一元三次方程的解法有代数解和数值解。古代数学家解决了求数值解的问题,他们没有得到的是三次方程的代数解(根式解),即本文要重点介绍的求根公式。
三次方程和四次方程的求根公式是16世纪意大利数学家的杰出成就,载于卡丹的著作《大术》。书中的公式相当复杂,考虑到降低学习难度和使用门槛的需求,面向初学者推出下面的极简版求根公式,请看下图:
图一:极简优美版求根公式
对上图作一些简要说明。方程①是不完全三次方程,缺少了二次项。一元三次方程有三个根,对形如方程①的三次方程,三个根如图所示。第一个根是实数,第二个根和第三个根可能是实数,也可能是复数。二次方程和三次方程的复数根总是成对出现,且是共轭复数。二次方程和三次方程的实数根分为两类,即有理根和无理根。无理根总是成对出现,且是共轭根式。
举个例子,某个二次方程已知一个根是2 √3,那么另外一个根必然是2-√3;如果有一个虚根-2-√3i,那么另外一个虚根必然是-2 √3i。
图中的α和β是方程②的两根,可能是复数,也可能是实数。方程②的变量用字母t表示,是为了避免与方程①的变量x混淆。
方程②是根据方程①构造出来的二次方程,初中同学能够求解。
先解方程②,再把两根α和β代入求根公式,即得方程①的三个根了。求根公式出现了两个复数,它们是方程③的两个虚根。方程③可以用立方差公式进行因式分解,把三次方程降次为二次方程,就容易求解了。
1的立方根有三个,数学家把其中两个虚根称为ω和ω²,根据一元三次方程根与系数的关系,这两个虚根相加等于-1,相乘等于1。
求根公式怎么用呢?我们来看一道著名的例题,16世纪意大利数学家处理过的一个三次方程。
【例题】解方程x³-15x-4=0
审题:方程的形式和图1的方程①一样,可以用公式求解。p=-15,q=-4,于是构造形如方程②的二次方程。-15的三次方等于-3375,而-3375÷27=-125,所以得到二次方程t²-4t 125=0,解方程得到两个虚根为2 11i和2-11i。
接下来我们求第一个根。2 11i的立方根怎么求呢?想到完全立方公式:(a±b)³=a³±3a²b 3ab²±b³
于是有
2 11i=8 12i-6-i=8 12i 6i² i³=(2 i)³
同理可得
2-11i=8-12i-6 i=8-12i 6i²-i³=(2-i)³
于是得到第一个根是
接下来我们求另外两个根。请看下图:
因为这两个无理根是共轭根式,所以得到第二个根后,可以直接写出第三个根。
有的同学可能会有疑问,虽然会解类似于方程①的不完全三次方程,但是遇到一般化的三次方程怎么办呢?
对于这样的三次方程,我们首先把它的三次项系数化为1,可以既简化问题,同时又不失一般性。然后用换元法解方程。
举个例子。我在美国著名科普作家阿西莫夫70年代的科普文章中看到一个三次方程:
y³-6y² 11y-6=0
虽然可以用因式分解法解方程,但是我们用换元法求解方程,解答某些同学的疑问。
请看下图: