Уравнения третьей и четвертой степени
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?
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.
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.
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.
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
- Объедините слагаемые в пары так, чтобы в каждой паре был общий множитель.
- Вынесите его из каждой пары: в скобках должно остаться одно и то же выражение.
- 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.
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.
Как выделить множитель с известным корнем
- 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.
- Получившееся слагаемое $kx^2$ сделайте парой $kx^2-akx=kx(x-a)$, изменив слагаемое с $x$ на столько же.
- Оставшиеся слагаемые дадут третью пару $c(x-a)$: она есть, потому что $a$ — корень.
- 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 $1-1-4+4=0$.
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
- Перенесите все слагаемые в одну часть, справа — нуль.
- Вынесите общий множитель, если он есть.
- Разложите оставшееся: группировкой или по формуле.
- Приравняйте к нулю каждый множитель и решите каждое уравнение до конца.
- Запишите все корни вместе, без повторов.
| Что видим | Что делаем | Где проверяем себя |
|---|---|---|
| Общий множитель у всех слагаемых, в том числе $x$ или $x^2$ | Выносим за скобки | Не делим на $x$: корень $0$ сохраняется |
| Четыре слагаемых без общего множителя | Группируем по два | Скобки в парах должны совпасть |
| Разность квадратов или кубов | Применяем формулу | Квадратный 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
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.
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 $0$.
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.
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.
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.
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