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

Уравнения третьей и четвертой степени

Содержание

В уроке «Биквадратные уравнения» уравнение четвертой степени мы сводили к квадратному с помощью замены. Но так решаются не все уравнения высоких степеней. В этом уроке научимся решать уравнения третьей и четвертой степени разложением на множители: каждое такое уравнение мы будем сводить к уравнениям первой и второй степени и следить, чтобы не потерять ни одного корня. Что такое целое уравнение и его степень, рассказано в уроке «Целое уравнение и его корни».

Произведение равно нулю — ступень вниз

Начнем с вопроса, на который ответим в конце урока. На рисунке — график $y=x^4+x^3-4x^2-4x$. Он пересекает ось $x$ в четырех точках. В каждой из них $y=0$, то есть абсциссы этих точек — корни уравнения $x^4+x^3-4x^2-4x=0$. Рисунок не подписан числами: где именно лежат эти точки и как не пропустить ни одной?

График функции y равно x в четвертой плюс x в кубе минус 4 x в квадрате минус 4x пересекает ось x в четырех точках, над каждой стоит вопрос: где именно эти корни
График пересекает ось $x$ четыре раза: у уравнения $x^4+x^3-4x^2-4x=0$ четыре корня

Формулы для корней уравнения четвертой степени в школе не изучают. Поэтому будем действовать иначе: спускаться по лестнице степеней. Сложное уравнение заменим несколькими простыми — первой или второй степени, которые вы уже умеете решать.

Ступенькой вниз служит знакомое свойство. Найдем корни уравнения $(x-1)(x+2)(2x-5)=0$. Слева — произведение трех множителей. Если $x=1$, первый множитель равен нулю, и все произведение равно нулю. То же при $x=-2$ (второй множитель) и при $x=2{,}5$ (третий). При любом другом $x$ все три множителя отличны от нуля, и их произведение тоже не нуль.

Правило

Произведение равно нулю тогда и только тогда, когда хотя бы один из множителей равен нулю, а остальные при этом имеют смысл.

$$A\cdot B=0\ \Leftrightarrow\ A=0\ \text{или}\ B=0$$

Корни уравнения $A\cdot B=0$ — это все корни уравнения $A=0$ и все корни уравнения $B=0$ вместе.

Уравнение третьей степени $(x-1)(x+2)(2x-5)=0$ распалось на три уравнения первой степени. Если один из множителей квадратный, мы спускаемся на ступени первой и второй степени.

Лестница степеней для уравнения (x плюс 4) на (x в квадрате минус 3x минус 10) равно нулю. Множитель x плюс 4 сразу дает уравнение первой степени и корень минус 4. Множитель x в квадрате минус 3x минус 10 дает квадратное уравнение, а затем корни 5 и минус 2. Корни: минус 4, минус 2, 5
Уравнение третьей степени распадается на уравнения первой и второй степени: корни $-4$, $-2$ и $5$

Пример 1

Решите уравнение $(x+4)(x^2-3x-10)=0$.

Произведение равно нулю, значит, $x+4=0$ или $x^2-3x-10=0$.

Первое уравнение: $x=-4$.

Второе: $D=(-3)^2-4\cdot 1\cdot(-10)=49$, $x=\frac{3\pm7}{2}$, то есть $x=5$ или $x=-2$.

Ответ: $-4;\ -2;\ 5$.

Каждый корень уравнения — это нуль одного из множителей. Наоборот, множитель $(x-a)$ в разложении означает корень $a$. Например, у многочлена $x(x-a)(x-b)$ при любых числах $a$ и $b$ корни $0$, $a$ и $b$: в этих точках его график встречается с осью $x$.

Делить на переменную нельзя: так теряется корень

Чтобы применить правило, нужно получить произведение, равное нулю. Рассмотрим уравнение $x^3=x$ и два способа его решить.

Ошибка

Вообразавр решает так: «Разделю обе части на $x$: $x^2=1$, значит, $x=1$ или $x=-1$. Ответ: $-1;\ 1$».

Проверим на числах. Подставим $x=0$: слева $0^3=0$, справа $0$. Равенство верное — значит, $0$ тоже корень, а в ответе его нет.

Где сломалось рассуждение. Делить на $x$ можно только при $x\ne0$. Разделив, Вообразавр молча предположил, что $x\ne0$, и потерял именно этот корень.

Две панели в одном масштабе. Решавр выносит x: уравнение x(x в квадрате минус 1) равно нулю, график y равно x в кубе минус x пересекает ось в точках минус 1, 0 и 1. Вообразавр делит на x: остается y равно x в квадрате минус 1, точки минус 1 и 1, а корень 0 потерян. Всего три корня, а не два
График $y=x^3-x$ пересекает ось $x$ в трех точках; после деления на $x$ точка $x=0$ теряется

Решавр поступает иначе: переносит все в одну часть и выносит общий множитель.

$$x^3-x=0,\quad x(x^2-1)=0$$

Отсюда $x=0$ или $x^2=1$, то есть $x=\pm1$. Ответ: $-1;\ 0;\ 1$. Три корня — как три точки пересечения на графике.

Правило

Обе части уравнения нельзя делить на выражение с переменной: при значениях, где это выражение равно нулю, теряются корни. Нужно перенести все в одну часть и вынести общий множитель за скобки.

$$x^3=x\ \Rightarrow\ x^3-x=0\ \Rightarrow\ x(x^2-1)=0$$

Пример 2

Решите уравнение $x^3=5x^2$.

Переносим: $x^3-5x^2=0$. Выносим $x^2$: $x^2(x-5)=0$.

$x^2=0$ дает один корень $x=0$; $x-5=0$ дает $x=5$.

Ответ: $0;\ 5$.

Если бы мы разделили обе части на $x^2$, получили бы только $x=5$.

Деление на $x$ — спуск по лестнице без проверки: корень $0$ остался наверху.

Группировка: общая скобка у двух пар

У слагаемых уравнения $x^3+2x^2-9x-18=0$ нет общего множителя: $x$ входит не во все слагаемые, а у чисел $1$, $2$, $9$ и $18$ общий делитель только $1$. Но у пар слагаемых общий множитель есть. В первой паре $x^3+2x^2$ выносим $x^2$, во второй паре $-9x-18$ выносим $-9$. Группировка — способ найти ступеньку вниз, когда общего множителя у всех слагаемых нет.

Группировка x в кубе плюс 2x в квадрате минус 9x минус 18. Пары: x в кубе плюс 2x в квадрате и минус 9x минус 18. Из первой выносим x в квадрате, из второй минус 9, в обеих остается скобка x плюс 2. Выносим ее: (x плюс 2) на (x в квадрате минус 9) равно нулю
В обеих парах осталась одна и та же скобка $(x+2)$ — ее выносим: $(x+2)(x^2-9)=0$

Пример 3

Решите уравнение $x^3+2x^2-9x-18=0$.

Группируем: $x^2(x+2)-9(x+2)=0$.

Выносим общую скобку: $(x+2)(x^2-9)=0$.

$x+2=0$ дает $x=-2$; $x^2-9=0$ дает $x^2=9$, $x=\pm3$.

Ответ: $-3;\ -2;\ 3$.

Способ группировки

  1. Объедините слагаемые в пары так, чтобы в каждой паре был общий множитель.
  2. Вынесите его из каждой пары: в скобках должно остаться одно и то же выражение.
  3. Вынесите общую скобку и приравняйте к нулю каждый множитель.

Почему это верно: мы дважды применили распределительный закон $ma+mb=m(a+b)$ — сначала внутри пар, потом к общей скобке. Уравнение при этом не меняется, поэтому корни не теряются и не появляются. Проверить разложение можно, раскрыв скобки. Подробно о разложении на множители — в уроке «Разложение на множители: комбинирование способов».

Обратите внимание

Если пара начинается с минуса, выносите множитель вместе с минусом: $-9x-18=-9(x+2)$. Если вынести $9$ без минуса, получится $9(-x-2)$, и скобки в парах не совпадут.

Формулы сокращенного умножения: спуск до конца

Иногда левая часть уравнения уже является разностью квадратов или разностью кубов. Тогда первым шагом применяем формулу.

$$a^2-b^2=(a-b)(a+b),\qquad a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)$$

Пример 4

Решите уравнение $16x^4-1=0$.

$16x^4=(4x^2)^2$, поэтому $16x^4-1=(4x^2-1)(4x^2+1)$.

$4x^2-1=0$ дает $x^2=\frac14$, $x=\pm\frac12$.

$4x^2+1=0$ корней не имеет: при любом $x$ выражение $4x^2+1\ge1$.

Ответ: $-\frac12;\ \frac12$.

У уравнения $x^3-8=0$ разложение $(x-2)(x^2+2x+4)=0$. Первый множитель дает $x=2$. У второго $D=2^2-4\cdot 4=-12<0$, корней нет. Единственный корень: $2$.

Значит, на нижней ступени нас ждут множители первой степени и квадратные. Квадратный множитель нужно обязательно проверить: у него может быть два корня, один или ни одного.

Три параболы в одной системе координат. Парабола y равно x в квадрате минус 9 пересекает ось x в точках минус 3 и 3: два корня. Парабола y равно x в квадрате касается оси в нуле: один корень. Парабола y равно x в квадрате плюс 9 лежит над осью: корней нет
Квадратный множитель $x^2-9$ обращается в нуль дважды, $x^2$ — один раз, $x^2+9$ — ни разу

Ошибка

Вообразавр решает уравнение из примера 3: «$(x+2)(x^2-9)=0$, $x=-2$. Множитель $x^2-9$ — квадратный, он уже не раскладывается. Ответ: $-2$».

Проверим на числах. При $x=3$: $27+18-27-18=0$. Число $3$ — корень, а в ответе его нет.

Где сломалось рассуждение. Квадратный множитель тоже может обращаться в нуль. $x^2-9=(x-3)(x+3)$ — это еще одна ступень вниз: корни $3$ и $-3$. Спуск закончен, только когда каждый множитель решен как уравнение.

Если один корень уже известен

Обратите внимание

Это раздел повышенной сложности. Большинство уравнений в задачах решаются способами из разделов 1–4.

В уравнении $x^3-7x+6=0$ три слагаемых: общего множителя нет, на пары их не разбить. Но число $1$ подходит: $1-7+6=0$. Если $a$ — корень многочлена, то этот многочлен делится на $x-a$. Значит, у левой части есть множитель $(x-1)$ — это и есть ступенька вниз: известный корень $a$ всегда показывает множитель $(x-a)$. Выделить его можно по шагам.

Выделение множителя x минус 1 в многочлене x в кубе минус 7x плюс 6. Слагаемое минус 7x расщепляем на минус x и минус 6x и добавляем минус x в квадрате и плюс x в квадрате. Получаем три пары, в каждой скобка x минус 1. Выносим: (x минус 1) на (x в квадрате плюс x минус 6) равно нулю
Слагаемые расщепляем так, чтобы в каждой паре появилась скобка $(x-1)$

Как выделить множитель с известным корнем

  1. Из $x^3$ сделайте пару $x^3-ax^2=x^2(x-a)$; к слагаемому с $x^2$ (если его нет — к нулю) прибавьте $ax^2$, чтобы уравнение не изменилось.
  2. Получившееся слагаемое $kx^2$ сделайте парой $kx^2-akx=kx(x-a)$, изменив слагаемое с $x$ на столько же.
  3. Оставшиеся слагаемые дадут третью пару $c(x-a)$: она есть, потому что $a$ — корень.
  4. Вынесите общую скобку $(x-a)$.

Пример 5

Решите уравнение $x^3-7x+6=0$, зная, что $x=1$ — его корень.

Чтобы из $x^3$ вынести $(x-1)$, нужна пара $x^3-x^2$. Добавим и вычтем $x^2$, затем $-7x$ запишем как $-x-6x$ (здесь $a=1$):

$$x^3-x^2+x^2-x-6x+6=0$$

$$x^2(x-1)+x(x-1)-6(x-1)=0$$

$$(x-1)(x^2+x-6)=0$$

$x^2+x-6=0$: $D=1+24=25$, $x=\frac{-1\pm5}{2}$, то есть $x=2$ или $x=-3$.

Ответ: $-3;\ 1;\ 2$.

Почему многочлен делится на множитель с известным корнем

Скрыть

Пусть $P(x)=x^3+bx^2+cx+d$ и $P(a)=0$. Вычтем: $P(x)-P(a)=(x^3-a^3)+b(x^2-a^2)+c(x-a)$. Каждая скобка делится на $x-a$ по формулам разности кубов и разности квадратов. Значит, $P(x)=P(x)-P(a)$ делится на $x-a$. Для многочлена четвертой степени рассуждение то же.

Повышенная сложность: где искать целый корень

Скрыть

Пусть у уравнения $x^3+bx^2+cx+d=0$ все коэффициенты целые и есть целый корень $a$. Тогда $a^3+ba^2+ca+d=0$, то есть $d=-a(a^2+ba+c)$. В скобках целое число, поэтому $d$ делится на $a$.

Значит, целый корень может быть только делителем свободного члена. Для $x^3-7x+6=0$ проверяем делители числа $6$: $\pm1$, $\pm2$, $\pm3$, $\pm6$. Подходят $1$, $2$ и $-3$. Делитель — лишь кандидат: его обязательно подставляют.

Тот же результат дает деление многочлена на $x-a$ «уголком».

Четвертая степень: вся лестница сразу

Вернемся к уравнению из начала урока: $x^4+x^3-4x^2-4x=0$. Ни одного способа не хватает сразу, но друг за другом они приводят на нижнюю ступень.

Пример 6

Шаг 1. Общий множитель $x$: $x(x^3+x^2-4x-4)=0$. Степень $4$ распалась на $1$ и $3$.

Шаг 2. Группировка в скобке: $x^2(x+1)-4(x+1)=(x+1)(x^2-4)$. Получили $x(x+1)(x^2-4)=0$.

Шаг 3. Разность квадратов: $x^2-4=(x-2)(x+2)$. Итог: $x(x+1)(x-2)(x+2)=0$.

Каждый множитель дает свой корень. Ответ: $-2;\ -1;\ 0;\ 2$.

Подстановка подтверждает, что это точные корни: например, при $x=2$ получаем $16+8-16-8=0$, при $x=-1$ получаем $1-1-4+4=0$.

Сверху лестница разложения: четвертая степень, затем множитель x и кубический, затем x, x плюс 1 и x в квадрате минус 4, затем четыре множителя первой степени x плюс 2, x плюс 1, x и x минус 2. Каждый множитель линией соединен со своей точкой на графике y равно x в четвертой плюс x в кубе минус 4 x в квадрате минус 4x: точки минус 2, минус 1, 0 и 2
Четыре множителя первой степени — четыре точки на оси: $-2$, $-1$, $0$ и $2$

Если общий множитель — $x^2$, его тоже выносят, а не сокращают. В уравнении $x^4-2x^3-3x^2=0$ получаем $x^2(x^2-2x-3)=0$. Множитель $x^2$ дает один корень $0$, квадратное уравнение — корни $3$ и $-1$. Ответ: $-1;\ 0;\ 3$. Различных корней три, хотя степень уравнения четыре.

Порядок действий

  1. Перенесите все слагаемые в одну часть, справа — нуль.
  2. Вынесите общий множитель, если он есть.
  3. Разложите оставшееся: группировкой или по формуле.
  4. Приравняйте к нулю каждый множитель и решите каждое уравнение до конца.
  5. Запишите все корни вместе, без повторов.
Что видимЧто делаемГде проверяем себя
Общий множитель у всех слагаемых, в том числе $x$ или $x^2$Выносим за скобкиНе делим на $x$: корень $0$ сохраняется
Четыре слагаемых без общего множителяГруппируем по дваСкобки в парах должны совпасть
Разность квадратов или кубовПрименяем формулуКвадратный множитель решаем до конца
Известен корень $a$ (повышенный уровень)Выделяем множитель $(x-a)$Подставляем корень, прежде чем выделять множитель

Вывод

Уравнения третьей и четвертой степени встречаются в задачах второй части экзамена, а прием «разложить и приравнять каждый множитель к нулю» понадобится в неравенствах и при исследовании функций. Чтобы вспомнить главное, представьте лестницу степеней: каждый шаг разложения — ступень вниз, а на каждой ступени — проверка, что корни не потеряны. Какой способ выбрать первым, подскажет таблица из последнего раздела.

В следующем уроке, «Дробно-рациональные уравнения», переменная окажется в знаменателе. Спуск по лестнице останется тем же, но появится новая проверка: при некоторых $x$ дробь не имеет смысла.

Часто задаваемые вопросы

Сколько корней может быть у уравнения третьей степени?

Не больше трех. Уравнение третьей степени распадается на множители не выше второй степени, и каждый из них дает не больше двух корней. Корней может быть три, два или один: например, у $x^3-8=0$ корень один. Хотя бы один корень у уравнения третьей степени есть всегда.

Почему нельзя просто разделить на $x$, если так быстрее?

Деление на $x$ возможно только при $x\ne0$. Разделив, вы выбрасываете из рассмотрения значение $x=0$, а оно может оказаться корнем, как в уравнении $x^3=x$. Вынесение $x$ за скобки дает тот же квадратный множитель и сохраняет корень $0$.

Как понять, что разложение закончено?

Разложение закончено, когда остались множители первой степени и квадратные множители без корней ($D<0$ или вида $x^2+9$). Каждый квадратный множитель с корнями — еще одна ступень: решите его как уравнение.

Чем этот урок отличается от биквадратных уравнений?

Биквадратное уравнение $ax^4+bx^2+c=0$ решается заменой $t=x^2$. Уравнения этого урока содержат и нечетные степени, например $x^3$, поэтому заменой не обойтись: их раскладывают на множители.

Можно ли проверить ответ?

Да. Подставьте каждый корень в исходное уравнение: должно получиться верное равенство. Еще проверьте число корней по графику левой части: сколько раз он пересекает ось $x$ или касается ее, столько различных корней у уравнения.

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

Спросить Зави Спросить Зави
Получить ещё подсказку

Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

Верно! Посмотрите пошаговое решение

Предложить улучшение