Теорема Виета
Теорема Виета:
Сумма корней приведённого квадратного уравнения
равна второму коэффициенту, взятому с противоположным знаком, а произведение корней равно свободному члену
Если приведённое квадратное уравнение имеет вид
то его корни равны:
,
где D = p 2 — 4q. Чтобы доказать теорему, сначала найдём сумму корней:
,
а теперь найдём их произведение:
Равенства, показывающие зависимость между корнями и коэффициентами квадратного уравнения:
называются формулами Виета.
Примечание: если дискриминант равен нулю (D = 0), то подразумевается, что уравнение имеет не один корень, а два равных корня.
Обратная теорема
Теорема:
Если сумма двух чисел равна -p, а их произведение равно q, то эти числа являются корнями приведённого квадратного уравнения:
Это доказывает, что число x1 является корнем уравнения x 2 + px + q = 0. Точно так же можно доказать, что и число x2 является корнем для этого уравнения.
Решение примеров
Зависимость между корнями и коэффициентами квадратного уравнения позволяет в некоторых случаях находить корни уравнения устно, не используя формулу корней.
Пример 1. Найти корни уравнения:
Решение: Так как
очевидно, что корни равны 1 и 2:
Подставив числа 1 и 2 в уравнение, убедимся, что корни найдены правильно:
1 2 — 3 · 1 + 2 = 0
2 2 — 3 · 2 + 2 = 0.
Пример 2. Найти корни уравнения:
Методом подбора находим, что корни равны -3 и -5:
С помощью теоремы, обратной теореме Виета, можно составлять квадратное уравнение по его корням.
Пример 1. Составить квадратное уравнение по его корням:
Решение: Так как x1 = -3, x2 = 6 корни уравнения x 2 + px + q = 0, то по теореме, обратной теореме Виета, составим уравнения:
Следовательно, искомое уравнение:
Пример 2. Записать приведённое квадратное уравнение, имеющее корни:
Источник
Теорема Виета, формулы Виета
В квадратных уравнениях существует целый ряд соотношений. Основными являются отношения между корнями и коэффициентами. Также в квадратных уравнениях работает ряд соотношений, которые задаются теоремой Виета.
В этой теме мы приведем саму теорему Виета и ее доказательство для квадратного уравнения, теорему, обратную теореме Виета, разберем ряд примеров решения задач. Особое внимание в материале мы уделим рассмотрению формул Виета, которые задают связь между действительными корнями алгебраического уравнения степени n и его коэффициентами.
Формулировка и доказательство теоремы Виета
Формула корней квадратного уравнения a · x 2 + b · x + c = 0 вида x 1 = — b + D 2 · a , x 2 = — b — D 2 · a , где D = b 2 − 4 · a · c , устанавливает соотношения x 1 + x 2 = — b a , x 1 · x 2 = c a . Это подтверждает и теорема Виета.
В квадратном уравнении a · x 2 + b · x + c = 0 , где x 1 и x 2 – корни, сумма корней будет равна соотношению коэффициентов b и a , которое было взято с противоположным знаком, а произведение корней будет равно отношению коэффициентов c и a , т. е. x 1 + x 2 = — b a , x 1 · x 2 = c a .
Предлагаем вам следующую схему проведения доказательства: возьмем формулу корней, составим суму и произведение корней квадратного уравнения и затем преобразуем полученные выражения для того, чтобы убедиться, что они равны — b a и c a соответственно.
Составим сумму корней x 1 + x 2 = — b + D 2 · a + — b — D 2 · a . Приведем дроби к общему знаменателю — b + D 2 · a + — b — D 2 · a = — b + D + — b — D 2 · a . Раскроем скобки в числителе полученной дроби и приведем подобные слагаемые: — b + D + — b — D 2 · a = — b + D — b — D 2 · a = — 2 · b 2 · a . Сократим дробь на: 2 — b a = — b a .
Так мы доказали первое соотношение теоремы Виета, которое относится к сумме корней квадратного уравнения.
Теперь давайте перейдем ко второму соотношению.
Для этого нам необходимо составить произведение корней квадратного уравнения: x 1 · x 2 = — b + D 2 · a · — b — D 2 · a .
Вспомним правило умножения дробей и запишем последнее произведение следующим образом: — b + D · — b — D 4 · a 2 .
Проведем в числителе дроби умножение скобки на скобку или же воспользуемся формулой разности квадратов для того, чтобы преобразовать это произведение быстрее: — b + D · — b — D 4 · a 2 = — b 2 — D 2 4 · a 2 .
Воспользуемся определением квадратного корня для того, чтобы осуществить следующий переход: — b 2 — D 2 4 · a 2 = b 2 — D 4 · a 2 . Формула D = b 2 − 4 · a · c отвечает дискриминанту квадратного уравнения, следовательно, в дробь вместо D можно подставить b 2 − 4 · a · c :
b 2 — D 4 · a 2 = b 2 — ( b 2 — 4 · a · c ) 4 · a 2
Раскроем скобки, приведем подобные слагаемые и получим: 4 · a · c 4 · a 2 . Если сократить ее на 4 · a , то остается c a . Так мы доказали второе соотношение теоремы Виета для произведения корней.
Запись доказательства теоремы Виета может иметь весьма лаконичный вид, если опустить пояснения:
x 1 + x 2 = — b + D 2 · a + — b — D 2 · a = — b + D + — b — D 2 · a = — 2 · b 2 · a = — b a , x 1 · x 2 = — b + D 2 · a · — b — D 2 · a = — b + D · — b — D 4 · a 2 = — b 2 — D 2 4 · a 2 = b 2 — D 4 · a 2 = = D = b 2 — 4 · a · c = b 2 — b 2 — 4 · a · c 4 · a 2 = 4 · a · c 4 · a 2 = c a .
При дискриминанте квадратного уравнения равном нулю уравнение будет иметь только один корень. Чтобы иметь возможность применить к такому уравнению теорему Виета, мы можем предположить, что уравнение при дискриминанте, равном нулю, имеет два одинаковых корня. Действительно, при D = 0 корень квадратного уравнения равен: — b 2 · a , тогда x 1 + x 2 = — b 2 · a + — b 2 · a = — b + ( — b ) 2 · a = — 2 · b 2 · a = — b a и x 1 · x 2 = — b 2 · a · — b 2 · a = — b · — b 4 · a 2 = b 2 4 · a 2 , а так как D = 0 , то есть, b 2 — 4 · a · c = 0 , откуда b 2 = 4 · a · c , то b 2 4 · a 2 = 4 · a · c 4 · a 2 = c a .
Чаще всего на практике теорема Виета применяется по отношению к приведенному квадратному уравнению вида x 2 + p · x + q = 0 , где старший коэффициент a равен 1 . В связи с этим и формулируют теорему Виета именно для уравнений такого вида. Это не ограничивает общности в связи с тем, что любое квадратное уравнение может быть заменено равносильным уравнением. Для этого необходимо поделить обе его части на число a , отличное от нуля.
Приведем еще одну формулировку теоремы Виета.
Сумма корней в приведенном квадратном уравнении x 2 + p · x + q = 0 будет равна коэффициенту при x , который взят с противоположным знаком, произведение корней будет равно свободному члену, т.е. x 1 + x 2 = − p , x 1 · x 2 = q .
Теорема, обратная теореме Виета
Если внимательно посмотреть на вторую формулировку теоремы Виета, то можно увидеть, что для корней x 1 и x 2 приведенного квадратного уравнения x 2 + p · x + q = 0 будут справедливы соотношения x 1 + x 2 = − p , x 1 · x 2 = q . Из этих соотношений x 1 + x 2 = − p , x 1 · x 2 = q следует, что x 1 и x 2 – это корни квадратного уравнения x 2 + p · x + q = 0 . Так мы приходим к утверждению, которое является обратным теореме Виета.
Предлагаем теперь оформить это утверждение как теорему и провести ее доказательство.
Если числа x 1 и x 2 таковы, что x 1 + x 2 = − p и x 1 · x 2 = q , то x 1 и x 2 являются корнями приведенного квадратного уравнения x 2 + p · x + q = 0 .
Замена коэффициентов p и q на их выражение через x 1 и x 2 позволяет преобразовать уравнение x 2 + p · x + q = 0 в равносильное ему x 2 − ( x 1 + x 2 ) · x + x 1 · x 2 = 0 .
Если в полученное уравнение подставить число x 1 вместо x , то мы получим равенство x 1 2 − ( x 1 + x 2 ) · x 1 + x 1 · x 2 = 0 . Это равенство при любых x 1 и x 2 превращается в верное числовое равенство 0 = 0 , так как x 1 2 − ( x 1 + x 2 ) · x 1 + x 1 · x 2 = x 1 2 − x 1 2 − x 2 · x 1 + x 1 · x 2 = 0 . Это значит, что x 1 – корень уравнения x 2 − ( x 1 + x 2 ) · x + x 1 · x 2 = 0 , и что x 1 также является корнем равносильного ему уравнения x 2 + p · x + q = 0 .
Подстановка в уравнение x 2 − ( x 1 + x 2 ) · x + x 1 · x 2 = 0 числа x 2 вместо x позволяет получить равенство x 2 2 − ( x 1 + x 2 ) · x 2 + x 1 · x 2 = 0 . Это равенство можно считать верным, так как x 2 2 − ( x 1 + x 2 ) · x 2 + x 1 · x 2 = x 2 2 − x 1 · x 2 − x 2 2 + x 1 · x 2 = 0 . Получается, что x 2 является корнем уравнения x 2 − ( x 1 + x 2 ) · x + x 1 · x 2 = 0 , а значит, и уравнения x 2 + p · x + q = 0 .
Теорема, обратная теореме Виета, доказана.
Примеры использования теоремы Виета
Давайте теперь приступим к разбору наиболее типичных примеров по теме. Начнем с разбора задач, которые требуют применения теоремы, обратной теореме Виета. Ее можно применять для проверки чисел, полученных в ходе вычислений, на предмет того, являются ли они корнями заданного квадратного уравнения. Для этого необходимо вычислить их сумму и разность, а затем проверить справедливость соотношений x 1 + x 2 = — b a , x 1 · x 2 = a c .
Выполнение обоих соотношений свидетельствует о том, что числа, полученные в ходе вычислений, являются корнями уравнения. Если же мы видим, что хотя бы одно из условий не выполняется, то данные числа не могут быть корнями квадратного уравнения, данного в условии задачи.
Какая из пар чисел 1 ) x 1 = − 5 , x 2 = 3 , или 2 ) x 1 = 1 — 3 , x 2 = 3 + 3 , или 3 ) x 1 = 2 + 7 2 , x 2 = 2 — 7 2 является парой корней квадратного уравнения 4 · x 2 − 16 · x + 9 = 0 ?
Решение
Найдем коэффициенты квадратного уравнения 4 · x 2 − 16 · x + 9 = 0 . Это a = 4 , b = − 16 , c = 9 . В соответствии с теоремой Виета сумма корней квадратного уравнения должна быть равна — b a , то есть, 16 4 = 4 , а произведение корней должно быть равно c a , то есть, 9 4 .
Проверим полученные числа, вычислив сумму и произведение чисел из трех заданных пар и сравнив их с полученными значениями.
В первом случае x 1 + x 2 = − 5 + 3 = − 2 . Это значение отлично от 4 , следовательно, проверку можно не продолжать. Согласно теореме, обратной теореме Виета, можно сразу сделать вывод о том, что первая пара чисел не является корнями данного квадратного уравнения.
Во втором случае x 1 + x 2 = 1 — 3 + 3 + 3 = 4 . Мы видим, что первое условие выполняется. А вот второе условие нет: x 1 · x 2 = 1 — 3 · 3 + 3 = 3 + 3 — 3 · 3 — 3 = — 2 · 3 . Значение, которое мы получили, отлично от 9 4 . Это значит, что вторая пара чисел не является корнями квадратного уравнения.
Перейдем к рассмотрению третьей пары. Здесь x 1 + x 2 = 2 + 7 2 + 2 — 7 2 = 4 и x 1 · x 2 = 2 + 7 2 · 2 — 7 2 = 2 2 — 7 2 2 = 4 — 7 4 = 16 4 — 7 4 = 9 4 . Выполняются оба условия, а это значит, что x 1 и x 2 являются корнями заданного квадратного уравнения.
Ответ: x 1 = 2 + 7 2 , x 2 = 2 — 7 2
Мы также можем использовать теорему, обратную теореме Виета, для подбора корней квадратного уравнения. Наиболее простой способ – это подбор целых корней приведенных квадратных уравнений с целыми коэффициентами. Можно рассматривать и другие варианты. Но это может существенно затруднить проведение вычислений.
Для подбора корней мы используем тот факт, что если сумма двух чисел равна второму коэффициенту квадратного уравнения, взятому со знаком минус, а произведение этих чисел равно свободному члену, то эти числа являются корнями данного квадратного уравнения.
В качестве примера используем квадратное уравнение x 2 − 5 · x + 6 = 0 . Числа x 1 и x 2 могут быть корнями этого уравнения в том случае, если выполняются два равенства x 1 + x 2 = 5 и x 1 · x 2 = 6 . Подберем такие числа. Это числа 2 и 3 , так как 2 + 3 = 5 и 2 · 3 = 6 . Получается, что 2 и 3 – корни данного квадратного уравнения.
Теорему, обратную теореме Виета, можно использовать для нахождения второго корня, когда первый известен или очевиден. Для этого мы можем использовать соотношения x 1 + x 2 = — b a , x 1 · x 2 = c a .
Рассмотрим квадратное уравнение 512 · x 2 − 509 · x − 3 = 0 . Необходимо найти корни данного уравнения.
Решение
Первым корнем уравнения является 1 , так как сумма коэффициентов этого квадратного уравнения равна нулю. Получается, что x 1 = 1 .
Теперь найдем второй корень. Для этого можно использовать соотношение x 1 · x 2 = c a . Получается, что 1 · x 2 = − 3 512 , откуда x 2 = — 3 512 .
Ответ: корни заданного в условии задачи квадратного уравнения 1 и — 3 512 .
Подбирать корни, используя теорему, обратную теореме Виета, можно лишь в простых случаях. В остальных случаях лучше проводить поиск с использованием формулы корней квадратного уравнения через дискриминант.
Благодаря теореме, обратной теореме Виета, мы также можем составлять квадратные уравнения по имеющимся корням x 1 и x 2 . Для этого нам необходимо вычислить сумму корней, которая дает коэффициент при x с противоположным знаком приведенного квадратного уравнения, и произведение корней, которое дает свободный член.
Напишите квадратное уравнение, корнями которого являются числа − 11 и 23 .
Решение
Примем, что x 1 = − 11 и x 2 = 23 . Сумма и произведение данных чисел будут равны: x 1 + x 2 = 12 и x 1 · x 2 = − 253 . Это значит, что второй коэффициент — 12 , свободный член − 253.
Составляем уравнение: x 2 − 12 · x − 253 = 0 .
Ответ: x 2 − 12 · x − 253 = 0 .
Мы можем использовать теорему Виета для решения заданий, которые связаны со знаками корней квадратных уравнений. Связь между теоремой Виета связана со знаками корней приведенного квадратного уравнения x 2 + p · x + q = 0 следующим образом:
- если квадратное уравнение имеет действительные корни и если свободный член q является положительным числом, то эти корни будут иметь одинаковый знак « + » или « — » ;
- если квадратное уравнение имеет корни и если свободный член q является отрицательным числом, то один корень будет « + » , а второй « — » .
Оба этих утверждения являются следствием формулы x 1 · x 2 = q и правила умножения положительных и отрицательных чисел, а также чисел с разными знаками.
Являются ли корни квадратного уравнения x 2 − 64 · x − 21 = 0 положительными?
Решение
По теореме Виета корни данного уравнения не могут быть оба положительными, так как для них должно выполняться равенство x 1 · x 2 = − 21 . Это невозможно при положительных x 1 и x 2 .
Ответ: Нет
При каких значениях параметра r квадратное уравнение x 2 + ( r + 2 ) · x + r − 1 = 0 будет иметь два действительных корня с разными знаками.
Решение
Начнем с того, что найдем значения каких r , при которых в уравнении будет два корня. Найдем дискриминант и посмотрим, при каких r он будет принимать положительные значения. D = ( r + 2 ) 2 − 4 · 1 · ( r − 1 ) = r 2 + 4 · r + 4 − 4 · r + 4 = r 2 + 8 . Значение выражения r 2 + 8 положительно при любых действительных r , следовательно, дискриминант будет больше нуля при любых действительных r . Это значит, что исходное квадратное уравнение будет иметь два корня при любых действительных значениях параметра r .
Теперь посмотрим, когда корни будут иметь разные знаки. Это возможно в том случае, если их произведение будет отрицательным. Согласно теореме Виета произведение корней приведенного квадратного уравнения равно свободному члену. Значит, правильным решением будут те значения r , при которых свободный член r − 1 отрицателен. Решим линейное неравенство r − 1 0 , получаем r 1 .
Ответ: при r 1 .
Формулы Виета
Существует ряд формул, которые применимы для осуществления действий с корнями и коэффициентами не только квадратных, но также кубических и других видов уравнений. Их называют формулами Виета.
Для алгебраического уравнения степени n вида a 0 · x n + a 1 · x n — 1 + . . . + a n — 1 · x + a n = 0 считается, что уравнение имеет n действительных корней x 1 , x 2 , … , x n , среди которых могут быть совпадающие:
x 1 + x 2 + x 3 + . . . + x n = — a 1 a 0 , x 1 · x 2 + x 1 · x 3 + . . . + x n — 1 · x n = a 2 a 0 , x 1 · x 2 · x 3 + x 1 · x 2 · x 4 + . . . + x n — 2 · x n — 1 · x n = — a 3 a 0 , . . . x 1 · x 2 · x 3 · . . . · x n = ( — 1 ) n · a n a 0
Получить формулы Виета нам помогают:
- теорема о разложении многочлена на линейные множители;
- определение равных многочленов через равенство всех их соответствующих коэффициентов.
Так, многочлен a 0 · x n + a 1 · x n — 1 + . . . + a n — 1 · x + a n и его разложение на линейные множители вида a 0 · ( x — x 1 ) · ( x — x 2 ) · . . . · ( x — x n ) равны.
Если мы раскрываем скобки в последнем произведении и приравниваем соответствующие коэффициенты, то получаем формулы Виета. Приняв n = 2 , мы можем получить формулу Виета для квадратного уравнения: x 1 + x 2 = — a 1 a 0 , x 1 · x 2 = a 2 a 0 .
Формула Виета для кубического уравнения:
x 1 + x 2 + x 3 = — a 1 a 0 , x 1 · x 2 + x 1 · x 3 + x 2 · x 3 = a 2 a 0 , x 1 · x 2 · x 3 = — a 3 a 0
Левая часть записи формул Виета содержит так называемые элементарные симметрические многочлены.
Источник
