $x^4-5x+4=0$ — нет: $x^3$ и $x$ через $x^2$ не выражаются, и замена $t=x^2$ их не упростит.

Новая переменная не бывает отрицательной

Буква $t$ здесь не любое число: $t$ — это квадрат. Возведем в квадрат несколько чисел: $3^2=9$, $(-3)^2=9$, $0^2=0$, $(-0{,}5)^2=0{,}25$. Ни разу не получилось отрицательное число и не получится никогда: произведение двух чисел одного знака положительно, а $0\cdot0=0$.

Поэтому на числовой оси для $t$ разрешена только правая половина вместе с нулем. Левая половина закрыта: там $t$ не может оказаться, какое бы $x$ мы ни взяли. Это «таможня» на спуске по лестнице: каждое найденное значение $t$ проверяем, прежде чем подниматься к $x$.

Числовая ось значений t от минус 6 до 10. Левая половина, где t меньше нуля, закрашена красной штриховкой: здесь t не бывает. Правая половина со значением t равным x в квадрате, не меньше нуля. Числа x равные 3 и минус 3 попадают в одну точку t равную 9, число 0 в точку 0, число минус 0,5 в точку 0,25. На нуле таможня
t = x² ≥ 0: значения t слева от нуля не дают ни одного x

Правило

Чтобы решить биквадратное уравнение $ax^4+bx^2+c=0$:

  1. Введите замену: пусть $t=x^2$, $t\ge0$.
  2. Решите квадратное уравнение $at^2+bt+c=0$.
  3. Отберите значения $t\ge0$, отрицательные отбросьте.
  4. Для каждого отобранного $t$ решите уравнение $x^2=t$ и запишите ответ — значения $x$, а не $t$.

Пример

Решите уравнение $x^4-20x^2+64=0$.

Решение. Пусть $t=x^2$, $t\ge0$. Получаем $t^2-20t+64=0$.

$D=(-20)^2-4\cdot64=400-256=144$, $t_{1,2}=\frac{20\pm12}{2}$, $t_1=4$, $t_2=16$.

Оба значения неотрицательны — проходят. Возвращаемся к $x$: $x^2=4$, $x=\pm2$; $x^2=16$, $x=\pm4$.

Проверка для $x=2$: $16-80+64=0$. Для $x=-2$ получится то же самое, ведь в уравнении только четные степени.

Ответ: $-4;\ -2;\ 2;\ 4$.

От значения t обратно к x

Посмотрим, что дает подъем к $x$ при разных $t$. Если $t=7$, то $x^2=7$ и $x=\pm\sqrt7$ — два корня. Если $t=0$, то $x^2=0$ и корень один: $x=0$, ведь $+0$ и $-0$ — одно и то же число. Если $t=-3$, то уравнение $x^2=-3$ корней не имеет: квадрат не бывает отрицательным.

Значение tУравнение для xКорни xСколько
$t>0$, например $7$$x^2=7$$-\sqrt7$ и $\sqrt7$два
$t=0$$x^2=0$$0$один
$t<0$, например $-3$$x^2=-3$нетни одного

Правило

Уравнение $x^2=t$:

  • при $t>0$ имеет два корня $$x=\sqrt t\ \text{и}\ x=-\sqrt t;$$
  • при $t=0$ — один корень $x=0$;
  • при $t<0$ — ни одного корня.

Важно

Положительное $t$ всегда дает пару корней с разными знаками. Если записать только $x=\sqrt t$, половина корней потеряется: из $x^2=7$ получается и $\sqrt7$, и $-\sqrt7$.

Пример

Решите уравнение $x^4+6x^2-27=0$.

Решение. Пусть $t=x^2$, $t\ge0$: $t^2+6t-27=0$. $D=36+108=144$, $t_{1,2}=\frac{-6\pm12}{2}$, $t_1=-9$, $t_2=3$.

Значение $t_1=-9$ не проходит таможню: $x^2=-9$ корней не имеет. Значение $t_2=3$ дает $x=\pm\sqrt3$.

Ответ: $-\sqrt3;\ \sqrt3$.

Ошибка

Вообразавр решает уравнение $x^4-x^2-20=0$. Пусть $t=x^2$: $t^2-t-20=0$, $t_1=-4$, $t_2=5$. Дальше он пишет: «$x^2=-4$, значит, $x=\pm2$; $x^2=5$, значит, $x=\pm\sqrt5$. Четыре корня».

Проверим на числах. Подставим $x=2$: $2^4-2^2-20=16-4-20=-8\ne0$. Число $2$ — не корень.

Где сломалось рассуждение. Квадрат числа $2$ равен $4$, а не $-4$. Значение $t=-4$ лежит в закрытой половине оси, его надо было отбросить на третьем шаге правила. Верный ответ: $-\sqrt5;\ \sqrt5$.

Слева график y равно t в квадрате минус t минус 20 с корнями t равно минус 4 в красном поле t меньше нуля и t равно 5. Справа подъем x в квадрате равно t: из t равного 5 получаем x равно плюс-минус корень из 5, это ответ; из t равного минус 4 нельзя получить x равно плюс-минус 2, проверка: 2 в четвертой минус 2 в квадрате минус 20 равно минус 8, не нуль
t = −4 лежит в запретной половине оси: из него нельзя получить x = ±2, остается только пара ±√5

Сколько корней может быть: от нуля до четырех

У квадратного уравнения по $t$ не больше двух корней, и каждое значение $t$ дает не больше двух корней $x$. Поэтому у биквадратного уравнения не больше четырех корней. Сколько их на самом деле, решает таможня: важно, где на оси $t$ лежат корни уравнения $at^2+bt+c=0$.

Нарисуем параболу $y=t^2+bt+c$ в осях $t$ и $y$. Ее точки пересечения с осью $t$ — это значения $t$. На рисунке три случая: оба корня справа от нуля, один слева и один справа, оба слева.

Три расположения корней по t. Корни t равные 2 и 9 справа от нуля дают четыре корня плюс-минус корень из 2 и плюс-минус 3. Корни минус 6 и 5: левый в запретной зоне, правый дает два корня плюс-минус корень из 5. Корни минус 5 и минус 2 оба слева от нуля: корней нет
Каждый корень t справа от нуля дает два x, слева — ни одного: 4, 2 или 0 корней
Корни уравнения по tКорни уравнения по xСколько
два разных положительныхдве пары $\pm\sqrt{t_1}$, $\pm\sqrt{t_2}$четыре
$t=0$ и положительное$0$ и пара $\pm\sqrt t$три
одно положительное и одно отрицательноеодна пара $\pm\sqrt t$два
одно положительное ($D=0$)одна пара $\pm\sqrt t$два
$t=0$ и отрицательное (или $t=0$ при $D=0$)$0$один
оба отрицательные или $D<0$нетни одного

Знаки корней по $t$ часто видны без вычислений — по теореме Виета (урок «Теорема Виета»). Для уравнения $t^2+bt+c=0$ произведение корней $t_1t_2=c$, сумма $t_1+t_2=-b$. Если $c<0$, корни разных знаков: один проходит таможню, другой нет, и у биквадратного уравнения ровно два корня. Если $c>0$ и $b<0$, а $D>0$, оба корня положительны — корней четыре.

Задача

Не решая уравнений до конца, определите, сколько корней у каждого: а) $x^4-11x^2+18=0$; б) $x^4+x^2-30=0$.

Решение. а) $t^2-11t+18=0$: $D=121-72=49>0$; $t_1t_2=18>0$ и $t_1+t_2=11>0$, значит, оба корня положительны. Корней четыре (это $\pm\sqrt2$ и $\pm3$).

б) $t^2+t-30=0$: $t_1t_2=-30<0$, корни разных знаков. Проходит только положительный, корней два (это $\pm\sqrt5$).

Ответ: а) четыре; б) два.

Когда корней нет и когда корень равен нулю

Уравнение $x^4+7x^2+10=0$ корней не имеет. По замене: $t^2+7t+10=0$, $t_1=-5$, $t_2=-2$ — оба значения в закрытой половине оси. Это видно и сразу: $x^4\ge0$ и $x^2\ge0$, поэтому левая часть не меньше $10$ и нулю не равна. Когда все коэффициенты положительны, корней нет.

Если $c=0$, удобнее не вводить замену, а вынести $x^2$ за скобки. Значение $t=0$ лежит на самой границе таможни и дает один корень $x=0$.

УравнениеРешениеОтвет
$x^4+7x^2+10=0$$t_1=-5$, $t_2=-2$ — оба отрицательныекорней нет
$x^4-9x^2=0$$x^2(x^2-9)=0$: $x^2=0$ или $x^2=9$$-3;\ 0;\ 3$
$x^4+5x^2=0$$x^2(x^2+5)=0$: $x^2=0$, а $x^2=-5$ корней не дает$0$

Обратите внимание

Не делите обе части уравнения $x^4-9x^2=0$ на $x^2$. Получится $x^2-9=0$, и корень $x=0$ пропадет: делить на выражение, которое может равняться нулю, нельзя. Подробнее об этой ловушке — в уроке «Уравнения 3-й и 4-й степени».

Корни видны на графике

Вернемся к вопросу из начала урока: сколько корней у уравнения $x^4-2x^2+c=0$? Корни — это точки, где график функции $y=x^4-2x^2+c$ пересекает ось $Ox$. Перенесем $c$ вправо: $x^4-2x^2=-c$. Теперь нужно понять, сколько раз график $y=x^4-2x^2$ пересекает горизонтальную прямую $y=-c$.

Построим график по точкам: $x=0$ дает $y=0$; $x=\pm1$ дает $y=1-2=-1$; $x=\pm\sqrt2$ дает $y=4-4=0$; $x=\pm2$ дает $y=16-8=8$. График похож на букву W: две ямки глубиной $-1$ при $x=\pm1$ и горка высотой $0$ при $x=0$. Он симметричен относительно оси $Oy$ — вот почему корни идут парами $\pm x$.

График y равно x в четвертой минус 2 x в квадрате и пять горизонтальных пунктирных прямых. Прямая y равно 3 пересекает график дважды, y равно 0 трижды, y равно минус 0,5 четырежды, y равно минус 1 касается в двух точках, y равно минус 1,5 не пересекает. Число пересечений равно числу корней уравнения x в четвертой минус 2 x в квадрате плюс c равно нулю
Прямая y = −c пересекает W-образный график 0, 2, 3 или 4 раза — столько корней у уравнения x⁴ − 2x² + c = 0

Пример

Сколько корней у уравнения $x^4-2x^2+c=0$ при разных $c$?

Решение. Ведем прямую $y=-c$ снизу вверх.

  • $c>1$: прямая ниже ямок, корней нет. Например, $c=2$: $t^2-2t+2=0$, $D=-4<0$.
  • $c=1$: прямая касается дна ямок, корни $\pm1$ — два. По $t$: $t^2-2t+1=0$, $t=1$.
  • $0<c<1$: прямая пересекает обе ямки, корней четыре.
  • $c=0$: прямая проходит через вершину горки, корни $-\sqrt2$, $0$, $\sqrt2$ — три. По $t$: $t=0$ и $t=2$.
  • $c<0$: прямая выше горки, корней два. Например, $c=-3$: $t_1=-1$ не проходит, $t_2=3$ дает $\pm\sqrt3$.

Ответ: при $c>1$ корней нет; при $c=1$ и при $c<0$ — два; при $0<c<1$ — четыре; при $c=0$ — три.

Каждый случай на графике совпадает с таможней на оси $t$: ямки пересекаются, когда оба значения $t$ положительны; прямая через горку — это $t=0$; прямая выше горки — одно из значений $t$ отрицательно. В интерактиве меняйте $b$ и $c$ и следите, как парабола по $t$ и график по $x$ меняются вместе.

Повышенная сложность: уравнение $x^4=(x+6)^2$

Скрыть

Запишем $x^4=(x^2)^2$. Равенство $(x^2)^2=(x+6)^2$ означает, что числа $x^2$ и $x+6$ равны или противоположны: $A^2=B^2$ верно, когда $A=B$ или $A=-B$.

Первый случай: $x^2=x+6$, $x^2-x-6=0$, $x=-2$ или $x=3$. Второй случай: $x^2=-(x+6)$, $x^2+x+6=0$, $D=1-24<0$, корней нет.

Ответ: $-2;\ 3$. Если взять только знак «плюс», половина случаев будет потеряна.

Вывод

Биквадратные уравнения встречаются в ОГЭ (задания 9 и 20), а прием «спуститься на ступень ниже и вернуться» понадобится в уравнениях третьей и четвертой степени и в дробных уравнениях. Главное в уроке — лестница с таможней:

Часто задаваемые вопросы

Почему замена именно t = x², а не t = x⁴?

Потому что $x^4=(x^2)^2$: при $t=x^2$ оба слагаемых с $x$ выражаются через $t$, и получается квадратное уравнение $at^2+bt+c=0$. При $t=x^4$ слагаемое $x^2$ пришлось бы записать как $\sqrt t$, и уравнение не стало бы проще.

Можно ли решить биквадратное уравнение без замены?

Можно разложить левую часть на множители: $x^4-20x^2+64=(x^2-4)(x^2-16)$. Но чтобы найти такое разложение, нужны корни $t=4$ и $t=16$, то есть та же замена. Замена — самый короткий путь, а разложение пригодится для проверки.

Как быстро проверить ответ?

Корни биквадратного уравнения идут парами: если $x$ — корень, то и $-x$ — корень, ведь $x^4$ и $x^2$ не меняются при смене знака. Поэтому достаточно подставить одно число из каждой пары. Если в ответе нечетное число корней, среди них обязательно есть $0$.

Что делать, если коэффициент a не равен 1?

Ничего нового: замена та же, а квадратное уравнение решается по общей формуле (урок «Формула корней квадратного уравнения. Дискриминант»). Например, $4x^4-5x^2+1=0$ дает $4t^2-5t+1=0$, $t=\frac14$ и $t=1$, корни $\pm\frac12$ и $\pm1$.

Чем этот урок отличается от урока про уравнения, приводимые к квадратным?

В уроке «Уравнения, приводимые к квадратным» биквадратные уравнения — один из нескольких видов. Здесь разобрано, почему отрицательное $t$ не дает корней и как узнать число корней заранее, по знакам $t$ и по графику.

Награды за урок
5
5
1
Количество опыта, полученного за урок 5
Ускорьте прогресс с полным доступом

Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.

  • Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
  • Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
  • Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Не потеряйте прогресс!

Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:

  • Отслеживайте прогресс освоения тем
  • Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
  • Проводите работу над ошибками после занятий

Проверим знания по теме?

Пройти тест
Спросить Зави Спросить Зави
Получить ещё подсказку

Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

Верно! Посмотрите пошаговое решение

Предложить улучшение