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三次方程:降次、实根分类与三角解法

拓展更新于 2026-09-29

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三次方程没有简单有理根时,仍可先把二次项消去,再用同一个参数判断实根个数。根式和三角形式分别适合不同情形。

先消去二次项

设 ax3+bx2+cx+d=0ax^3+bx^2+cx+d=0,其中 a,b,c,da,b,c,d 为实数且 a≠0a\ne0。置 x=t−b/(3a)x=t-b/(3a),展开并除以 aa,得到

t3+pt+q=0,p=3ac−b23a2,q=2b3−9abc+27a2d27a3.t^3+pt+q=0,\qquad p=\frac{3ac-b^2}{3a^2},\quad q=\frac{2b^3-9abc+27a^2d}{27a^3}.

这只是平移变量,不改变实根个数、重数或根的相对次序。后文先求 tt,最后必须平移回 xx。

实根个数的判别与证明

记 D=(q/2)2+(p/3)3D=(q/2)^2+(p/3)^3。方程 t3+pt+q=0t^3+pt+q=0 的实根分类如下:

条件 实根情况
D>0D>0 一个实根,且为单根
D=0,p=q=0D=0,p=q=0 零是三重根
D=0,(p,q)≠(0,0)D=0,(p,q)\ne(0,0) 两个不同实根,其中一个二重
D<0D<0 三个不同实根

证明:当 p≥0p\ge0 时,t3+ptt^3+pt 严格递增,故恰有一个不同实根;只有 p=q=0p=q=0 时为重根。当 p<0p<0,令 s=−p/3>0s=\sqrt{-p/3}>0。导数为 3(t2−s2)3(t^2-s^2),局部极大、极小分别在 −s,s-s,s,对应函数值 q+2s3,q−2s3q+2s^3,q-2s^3,二者之积为 4D4D。结合两端的函数值趋势及三段严格单调性,得到上表。

判别量非负时的实根式

当 D≥0D\ge0 时,实数立方根意义下

t=−q2+D3+−q2−D3t=\sqrt[3]{-\frac q2+\sqrt D}+\sqrt[3]{-\frac q2-\sqrt D}

是一个实根。设两个根式分别为 u,vu,v,则 u3+v3=−qu^3+v^3=-q,且 u3v3=−(p/3)3u^3v^3=-(p/3)^3,所以 uv=−p/3uv=-p/3。由 (u+v)3=u3+v3+3uv(u+v)(u+v)^3=u^3+v^3+3uv(u+v) 即得。

D>0D>0 时它就是唯一实根。这里用的是唯一的实数立方根,不能任意选取复立方根后直接相加。D<0D<0 时两个被开方数不再是实数,应另用下文三角解法。

重根情形

若 D=0D=0,令 u=−q/23u=\sqrt[3]{-q/2},则 p=−3u2,q=−2u3p=-3u^2,q=-2u^3,于是

t3+pt+q=(t−2u)(t+u)2.t^3+pt+q=(t-2u)(t+u)^2.

当 u≠0u\ne0,实根为 2u,−u2u,-u,后者二重;当 u=0u=0,三个根全部为零。只写根式 2u2u 会漏掉另一个不同实根。

三个实根时的三角表示

当 D<0D<0 时必有 p<0p<0。令 s=−p/3s=\sqrt{-p/3},取 θ∈(0,π/3)\theta\in(0,\pi/3) 满足

cos⁡3θ=−q2s3.\cos3\theta=-\frac{q}{2s^3}.

右侧严格介于 −1,1-1,1,所以这样的 θ\theta 唯一存在。三个实根为

tk=2scos⁡(θ+2kπ3),k=0,1,2.t_k=2s\cos\left(\theta+\frac{2k\pi}{3}\right),\qquad k=0,1,2.

代入并用 4cos⁡3u−3cos⁡u=cos⁡3u4\cos^3u-3\cos u=\cos3u 验证。三个角分别处于 (0,π/3),(2π/3,π),(4π/3,5π/3)(0,\pi/3),(2\pi/3,\pi),(4\pi/3,5\pi/3),对应余弦值分别位于 (1/2,1),(−1,−1/2),(−1/2,1/2)(1/2,1),(-1,-1/2),(-1/2,1/2),因此根互异;三次多项式不可能有更多不同根。

例:同一规范式的三种情形

对于 t3−3t+q=0t^3-3t+q=0,有 D=q2/4−1D=q^2/4-1。

  • q=3q=3:D=5/4>0D=5/4>0,唯一实根为 (−3+5)/23+(−3−5)/23\sqrt[3]{(-3+\sqrt5)/2}+\sqrt[3]{(-3-\sqrt5)/2}。
  • q=2q=2:(t−1)2(t+2)=0(t-1)^2(t+2)=0,不同实根为 1,−21,-2。
  • q=1q=1:D=−3/4<0D=-3/4<0,可取 θ=2π/9\theta=2\pi/9,三个根为 2cos⁡(2π/9),2cos⁡(8π/9),2cos⁡(14π/9)2\cos(2\pi/9),2\cos(8\pi/9),2\cos(14\pi/9)。

计算前先尝试因式分解;分类和通式用于理解结构,不要求每道三次方程都套根式。

不同三次判别式的符号约定

对 ax3+bx2+cx+d=0ax^3+bx^2+cx+d=0(实系数且 a≠0a\ne0),有时教材另记

A=b2−3ac,B=bc−9ad,C=c2−3bd,D=B2−4AC.A=b^2-3ac,\quad B=bc-9ad,\quad C=c^2-3bd,\quad D=B^2-4AC.

这套 DD 与通常的多项式判别式相差负的常数倍:展开得

D=−3(b2c2−4ac3−4b3d−27a2d2+18abcd).D=-3\bigl(b^2c^2-4ac^3-4b^3d-27a^2d^2+18abcd\bigr).

把消去二次项后定义的量另记为 D0=(q/2)2+(p/3)3D_0=(q/2)^2+(p/3)^3,将本页给出的 p,qp,q 表达式代入,可得

D=324a4D0.D=324a^4D_0.

因为 a≠0a\ne0,两种 DD 的符号相同;它们的数值通常不同,使用时不能混代。

因此 D<0D<0 是三个互异实根,D>0D>0 是一个实根和一对非实共轭根。D=0D=0 时存在重根;其中 A=B=0A=B=0 为三重根,其余为一个二重实根与另一个实根。

例如 x3−x=0x^3-x=0 有 −1,0,1-1,0,1 三个互异实根,算得 A=3,B=0,C=1,D=−12A=3,B=0,C=1,D=-12。这是检查判别式符号或原稿“相等/不等”笔误的简便例子。

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