Viết chương trình giải phương trình bậc 4

Tóm tắt nội dung tài liệu

Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn Math08_11 GIẢI PHƯƠNG TRÌNH BẬC BỐN x 4 + ax 3 + bx 2 + cx + d = 0 Trong chương trình đại số ở trường phổ thông chúng ta chỉ học một loại phương trình bậc bốn đặc biệt. Đó là phương trình trùng phương. Tuy nhiên trong các đề thi đại học thì dạng phương trình thường khai triển và đưa về dạng phương trình bậc bốn không thuộc dạng trùng phương Sau đây xin giới thiệu với các bạn cách giải các phương trình bậc bốn dạng x 4 + ax 3 + bx 2 + cx + d = 0 trong đó a, b, c, d là các số thực khác không. 1. Với các phương trình bậc bốn, trong một số trường hợp cụ thể, nếu ta có cách nhìn sáng tạo, biết biến đổi hợp lí và sáng tạo, ta có thể giải đuợc chúng không khó khăn gì. Ví dụ 1. Giải phương trình [ x 2 − a ] 2 − 6 x 2 + 4 x + 2a = 0 [1] Phương trình [1] được viết thành x 4 − 2ax 2 + a 2 − 6 x 2 + 4 x + 2a = 0 hay x 4 − [ 2a + 6] x 2 + 4 x + a 2 + 2a = 0 [2] Phương trình [2] là phương trình bậc bốn đối với x mà bạn khống đuợc học cách giải. Nhưng ta lại có thể viết phương trình [1] dưới dạng a 2 − 2[ x 2 − 1] a + x 4 − 6 x 2 + 4 x = 0 [3] Và xem [3] là phương trình bậc hai đối với a. Với cách nhìn này, ta tìm được a theo x: a1, 2 = x 2 − 1 ± x 4 − 2 x 2 + 1 − x 4 +6 x 2 − 4 x = x 2 − 1 ± 4x 2 − 4x + 1 = x 2 − 1 ± [ 2 x − 1] Giải các phương trình bậc hai đối với x [4] x 2 + 2x − a − 2 = 0 Và x − 2 x − a = 0 [5] 2 Ta tìm đuợc các nghiệm [1] theo a. Điều kiện để [4] có nghiệm là 3 + a ≥ 0 và các nghiệm của [4] là x1, 2 = −1 ± 3 + a Điều kiện để [5] có nghiệm là 1 + a ≥ 0 và các nghiệm của [5] là x 3, 4 = 1 ± 1 + a Tổng kết a -3 -1 Phương trình [4] Vô nghiệm 2 nghiệm 2 nghiệm Phương trình [5] Vô nghiệm Vô nghiệm 2 nghiệm Lê Duơng Trường Giang – T*G*M 1 Trang Tháng 12/2009
Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn Math08_11 Phương trình [6] Vô nghiệm 2 nghiệm 4 nghiệm 1 nghiệm 3 nghiệm Ví dụ 2. Giải phương trình [1] x 4 − x 3 − 5x 2 + 4x + 4 = 0 Phương trình [1] đuợc viết dưới dạng: [ ] x 4 − x3 − x 2 − 4x 2 − 4x − 4 = 0 [ ][ ] x x − x −1 − 4 x − x −1 = 0 2 2 2 [x ][ ] − 4 x − x −1 = 0 2 2 Vậy [1] có 4 nghiệm là 1− 5 1+ 5 x1 = −2; x 2 = 2; x3 = ; x4 = . 2 2 Ví dụ 3. Giải phương trình [1] 32 x 4 − 48 x 3 − 10 x 2 + 21x + 5 = 0 Ta viết [1] dưới dạng: [ ][ ] 2 16 x 4 − 24 x 3 + 9 x 2 − 7 4 x 2 − 3 x + 5 = 0 Và đặt: y = 4 x 2 − 3x thì [1] được biến đổi thành 2y2 − 7y + 5 = 0 5 Từ đó y1 = 1 và y 2 = 2 Giải tiếp các phương trình bậc hai đối với x sau đây [sau khi thay y1 = 1 và 5 y2 = vào y = 4 x 2 − 3x ]: 2 4 x 2 − 3x − 1 = 0 Và 8 x 2 − 6 x − 5 = 0 Ta sẽ đuợc các nghiệm của [1]. Ví dụ 4. Giải phương trình 2 x 4 + 3 x 3 − 16 x 2 + 3 x + 2 = 0 [1] 2 e ��d Đây là phương trình bậc bốn [và là phương trình hồi quy khi = � �] a ��b Với phương trình này ta giải như sau: Chia hai vế của phương trình cho x 2 [khác không] thì [1] tương đuơng với 32 2 x 2 + 3 x − 16 + + =0 x x2 �2 1 � � 1 � Hay 2 � + 2 � 3 � + � 16 = 0 +x − x � x � � x� 1 1 Đặt y = x + thì y 2 − 2 = x 2 + 2 x x Phương trình [1] đuợc biến đổi thành: [ ] 2 y 2 − 2 + 3 y − 16 = 0 hay 2 y 2 + 3 y − 20 = 0 Lê Duơng Trường Giang – T*G*M 2 Trang Tháng 12/2009
Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn Math08_11 5 Phương trình này có nghiệm là y1 = −4, y2 = 2 1 1 5 Vì vậy x + = −4 và x + = tức là x 2 + 4 x + 1 = 0 và 2 x 2 − 5 x + 2 = 0 x x 2 Từ đó ta tìm đuợc các nghiệm của [1] là: 1 x1,2 = −2 3, x3 = , x4 = 2 . 2 Như vậy, với các ví dụ 2,3 và 4 ta giải đuợc phương trình bậc bốn nhờ biết biến đổi sáng tạo vế trái của phương trình để dẫn tới việc giải các phương trình và phương trình quen thuộc. 2. Có thể giải phương trình bậc bốn nói trên bằng cách phân tích vế trái của phương trình thành nhân tử bằng phương pháp hệ số bất định. Ví dụ 5. Giải phương trình: x 4 + 4 x3 − 10 x 2 + 37 x − 14 = 0 [1] Ta thử phân tích vế trái thành hai nhân tử bậc hai x 2 + px + q và x 2 + rx + s , trong đó p, q, r , s là các hệ số nguyên chưa xác định. Ta có: x 4 + 4 x3 − 10 x 2 + 37 x − 14 = [ x 2 + px + q ] [ x 2 + rx + s ] [2] Đồng nhất các hệ số của những số hạng cùng bậc hai vế của đồng nhất thức ta có hệ phương trình sau p + r = −4 s + q + pr = −10 ps + qr = 37 qs = −14 Nhờ phương trình cuối cùng của hệ này ta đoán nhận các giá trị nguyên tương ứng có thể lấy đuợc của q và s như sau q 1 2 7 14 -1 -2 -7 -14 s -14 -7- 2 -1 14 72 1 Thử lần lượt các giá trị trên của q thì thấy với q = 2, s = −7 phương trình thứ hai và thứ ba của hệ trên cho ta hệ phương trình mới pr = −5 −7 p + 2r = 37 Mà khử p đi thì đuợc 2r 2 − 37r + 35 = 0 Phương trình này cho nghiệm nguyên của r là 1. Nhờ thế ta suy ra p = −5 Thay các giá trị p, q, r , s vừa tìm được vào [2] thì có: [ ][ ] x 4 + 4 x3 − 10 x 2 + 37 x − 14 = x 2 − 5 x + 2 x 2 + x − 7 Phương trình [1] ứng với [ x − 5x + 2] [ x + x − 7] = 0 2 2 Giải phương trình tích này ta đuợc các nghiệm sau của [1]: −1 5 17 29 x= ;x = 2 2 Lê Duơng Trường Giang – T*G*M 3 Trang Tháng 12/2009
Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn Math08_11 Lưu ý: Trong một số truờng hợp ta không thể dùng phương pháp này vì nhiều khi việc phân tích trên không được như mong muốn chẳng hạn khi hệ trên không có nghiệm nguyên. 3. Sau đây ta sẽ tìm công thức nghiệm của phương trình bậc bốn f [ x ] = x 4 + ax 3 + bx 2 + cx + d = 0 [1] trong đó a, b, c, d là các số thực. Dụng ý của ta là phân tích đa thức x 4 + ax3 + bx 2 + cx + d thành hai nhân tử bậc hai Dùng ẩn phụ h, ta biến đổi như sau: 2 �1 1� 1 1 1 f [ x ] = � 2 + ax + h �+ bx 2 + cx + d − a 2 x 2 − h 2 − hx 2 − ahx x �2 2� 4 4 2 2 1�� 1 � �1 1 1 � �� f [ x ] = � 2 + ax + h �− �h + a 2 − b � 2 + � ah − c � + � h 2 − d � [2] x x x � � �2 2�� 4 2 4 � �� Tam thức trong dấu móc vuông có dạng: Ax + Bx + C 2 Ax 2 + Bx + C có thể viết dưới dạng: Ax + Bx + C = [ Px + q ] 2 2 [3] Khi và chỉ khi B − 4 AC = 0 hay 4 AC − B = 0 2 2 2 1 1 1 � � � �� Ta có: 4 � + a 2 − b � h 2 − d � � ah − c �= 0 − h � �4 �4 2 � �� Đây là phương trình bậc ba đối với h nến phải có ít nhất một nghiệm thực. Giả sử nghiệm đó là h = 1 . [Ta có thể dùng công thức biểu diễn nghiệm phương trình bậc ba của Cacđanô [nhà toán học người Italia] x3 + px 2 + q = 0 [*] qua các hệ số của nó. Mọi phương trình bậc ba tổng quát: a0 y 3 + a1 y 2 + a2 y + a3 = 0, a0 0 đều có thể a đưa về dạng [*] nhờ phép biến đổi ẩn số y = x − 3a . Công thức được viết 1 0 2 3 2 3 như sau: x = 3 − q + q + p + 3 − q − q + p trong đó mỗi căn thức bậc ba ở 2 4 27 2 4 27 p vế sau có ba giá trị, nhưng phải chọn các cặp giá trị có tích bằng − để cộng 3 với nhau] 2 �1 1� Thế thì [2] đuợc viết dưới dạng: f [ x ] = �2 + ax + t �− [ px + q ] 2 [4] x �2 2� Vậy: �1 1 �1 1 � � f [ x ] = � 2 + ax + t + px + q �x 2 + ax + t − px + q � 0 = x � �2 2 �2 2 � � 1 �1 � Từ đó: x + � a + p � + t + q = 0 2 x 2 �2 � Lê Duơng Trường Giang – T*G*M 4 Trang Tháng 12/2009
Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn Math08_11 1 1 � � hoặc x + � a − p � + t − q = 0 2 x 2 �2 � Giải hai phương trình bậc hai này ta đuợc tập hợp nghiệm của [1]: 2 1�1 1 �� x1,2 = − � a + p� � a + p �− 4q − 2t 2�2 2 �� 2 1�1 1 �� Và x3,4 = − � a − p� � a − p �+ 4q − 2t 2�2 2 �� Ví dụ 6. Giải phương trình: x 4 − x3 − 7 x 2 + x + 6 = 0 Dựa vào công thức [3] ta xác định đuợc h : 2 � 29 � 1 ��1 � � 4 � + � h 2 − 6 � � h − 1 �= 0 −− h � � 4 �4 ��2 � � tức h + 7h − 25h − 175 = 0 3 2 Ta tìm đuợc một nghiệm thực h của phương trình này là h = 5 −1 7 Dựa vào [3] và với h = t = 5, a = −1,, b = −7, c = 1, d = 6 thì tính đuợc p = , q = 2 2 Phương trình đã cho sẽ đuợc diễn đạt theo [4] là: 2 2 �2 1 5� � 7 1� � − 2 x + 2 �− � x − 2 �= 0 x 2 � �� 1 57 1��1 57 1� � � 2 − x + + x − �x 2 − x + − x + � 0 = x �2 �2 22 2� 22 2� � Thì đựơc tập nghiệm của phương trình đã cho là: { −1; −2;3;1} 4. Ta còn có thể giải phương trình bậc bốn bằng cách sử dụng đồ thị. Thật vậy, để giải phương trình bậc bốn [1] x 4 + ax 3 + bx 2 + cx + d = 0 bằng đồ thị, ta hãy đặt x = y − mx 2 Phương trình [1] trở thành: y 2 − 2mxy + m 2 x 2 + axy − axm 2 + bx 2 + cx + d = 0 Để khử đuợc các số hạng có xy trong phương trình này thì phải có: a −2m + a = 0 và m = 2 Vậy nếu đặt a a x 2 = y − mx và m = tức x 2 = y − x 2 2 2 2 a a Thì [1] trở thành: y 2 + x 2 − x 2 + bx 2 + cx + d = 0 [2] 4 2 a Thay x 2 bởi y − x và biến đổi thì [2] trở thành 2 Lê Duơng Trường Giang – T*G*M 5 Trang Tháng 12/2009
Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn Math08_11 � a ab ��a � 3 2 a x2 + y 2 + � + − + c � + � − − 1� + d = 0 xb y �8 2 2 �� 4 � Vậy phương trình [1] tương đuơng với hệ phương trình a y = x4 + x, [3] 2 � a 3 ab � � a2 � a x2 + y 2 + � + − + c � + � − − 1� + d = 0, [4] xb y �8 2 2 �� 4 � Do đó hoành độ các giao điểm của parabol, đồ thị [3] và của đuờng tròn, đồ thị của [4], là nghiệm của phương trình [1] đã cho a Nếu ta đặt my = x 2 + x[m 0] thì khi ấy nghiệm của phương trình [1] lại là 2 hoành độ các giao điểm của hai parabol 12 a y= x+ x m 2m � a2 � m�− � b y m2 y 2 4� +�3 Và x = +d ab a 3 ab a − −c − −c 28 2 3 Bây giờ, ta hãy vận dụng các phương pháp trên để giải các phương trình bậc bốn sau: 1] x 4 + 4 x 3 + 3x 2 + 2 x − 1 = 0, 2] x 4 + 2 x 3 + 5 x 2 + 4 x − 12 = 0, 3]6 x 4 + 5 x 3 − 38 x 2 + 5 x + 6 = 0, 4] x 4 + 5 x 3 − 12 x 2 + 5 x + 1 = 0, 5] x 4 + 2 x 3 − 2 x 2 + 6 x − 15 = 0. Lê Duơng Trường Giang – T*G*M 6 Trang Tháng 12/2009

Page 2

YOMEDIA

Trong chương trình đại số ở trường phổ thông chúng ta chỉ học một loại phương trình bậc bốn đặc biệt. Đó là phương trình trùng phương. Tuy nhiên trong các đề thi đại học thì dạng phương trình thường khai triển và đưa về dạng phương trình bậc bốn không thuộc dạng trùng phương

15-09-2012 798 94

Download