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Topos Uranos

二次多项式与 2n 次三项式的因式分解

摘要

本课用配方推导二次多项式的求根公式,研究判别式与韦达定理所述的根与系数的关系,并得到因式分解 a(x−x1)(x−x2)a(x - x_1)(x - x_2)。随后把这一方法推广到次数为 2n2n 的三项式,即形如 ax2n+bxn+ca x^{2n} + b x^n + c 的三项式,方法是作换元 u=xnu = x^n;并说明一个次数为 44 的三项式即使判别式为负也可以分解。

学习目标

  1. 用配方推导求根公式,并用它进行因式分解。
  2. 解释判别式的意义,并运用韦达定理所述的根与系数的关系。
  3. 分解次数为 2n2n 的三项式,方法是作换元 u=xnu = x^n 并利用乘法公式。
  4. 判断二次多项式何时在实数范围内不可约,并分解一个判别式为负的 44 次三项式。
  5. 列出归结为二次方程的应用题,例如球的飞行或菜园的设计,并结合实际情境解释其根与判别式。

二次多项式

二次多项式是次数为 22 的多项式;系数为实数 aa、bb 和 cc,且 a≠0a \neq 0 时,它写成:

P(x)=ax2+bx+cP(x) = ax^2 + bx + c

对它进行因式分解,就是把它写成两个 11 次多项式的积。由在关于多项式的代数的课中学过的因式定理,每个实根 rr 给出一个因式 x−rx - r;因此,分解二次多项式等价于求出它的根。求根的方法是配方。

定理求根公式

设 ax2+bx+cax^2 + bx + c 是二次多项式,a≠0a \neq 0。对任意实数 xx,下面的等式成立,它称为配方形式;若 b2−4ac≥0b^2 - 4ac \geq 0,则多项式的根恰为数 −b±b2−4ac2a\frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}。

ax2+bx+c=a[(x+b2a)2−b2−4ac4a2]ax^2 + bx + c = a\left[\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 - \frac{b^2 - 4ac}{4a^2}\right]

其想法来自几何:x2+baxx^2 + \frac{b}{a}x 是边长为 xx 的正方形的面积加上边长为 xx 和 ba\frac{b}{a} 的矩形的面积。如果把矩形分成两半,分别放在正方形的两条边上,那么只缺一个角就能补成一个更大的正方形,其边长为 x+b2ax + \frac{b}{2a}。

证明

  1. ax2+bx+c=a(x2+bax+ca)ax^2 + bx + c = a\left(x^2 + \dato{s}{\frac{b}{a}x} + \frac{c}{a}\right)

    因为 a≠0a \neq 0,提出公因式 aa。

  2. x2+bax=(x+b2a)2−b24a2x^2 + \resaltar{\frac{b}{a}x} = \dato{c}{\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2} - \resaltar{\frac{b^2}{4a^2}}

    x+b2ax + \frac{b}{2a} 的平方包含 x2x^2、项 bax\frac{b}{a}x 和角 b24a2\frac{b^2}{4a^2};减去这个角,就得到所求的和。

  3. ax2+bx+c=a[(x+b2a)2−b2−4ac4a2]ax^2 + bx + c = a\left[\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 - \dato{d}{\frac{b^2 - 4ac}{4a^2}}\right]

    代入括号内,并把常数项合并为一个分数,因为 ca=4ac4a2\frac{c}{a} = \frac{4ac}{4a^2}。

  4. ax2+bx+c=0↔(x+b2a)2=b2−4ac4a2ax^2 + bx + c = 0 \leftrightarrow \left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 = \frac{b^2 - 4ac}{4a^2}

    因为 a≠0a \neq 0,多项式为零当且仅当方括号为零。

  5. (x+b2a)2−(b2−4ac2a)2=0↔x+b2a=±b2−4ac2a\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 - \resaltar{\left(\frac{\sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}\right)^2} = 0 \leftrightarrow x + \frac{b}{2a} = \resaltar{\pm \frac{\sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}}

    若 b2−4ac≥0b^2 - 4ac \geq 0,则数 w=b2−4ac2aw = \frac{\sqrt{b^2 - 4ac}}{2a} 满足 w2=b2−4ac4a2w^2 = \frac{b^2 - 4ac}{4a^2},无论 aa 的符号如何。令 uu 表示 x+b2ax + \frac{b}{2a},由平方差公式,方程化为 (u−w)(u+w)=0(u - w)(u + w) = 0;而由关于代数函数的课中的积的符号引理,实数之积为零仅当某个因数为零。由此,方程恰好等价于 u=wu = w 或 u=−wu = -w:既不丢失也不增加任何根。

  6. x=−b±b2−4ac2ax = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}

    解出 xx:这就是求根公式。