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一般韦达关系、根的变换与实根必要条件

拓展更新于 2026-09-29

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韦达关系来自因式乘积的系数比较。它能计算根的对称式,却不会自动保证每个根都是实数。

从二次、三次韦达公式开始

设二次方程 ax2+bx+c=0ax^2+bx+c=0(a≠0a\ne0)的根为 r1,r2r_1,r_2,按重数列出。由 ax2+bx+c=a(x−r1)(x−r2)ax^2+bx+c=a(x-r_1)(x-r_2) 展开,得到

r1+r2=−ba,r1r2=ca.r_1+r_2=-\frac ba,\qquad r_1r_2=\frac ca.

三次方程 ax3+bx2+cx+d=0ax^3+bx^2+cx+d=0(a≠0a\ne0)的三个根为 r1,r2,r3r_1,r_2,r_3,展开 a(x−r1)(x−r2)(x−r3)a(x-r_1)(x-r_2)(x-r_3) 给出

r1+r2+r3=−ba,r1r2+r1r3+r2r3=ca,r1r2r3=−da.r_1+r_2+r_3=-\frac ba,\qquad r_1r_2+r_1r_3+r_2r_3=\frac ca,\qquad r_1r_2r_3=-\frac da.

例如二次根的平方和为 (r1+r2)2−2r1r2=b2/a2−2c/a(r_1+r_2)^2-2r_1r_2=b^2/a^2-2c/a。这些等式在复数范围也成立;若题目只讨论实根,须先确认实根存在。它们确定的是根的对称信息,不指定哪个根叫 r1r_1。

一般韦达关系

设 P(x)=anxn+⋯+a0=an∏i=1n(x−ri)P(x)=a_nx^n+\cdots+a_0=a_n\prod_{i=1}^n(x-r_i),an≠0a_n\ne0,根按重数计。对 1≤k≤n1\le k\le n,记 eke_k 为所有 kk 个不同下标的根乘积之和,则

ek=∑1≤i1<⋯<ik≤nri1⋯rik=(−1)kan−kan.e_k=\sum_{1\le i_1<\cdots<i_k\le n}r_{i_1}\cdots r_{i_k}=(-1)^k\frac{a_{n-k}}{a_n}.

证明:乘积展开中产生 xn−kx^{n-k} 项,必须从 kk 个因子中取 −ri-r_i、其余取 xx,累加即得。特别地,e1=−an−1/an,en=(−1)na0/ane_1=-a_{n-1}/a_n,e_n=(-1)^na_0/a_n。

复系数多项式的首项系数可以为复数,不必是实数。代数基本定理保证复数域中的完全分解存在,本篇采用其结论而不展开高等证明;系数比较本身是有限代数运算。

根变换与相应多项式

若 rir_i 是 PP 的根,则 ri+hr_i+h 是 P(x−h)P(x-h) 的根。若 c≠0c\ne0,cricr_i 是 cnP(x/c)c^nP(x/c) 的根。若 a0≠0a_0\ne0,全部根非零,1/ri1/r_i 是 xnP(1/x)x^nP(1/x) 的根,其系数顺序反转。

若 a0=0a_0=0,不能给零根取倒数。重根在非退化的平移、非零伸缩和倒数变换中保留重数。

实系数多项式满足 P(z‾)=P(z)‾P(\overline z)=\overline{P(z)},所以非实根成共轭对出现,且重数相同。复系数一般不具备这一性质,例如 P(z)=z−iP(z)=z-i。

判断“所有根均为实数”的必要条件

设实系数多项式

P(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a0,an≠0,n≥2,P(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_0,\qquad a_n\ne0,\quad n\ge2,

其全部复根按重数记为 r1,…,rnr_1,\ldots,r_n。若所有根都是实数,则必有

Δ1=(n−1)an−12−2nanan−2≥0.\Delta_1=(n-1)a_{n-1}^2-2na_na_{n-2}\ge0.

若再有 a0≠0a_0\ne0,则还必有

Δ2=(n−1)a12−2na0a2≥0.\Delta_2=(n-1)a_1^2-2na_0a_2\ge0.

第一条的证明

记 e1=∑irie_1=\sum_i r_i、e2=∑i<jrirje_2=\sum_{i<j}r_ir_j。展开每个根差的平方,注意每个 ri2r_i^2 在求和中出现 n−1n-1 次,得到

∑i<j(ri−rj)2=(n−1)∑iri2−2e2=(n−1)(e12−2e2)−2e2=(n−1)e12−2ne2=Δ1an2.\begin{aligned} \sum_{i<j}(r_i-r_j)^2 &=(n-1)\sum_i r_i^2-2e_2\\ &=(n-1)(e_1^2-2e_2)-2e_2\\ &=(n-1)e_1^2-2ne_2 =\frac{\Delta_1}{a_n^2}. \end{aligned}

所有根为实数时,左侧每项非负;又 an2>0a_n^2>0,故 Δ1≥0\Delta_1\ge0。在“全部根为实数”的前提下,等号当且仅当全部 rir_i 相等。

第二条的证明

若 a0≠0a_0\ne0,零不是根。令 Q(x)=xnP(1/x)Q(x)=x^nP(1/x),则

Q(x)=a0xn+a1xn−1+a2xn−2+⋯+an,Q(x)=a_0x^n+a_1x^{n-1}+a_2x^{n-2}+\cdots+a_n,

它的根恰为 1/r1,…,1/rn1/r_1,\ldots,1/r_n,且仍全部为实数。对 QQ 应用第一条,得到 Δ2≥0\Delta_2\ge0;也可直接写成

Δ2=a02∑i<j(1ri−1rj)2.\Delta_2=a_0^2\sum_{i<j}\left(\frac1{r_i}-\frac1{r_j}\right)^2.

怎样使用,怎样不能使用

任一不等式失败,就能断言根不全是实数;这不等于没有实根。两个不等式同时成立也不能反过来保证全实根。例如 P(x)=x4+1P(x)=x^4+1 有 Δ1=Δ2=0\Delta_1=\Delta_2=0,但对每个实数 xx 都有 x4+1>0x^4+1>0,所以没有实根。

当存在非实根时,复数的平方不具有非负性,不能仍把根差平方和当作非负实数。

例:不用求根计算倒数和

设三次式 P(x)=2x3−3x2+5x−7P(x)=2x^3-3x^2+5x-7 的根为 r1,r2,r3r_1,r_2,r_3,按重数计。因常数项非零,各根非零,故

∑1ri=r1r2+r2r3+r3r1r1r2r3=5/27/2=57.\sum\frac1{r_i}=\frac{r_1r_2+r_2r_3+r_3r_1}{r_1r_2r_3}=\frac{5/2}{7/2}=\frac57.

结果为实数并不表示三个根均为实数;这是实系数的对称信息。

有理根试探与余式验证

若整系数多项式 P(x)=anxn+⋯+a0P(x)=a_nx^n+\cdots+a_0、a0≠0a_0\ne0 有既约有理根 p/qp/q(q>0q>0),则 pp 整除 a0a_0、qq 整除 ana_n。将 P(p/q)=0P(p/q)=0 乘以 qnq^n,分别把常数项或最高次项移到一边,再利用 p,qp,q 互素即得。

这只给有限候选,不能把每个候选都当成根。例如 2x3−x2−2x+12x^3-x^2-2x+1 的候选包括 ±1,±1/2\pm1,\pm1/2;分组得到 (2x−1)(x2−1)(2x-1)(x^2-1),实际根为 1/2,1,−11/2,1,-1。试探后用因式定理降次,再求剩下的因子。若 a0=0a_0=0,先提出 xx 因子。

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