三次方程求根公式推导
三次方程求根公式是求解一元三次方程的一种方法,它能够求得方程的三个根。在推导三次方程求根公式之前,我们需要先了解一些基本的数学概念和公式。
首先,我们需要知道复数的概念。复数是由实部和虚部组成的数,可以表示为a+bi的形式,其中a和b都是实数,i是虚数单位,满足i²=-1。复数的加减乘除运算都可以通过实部和虚部的运算来实现。
其次,我们需要知道求根公式中要用到的二次方程求根公式,它可以求解形如ax²+bx+c=0的二次方程的根,公式为:
x1,2 = (-b ± √(b²-4ac)) / 2a
其中,x1和x2分别表示二次方程的两个根,a、b、c分别是方程中的系数。
接下来,我们开始推导三次方程求根公式。假设我们要求解形如ax³+bx²+cx+d=0的一元三次方程,其中a≠0。
我们可以将方程两边同时除以a,得到:
x³ + px² + qx + r = 0
其中,p=b/a,q=c/a,r=d/a。
接下来,我们假设方程有三个实根x1、x2、x3,并将它们带入上式,得到:
(x-x1)(x-x2)(x-x3) = x³ - (x1+x2+x3)x² + (x1x2+x1x3+x2x3)x - x1x2x3
因为方程有三个实根,所以(x-x1)(x-x2)(x-x3)可以表示为三个实数的乘积。我们可以将其展开后与上式比较系数,得到:
x²: -(x1+x2+x3) = p
x: x1x2+x1x3+x2x3 = q
1: -x1x2x3 = r
接下来,我们可以用x2和x3分别代入(x-x1)(x-x2)(x-x3)的式子中,得到:
(x-x1)(x-x2)(x-x3) = (x-x1)(x² - (x2+x3)x + x2x3)
= x³ - (x1+x2+x3)x² + (x1x2+x1x3+x2x3)x - x1x2x3
= x³ - (x1+x2+x3)x² + (x1+x2)(x1+x3)x - x1x2x3
将其与上式比较系数,可以得到:
x²: -(x1+x2+x3) = p
x: (x1x2+x1x3+x2x3) + x1 + x2 + x3 = -p
1: -x1x2x3 = r
接下来,我们对第二个式子进行变形,得到:
x1x2 + x1x3 + x2x3 = -p - x1 - x2 - x3
(x1+x2+x3)(x1x2+x1x3+x2x3) = -p(x1+x2+x3) - (x1+x2+x3)²
x1x2x3 = -r
将上述三个式子带入(x-x1)(x-x2)(x-x3)中,得到:
(x-x1)(x-x2)(x-x3) = x³ + px² + qx + r
其中,
p = -(x1+x2+x3)
q = (x1x2+x1x3+x2x3) + x1 + x2 + x3
r = -x1x2x3
接下来,我们将复数引入求解过程。假设方程的三个实根为x1、x2、x3,我们可以将其表示为x1 = u + iv,x2 = u - iv,x3 = w,其中u、v、w都是实数。
由于方程的系数都是实数,因此我们可以得到:
p = -(x1+x2+x3) = -2u-w
q = (x1x2+x1x3+x2x3) + x1 + x2 + x3 = -2v-uw
r = -x1x2x3 = -uwv
接下来,我们需要对方程进行变形,得到:
(x-u-iv)(x-u+iv)(x-w) = 0
(x² - 2ux + u² + v²)(x-w) = 0
x³ - (2u+w)x² + (u²+uw+v²)x - uwv = 0
将p、q、r带入上式中,得到:
x³ + px² + qx + r = 0
x³ - (2u+w)x² + (u²+uw+v²)x - uwv = 0
由于x1、x2、x3是方程的实根,因此它们的虚部必须为0。我们可以将上式中的v²用u²和w代替,得到:
x³ - (3u+w)x² + (3uw-u²)x + (2u³-3u²w+w³) = 0
接下来,我们假设方程的一个根为x1,它的虚部为0,即v=0。将上式中的u和w用x1、x2、x3代替,得到:
x1³ - (3x1²+x2+x3)x1 + (3x1x2x3-x1³-x2³-x3³) = 0
化简后得到:
x1³ + px + q = 0
其中,
p = -(x2+x3+x1²)
q = x2x3 + x1x2 + x1x3
接下来,我们可以用二次方程求根公式求解上式中的x1,得到:
x1 = (q ± √(q²-4p³/27)) / 2
由于方程有三个实根,我们可以重复上述过程,分别求得其余两个实根的值。
综上,我们就得到了一元三次方程求根公式的推导过程。
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