Kubinės lygties sprendimas be kompleksinių skaičių

https://www.journals.vu.lt/LMR/article/view/14970/13988


Yra įrodyta, kad kubinės ir ketvirto laipsnio lygtys gali būti išspręstos be kompleksinių skaičių ir išvestinių panaudojimo (randami tik realieji sprendiniai). Bus pateikti atitinkami algoritmai.

Kubinės lygtys

keisti
Bendra forma kubinės lygties yra
 
Padalinus šią lygtį iš   gaunama lygtis, taip pat vadinama bendros formos:
 
(2) lygtis gali būti perdaryta/suprastina įvedus naują kintamąjį y, kad   Skaičius k pasirenkamas taip, kad (2) lygtis neturėtų antro laipsnio nario ( ). Iš tikro, po įstatymo   tiktai iš   ir   gaunamas y kvadratas (padaugintas iš konstantos).
 
 
 
 
Igriko kvadratas išnyks, kai   arba   Tada  
Tai galima gauti ir taip:
 
sandaugoje   tik   turi   Todėl   išnyks, jeigu   t. y. jeigu  
Gauta lygtis vadinama redukuota (nežinomasis vėl yra x):
 

Sprendinių skaičius

keisti
Kubinė lygtis (3) visada turi bent vieną sprendinį. Funkcija   yra teigiamai su pakankamai dideliais x ir neigiama su dideliais neigiamais x. Todėl f(x) funkcijos grafikas kerta Ox ašį.
Kubinė lygtis gali turėti vieną, du ar trys sprendinius – pavyzdžiui, lygtys
 
turi atitinkamai sprendinius  
Daugiau nei 3 sprendinius kubinė lygtis negali turėti. Tarkim, kad lygtis (3) turi sprendinį   Tai reiškia, kad   Dabar (3) lygtį lengva išskaidyti (faktorizuoti)
 
Taigi kitus sprendinius lygties (3) rasime išsprenę kvadratinę lygtį (nuo nežinomojo x)
 
Lygtis (4) gali turėti 0 arba 1, arba 2 sprendinius, kurie nėra   Šie sprendiniai taip pat bus sprendiniais (3) lygties.
[ ]
Matome, kad žinant bent vieną (3) lygties spreninį, galima rasti visus kitus (3) lygties sprendinius iš (4) lygties. Štai kodėl labai lengva spręsti kubinę lygtį, kuri turi racionalų sprendinį. Beje, galima lengvai surasti bet kokio laipsnio lygties sprendinius, kai jos koeficientai yra racionalieji skaičiai. Pavyzdžiui, jeigu lygties koeficientai yra sveikieji skaičiai ir pirmas koeficientas yra 1 (tokią formą galima suteikti bet kokiai lygčiai su racionaliais koeficientais), tada racionalieji sprendiniai gali būti tik sveikieji skaičiai – teigiami ir neigiami dalikliai laisvojo nario (kubinėje lygtyje (3) laisvasis narys yra q; žr. čia). Todėl apsimoka sprendžiant bet kokią lygtį su racionaliaisiais koeficientais, pradėti lygties sprendimą nuo racionaliųjų sprendinių ieškojimo.

Atvejis, kai p>0.

keisti
Kubinė lygtis (3) gali būti toliau suprastinta, padarius koeficiento   modulį lygų 3 (kai p=0, tada lygtis (3) tampa   turinti sprendinį  ).
Vėl mes panaudojame paprastą, tiesinį keitinį   ir tinkamai parinksime k. Mūsų (3) lygtis konvertuojama į
 
Atveju   pasirenkame k taip:
 
Todėl su tokiu k, koeficientas prie y tampa lygus 3.
 
 
Pažymėkime
 
Tada mes turime lygtį (gautą iš lygties  ):
 
 
kurioje  
Dabar mes bandysime rasti sprendinius, parinkę keitinį  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Abi šios z reikšmės duoda tą patį sprendinį (5) lygties.
 
 
 
 


 
 
 
 


Taigi, abiais atvejais (su dviem skirtingom z reikšmėm) gavome tą patį sprendinį
 
Tai skiriasi nuo sprendinio iš PDF failo, kuris yra toks:
 
Įsitikinkime, kad (5) lygtis neturiu daugiau sprendinių. Pagal (4) lygtį (iš (5) lygties), dabar turime:
[ ]
[ ]
 
kur
 
Diskriminantas (5.1) lygties lygus
 
Kadangi diskriminantas neigiamas, (5) lygtis daugiau sprendinių neturi. Todėl (3) lygtis, atveju p>0, turi tik vieną sprendinį. Mes rasime jį perėję nuo y prie  
Rasime kam lygus x (kuris yra sprendinys (3) lygties).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Atvejis, kai p<0.

keisti
Sunkiau išspręsti (3) lygtį, kai p yra neigiamas. Ir vėl panaudojame keitinį   Dabar lygtyje
 
pasirenkame k, kad  
 
 
Pošaknyje yra teigiamas skaičius, nes p<0.
 
 
 
Pažymėję laisvajį narį per -2m, gauname lygtį
 
Panaudojame keitinį  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Lygtis (7) nevisada turi sprendinius ir reikia išnagrinėti trys atvejus:     ir  

Atvejis p<0, m*m>1 (unikalus sprendinys).

keisti
Jeigu   tada
[ ]
 
 
 
ir abi šios z reikšmės duoda tą patį sprendinį:
 
 
 
 
 
 
 
 
Gavome tas pačias y reikšmes.
Gausime x reikšmę ((3) lygties sprendinį):
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Įsitikinkime, kad šis sprendinys yra unikalus (vienintelis). Šio sprendinio modulis yra didesnis už 2:
 
Vadinasi, |y|>2 ir iš (6) lygties
 
 
 
 
Jeigu pvz., y=-3, tai
 
 
 
Bet mūsų atveju turi būti   tačiau to nėra, kai   nes jeigu pavyzdžiui, m=-0.9, tai   kas neatitinka sąlygos   Todėl teigiamos y reikšmės patenka į sąlygą   Kitaip tariant, jeigu y yra neigiamas, tai jo reikšmės mažesnės už -2 (y<-2, kai y<0) ir 2m gali būti lygu -2 (nes 2m>y). Tada gaunasi, kad 2m=-2, m=-1. Ir   bet tai neatitinka atvejo  
Bet jeigu, pavyzdžiui, y=-3, tai iš nelygybės   gauname
 
 
Ir gaunasi, kad sąlyga   tenkinama, nes  
Vadinasi, sąlyga   netenkinama tik kai   Kalbant dar tiksliau, su bet kokiom y reikšmėm, m gali įgyti vienintelę reikšmę   kuri nepriklauso šiam atvejui  
Pataisymas. Jeigu m=-0.5, tai tada m>-1 (kai y<0). Arba 2m=-1>-2>y (kai y<0). Todėl, kai y neigiamas, m reikšmės gali būti segmente [-1; 0]. Arba   kai y<0. O kai y>0, tada m reikšmės gali būti intervale   Tokios neigiamos m reikšmės ( ) tenkina visus y. Su neigiamom didelėm absoliučiu dydžiu (modulis didelis) y reikšmėm, m neigiamos reikšmės bus irgi didesnės absoliučiu dydžiu (nelygybė 2m>y bus teisinga, kai y<0). O neigiamos a reikšmės iš segmento [-1; 0] visada tenkins nelygybę 2a>y (kai y<0), bet m reikšmės iš šio segmento nepriklauso šiam atvejui ( ).


Kiti sprendiniai galėtų būti gauti iš (4) lygties, kuri dabar atrodo taip:
[ ]
[ ]
 
Jos diskriminantas
 
yra neigiamas ir (4.6) lygtis neturi sprendinių (su  ). Todėl (6) lygtis, atveju   turi vienintelį sprendinį   ( ).

Atvejis p<0, m*m=1 (du sprendiniai).

keisti
Jeigu   tada iš (7) lygties
[ ]
turime  
Kai m=1, tai z=1 ir
y = z + 1/z = 2.
(6) lygtis tranformuojasi į
 
kuri gali būti išskaidyta nepasinaudojant (4) lygtim:
 
Taigi lygtis (6) (ir (3)) šiuo atveju turi du sprendinius ((6) lygties sprendiniai yra 2 ir -1, kai p<0, m*m=1). Grįžtame prie x.
 
 
 
Kai m=-1, tai z=-1 ir
y = z + 1/z = -1 + 1/(-1) = -2.
(6) lygtis tampa
 
Ir taip pat turi du sprendinius (kaip ir (3)). Grįžtame prie x.
 
 
 
p<0.
  ir   yra (3) lygties sprendiniai.


 
pavyzdys, kurios p=-12<0.
Tada
 
 
Šie sprendiniai yra tokie patys kaip ir pateiktoje nuorodoje.
Patikriname:
 
 
 
 
 
 
Vadinasi sprendiniai teisingi.
 
 
Kažkodėl šitame pavyzdyje m=1, bet   ir   paimti iš atvejo, kai m=-1.


[ 
pasirenkame k, kad  
 
 
Pošaknyje yra teigiamas skaičius, nes p<0.
 
 
 ]
Gali būti, kad gavome m=1, o ne m=-1, nes
 
tada
 
 
 
 
 
 
 
 
Dabar ir gavome  

Atvejis p<0, m*m<1 (trys sprendiniai).

keisti
Jeigu   tai lygtis (7) neturi sprendinių ir keitinys   neras sprendinius. Bet čia padeda trigonometrija: pakeitimas   pakeičia (6) lygtį į tokią:
[ ]
 
 
 
Darome keitinį  
 
Ši lygtis turi sprendinius, kai |m|<1 (arba  ). Kosinusas yra lyginė funkcija, todėl su neigiamom ir teigiamom   reikšmėm gaunamas tas pats kosinuso rezultatas. Todėl
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
k - sveikasis skaičius.
Remdamiesi redukcijos formulėmis, suprantame, kad su daugiau nei trim skaičiaus k reikšmėm z reikšmės kartosis, nes kubinė lygtis negali turėti daugiau nei trys sprendinius. Todėl pasirenkame   Tada
 
 
 
Grįžtame prie x.
 
 
 
 
Kubinė lygtis (3) yra išspręsta.
 


 
kurios  ,  
Jos sprendiniai yra 2, 3 ir  
Apskaičiuosime juos pagal ką tik išvestas formules.
 
= 45*3^0.5 /(19*19^0.5) = 0.9411150958093732309574814856304.
Arba kitas variantas:
 
= -45*3^0.5 /(19*19^0.5) = -0.9411150958093732309574814856304.
Tada
  0.34488276150211935210875728756448.
Arba
  2.796709892087673886353886095715.


Apskaičiuosime  
Su pirma m reikšme:
 
 
= 2*(19/3)^0.5 * cos(0.11496092050070645) = 2*(19/3)^0.5 *0.99339926779878285489956379038765 = 5 (Windows 10 kalkuliatoriaus duoda tokią tikslią reikšmę "5", įstačius pajuodintą reikšmę).
Su antra m reikšme:
 
 
= 2*(19/3)^0.5 * cos(0.93223663069589129545) = 2*(19/3)^0.5 *0.59603956067926971293973827423259 = 3 (Windows 10 kalkuliatoriaus duoda tokią tikslią reikšmę "3", įstačius pajuodintą reikšmę).
Su pirma m reikšme, atsakymas 5 yra be minuso ženklo. O su antra m reikšme, atsakymas 3 yra duotos lygties sprendinys.


Toliau apskaičiuosime  
Su pirma m reikšme:
 
 
= 2*(19/3)^0.5 * cos(2*pi/3 +0.11496092050070645070291909585483) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(2.0943951023931954923084289221863 +0.11496092050070645070291909585483) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(2.2093560228939019430113480180411) = 2*(19/3)^0.5 * (-0.59603956067926971293973827423256) =
= -2.9999999999999999999999999999999.
O jeigu po pi paimsime ne pliuso, bet minuso ženklą, tai gausime:
= 2*(19/3)^0.5 * cos(2.0943951023931954923084289221863 -0.11496092050070645070291909585483) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(1.9794341818924890416055098263315) = 2*(19/3)^0.5 * (-0.39735970711951314195982551615502) =
= -1.9999999999999999999999999999998.
Čia kosinusas skaičiuojamas su reikšmėm didesnėm nei pi/2 =~ 1.57, todėl galimos kai kurios klaidos. Bendrai, negalimos klaidos, nes čia kosinusas, o ne arkkosinusas.
Su antra m reikšme:
 
 
= 2*(19/3)^0.5 * cos(2*pi/3 +0.93223663069589129545129536523833) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(2.0943951023931954923084289221863 + 0.93223663069589129545129536523833) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(3.0266317330890867877597242874246) = 2*(19/3)^0.5 * (-0.99339926779878285489956379038764) =
= -5 (įstačius į Windows 10 kalkuliatorių pajuodintą tekstą).
O jeigu po pi paimsime ne pliuso, bet minuso ženklą, tai gausime:
= 2*(19/3)^0.5 * cos(2.0943951023931954923084289221863 - 0.93223663069589129545129536523833) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(1.162158471697304196857133556948) = 2*(19/3)^0.5 * 0.39735970711951314195982551615505 =
= 2 (įstačius į Windows 10 kalkuliatorių pajuodintą tekstą).
Su antra m reikšme iškart gavome du teisingus tos lygties sprendinius.


Toliau apskaičiuosime  
Su pirma m reikšme:
 
 
= 2*(19/3)^0.5 * cos(4*pi/3 +0.11496092050070645070291909585483) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(4.1887902047863909846168578443727 +0.11496092050070645070291909585483) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(4.3037511252870974353197769402275) = 2*(19/3)^0.5 * (-0.39735970711951314195982551615506) =
= -2.
O jeigu po pi paimsime ne pliuso, bet minuso ženklą, tai gausime:
= 2*(19/3)^0.5 * cos(4.1887902047863909846168578443727 - 0.11496092050070645070291909585483) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(4.0738292842856845339139387485179) = 2*(19/3)^0.5 * (-0.59603956067926971293973827423257) =
= -2.9999999999999999999999999999999.
Su antra m reikšme:
 
 
= 2*(19/3)^0.5 * cos(4*pi/3 +0.93223663069589129545129536523833) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(4.1887902047863909846168578443727 + 0.93223663069589129545129536523833) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(5.121026835482282280068153209611) = 2*(19/3)^0.5 * 0.39735970711951314195982551615505 =
= 2 (įstačius į Windows 10 kalkuliatorių pajuodintą tekstą).
O jeigu po pi paimsime ne pliuso, bet minuso ženklą, tai gausime:
= 2*(19/3)^0.5 * cos(4.1887902047863909846168578443727 - 0.93223663069589129545129536523833) =
= 2*(19/3)^0.5 * cos(3.2565535740904996891655624791344) = 2*(19/3)^0.5 * (-0.99339926779878285489956379038764) =
= -5 (įstačius į Windows 10 kalkuliatorių pajuodintą tekstą).
Su antra m reikšme iškart gavome du teisingus tos lygties sprendinius.


Su antra m reikšmę gavome visus teisingus lygties   sprendinius (2, 3. -5). O su pirma m reikšme gavome sprendinius su priešingais ženklais (-2, -3, 5; dėl to visi jie neteisingi).