Биквадратные уравнения: замена t = x² и число корней
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.
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 $x$.
Правило
Чтобы решить биквадратное уравнение $ax^4+bx^2+c=0$:
- Введите замену: пусть $t=x^2$, $t\ge0$.
- Решите квадратное уравнение $at^2+bt+c=0$.
- Отберите значения $t\ge0$, отрицательные отбросьте.
- 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 t | Уравнение для x | Корни x | Сколько |
|---|---|---|---|
| $t>0$, например $7$ | $x^2=7$ | $-\sqrt7$ и $\sqrt7$ | два |
| $t=0$ | $x^2=0$ | $0$ | один |
| $t<0$, например $-3$ | $x^2=-3$ | нет | ни 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: $-\sqrt5;\ \sqrt5$.
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.
| Корни уравнения по t | Корни уравнения по x | Сколько |
|---|---|---|
| два разных положительных | две 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 отрицательное | одна 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 $D<0$ | нет | ни 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 $x=0$.
| Уравнение | Решение | Ответ |
|---|---|---|
| $x^4+7x^2+10=0$ | $t_1=-5$, $t_2=-2$ — оба отрицательные | корней 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 $\pm x$.
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
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 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.
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 $0$.
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 $\pm1$.
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.
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.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий